基于DSP+FPGA的數(shù)字導(dǎo)彈飛控計算機設(shè)計

摘要：針對在舵機、導(dǎo)引頭、慣導(dǎo)等彈上設(shè)備日益數(shù)字化的趨勢下飛控系統(tǒng)的需求，提出了一種基于DSP+FPGA結(jié)構(gòu)的通用飛控計算機平臺。DSP+FPGA結(jié)構(gòu)能發(fā)揮兩種處理芯片各自的優(yōu)勢，而且具有良好的通用性和擴展性。針對多個外部設(shè)備數(shù)據(jù)同步問題，采用2個雙端口RAM交替工作的方法，保證各彈上設(shè)備數(shù)據(jù)幀的同步和完整連續(xù)。通過半實物仿真系統(tǒng)的驗證，飛控計算機性能良好，性能滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：DSP+FPGA;數(shù)字式飛控計算機;雙端口RAM;數(shù)據(jù)同步

飛控計算機是現(xiàn)代導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)的核心裝置，其性能的好壞直接關(guān)系到精確制導(dǎo)的精度和殺傷目標(biāo)的概率。近年來舵機、導(dǎo)引頭、慣導(dǎo)等彈載設(shè)備日益向著數(shù)字化方向發(fā)展，因此設(shè)計一種能兼容多數(shù)字式設(shè)備的通用飛控計算機平臺尤為重要。傳統(tǒng)的單處理器核心飛控計算機難以在多通道異步數(shù)據(jù)收發(fā)的同時保證數(shù)據(jù)處理速度，難以滿足現(xiàn)代導(dǎo)彈的要求。本文提出了一種基于DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，對外接口為422的通用數(shù)字飛控計算機平臺。此平臺能充分發(fā)揮DSP的運算速度，實現(xiàn)飛控算法。采用基于FPGA的雙RAM緩沖機制，能很好地解決異步串行數(shù)據(jù)實時同步數(shù)據(jù)處理問題，滿足飛控系統(tǒng)需求。

1 設(shè)計思想和工作原理

1.1 設(shè)計思想

對于單DSP核心的飛控計算機，要收發(fā)多路異步串行數(shù)據(jù)就會占用多路中斷，導(dǎo)致中斷響應(yīng)不及時造成數(shù)據(jù)丟失。同時多路中斷也會影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。飛控計算機對數(shù)據(jù)的完整性和實時性要求較高，傳統(tǒng)單DSP核心不能滿足彈上多數(shù)字式設(shè)備的要求。由于FPGA具有強大的并行處理能力，所以采用增加一片F(xiàn)PGA用于異步串行數(shù)據(jù)的收發(fā)的方法彌補單DSP核心的缺陷。DSP+FPGA的結(jié)構(gòu)能將DSP從繁瑣的外部接口管理中解放出來，充分發(fā)揮DSP的運算優(yōu)勢，提高運算效率的同時易于維護和擴展。

1.2 飛控計算機工作原理

飛控計算機的一般工作過程如下：飛控計算機上電之后進行自檢，向載機發(fā)出“導(dǎo)彈存在”指令。飛控計算機接收載機的裝訂信息，完成初始對準(zhǔn)，并且向載機發(fā)出“允許發(fā)射”指令。當(dāng)導(dǎo)引頭探測到目標(biāo)向飛控計算機發(fā)出導(dǎo)引數(shù)據(jù)時，飛控計算機向載機發(fā)出“目標(biāo)截獲”指令。載機經(jīng)過判斷決策，向飛控計算機給出“發(fā)射”指令。發(fā)射之后，飛控計算機進行飛行時間計時，并開始按照已有的控制率，結(jié)合慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭輸入進行飛控解算，得出四路舵機控制信號信號，控制導(dǎo)彈運動;并將接收到慣導(dǎo)數(shù)據(jù)、導(dǎo)引頭數(shù)據(jù)、舵控量等內(nèi)容組成遙測信息，發(fā)送給觀測人員。

2 結(jié)構(gòu)和硬件設(shè)計

根據(jù)飛控計算機工作原理，它具備以下功能：

能夠收發(fā)裝訂、慣導(dǎo)、導(dǎo)引頭和遙測等數(shù)據(jù);

能夠?qū)崿F(xiàn)導(dǎo)引率，完成導(dǎo)航數(shù)據(jù)解算功能;

能夠控制執(zhí)行機構(gòu)——舵機。

RS422通信協(xié)議具有抗干擾能力強，傳輸距離遠，實現(xiàn)簡單的特點，已經(jīng)被各種數(shù)字設(shè)備廣泛采用。本彈載機對外通信接口均采用422通信協(xié)議。根據(jù)飛控計算機的功能可以得出，此系統(tǒng)至少應(yīng)該包含裝訂、慣導(dǎo)、導(dǎo)引頭、遙測數(shù)據(jù)的收發(fā)和舵機控制5路數(shù)據(jù)通信。由于彈載機工作時收發(fā)“導(dǎo)彈存在”、“目標(biāo)截獲”、“允許發(fā)射”等開關(guān)量，還需要開關(guān)量的輸入輸出。故FPGA對外的接口共包括5路RS422和8位DIO通信接口。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示(圖中XINTF接口和雙端口RAM的說明見本文第4部分)。

DSP選用TI公司的高性能浮點處理器TMS320F28335，150 MHz主頻，性能相比于2812有大幅提升，廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)。FPGA選用ALTERA的Cyclone II系列，完全滿足應(yīng)用需求。DSP+FPGA組成的最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位電路、晶振、燒寫接口等部分組成。電源芯片選用TPS7 67D301PWP，可以為DSP提供3.3 V的工作電壓和1.9 V的內(nèi)核電壓;FPGA的內(nèi)核電壓由ASM1117-1.2穩(wěn)壓得到。DSP復(fù)位芯片采用MAX809S，晶振采用30 MHz的有源晶振;FPGA用50 MHz的有源晶振。配置芯片選用EPCS1，容量為1M bits，用AS模式燒寫。

對外的RS422接口采用MAX3491協(xié)議芯片實現(xiàn)。MAX3491將FPGA的TTL電平轉(zhuǎn)換成422差分電平，和彈上設(shè)備通信。由于FPGA引腳的驅(qū)動能力弱，因此對外的8位DIO采用74LN244芯片，增強驅(qū)動能力。

3 軟件設(shè)計

DSP通過XINTF接口與FPGA通信。DSP將地址傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA經(jīng)過地址譯碼操作對應(yīng)外部設(shè)備數(shù)據(jù)。

3.1 FPGA軟件設(shè)計

FPGA主要功能是完成5路RS422串口數(shù)據(jù)的同時收發(fā)操作開關(guān)量的輸入和輸出，并和DSP交換數(shù)據(jù)。FPGA可使用進程語句實現(xiàn)并行運行，對各外設(shè)的操作都是實時并行的，相互之間沒有影響。

3.1.1 串口通信

先將時鐘通過分頻得到8倍于波特率的串口時鐘。數(shù)據(jù)接收時，根據(jù)串口通信的特點，首先判斷低電平起始位。檢測到起始位之后，按照嚴(yán)格地每八個時鐘一位的關(guān)系采集一個字節(jié)8位的電平。由于噪聲的存在可能會導(dǎo)致采集到的瞬時電平有誤，此時采用表決機制，即在8個時鐘期間采樣3次，以其中2次相同的電平為準(zhǔn)。實驗證明，表決機制能極大排除隨即噪聲干擾，降低串行通信的誤碼率。接收到數(shù)據(jù)之后存儲在對應(yīng)的雙端口RAM中，等待DSP讀取。串口數(shù)據(jù)接受流程如圖2所示。

數(shù)據(jù)發(fā)送時先從雙端口RAM中讀出需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，按照串口時鐘，先發(fā)送起始位(低電平)，再依次通過移位寄存器將8位的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成串行的‘0’/‘1’發(fā)出。主要由下面語句實現(xiàn)：

txd=txd_buf(0);

txd_buf(6 downto 0)=txd_buf(7 downto 1);

其中txd是要發(fā)送的1位邏輯電平，txd_buf中存儲著將要發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送流程如圖3所示。

將按照上述流程設(shè)計的程序在FPGA中進行測試。將FPGA串口和PC機連接，采用115 200波特率連續(xù)工作3分鐘，收發(fā)均無錯誤字節(jié)。

3.1.2 雙RAM緩沖機制

由于串口外設(shè)的波特率是115 200，屬于低速外設(shè)，因此在串口數(shù)據(jù)和DSP之間采用雙端口RAM作為緩沖區(qū)。由于此FPGA上自帶片上RAM，因此可以利用開發(fā)環(huán)境自帶的IP核生成片上雙端口RAM，不用額外增加片外RAM器件(圖1)。雙端口RAM的實體定義和讀寫時序：

將每個RAM中的最后一個字節(jié)作為反映RAM存儲狀態(tài)的狀態(tài)字。RAM的狀態(tài)字代表的含義如下：

bit0：1-串口接收到新數(shù)據(jù)幀 0-無新數(shù)據(jù)幀;

bit1：1-數(shù)據(jù)已經(jīng)被讀取 0-數(shù)據(jù)未被讀取;

慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭向彈載機每6 ms傳輸一幀數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)存儲到雙端口RAM中，同時將bit0置‘1’，bit1清零，即RAM狀態(tài)為“新數(shù)據(jù)幀未被讀取”。由于慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭的數(shù)據(jù)不同步，因此DSP每1ms就查詢一次RAM的狀態(tài)字。若接收到新的數(shù)據(jù)幀(bit0=1)，則讀取RAM數(shù)據(jù)，并將“數(shù)據(jù)被讀取”位置1(bit1=1)。這樣，慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭給DSP發(fā)送的數(shù)據(jù)延遲不超過1 ms，可以認(rèn)為慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭的數(shù)據(jù)是實時同步的。

在串口接收數(shù)據(jù)期間，如果串口和DSP在同一時間操作RAM，可能導(dǎo)致DSP讀取到幀錯亂的數(shù)據(jù)。為了保證數(shù)據(jù)幀的完整，不使兩者同時讀取RAM，采用雙RAM緩沖機制，即為每個串口配置2個雙端口RAM的作為緩沖，如圖5所示。串口數(shù)據(jù)接收程序通過查詢RAMa和RAMb的狀態(tài)字，若bit1=1，則將接收到的數(shù)據(jù)幀存儲到對應(yīng)的RAM中，完成之后將bit0置1，bit1清0，這個周期為6 ms。與此同時，DSP每1 ms查詢一次RAMa和RAMb，若bit0為1，則讀取對應(yīng)RAM中的數(shù)據(jù)幀，同時將bit0清0。bit1置1。串口數(shù)據(jù)發(fā)送過程與接收類似，數(shù)據(jù)傳輸方向相反。

采用雙RAM緩沖機制，使得串口和DSP不在同一時間訪問同一RAM區(qū)，避免了錯幀和丟幀，同時保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。

3.2 DSP軟件設(shè)計

DSP軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計方式，分為應(yīng)用層和底層軟件兩部分。應(yīng)用層軟件主要實現(xiàn)飛控流程和飛控算法;底層軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換，以便通過DSP總線和FPGA進行數(shù)據(jù)交換。

3.2.1 應(yīng)用層軟件設(shè)計

外部的慣導(dǎo)和導(dǎo)引頭6 ms產(chǎn)生一次數(shù)據(jù)，DSP開啟1ms的定時器中斷，在中斷中每1 ms查詢一次雙端口RAM的狀態(tài)字，判斷是否有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，這樣采集的數(shù)據(jù)延遲不會超過1 ms。飛控解算的周期為6 ms，遙測數(shù)據(jù)發(fā)送的周期為12 ms，在定時器中斷程序中完成飛控解算和遙測數(shù)據(jù)發(fā)送。

中斷服務(wù)程序每1 ms運行一次，每次首先查詢導(dǎo)引頭和慣導(dǎo)有沒有更新數(shù)據(jù)，再讀取新數(shù)據(jù)存儲在全局結(jié)構(gòu)體里。每6ms用全局結(jié)構(gòu)體里得到的新數(shù)據(jù)解算一次飛控指令，得到舵機的輸出角度，輸出舵控指令，控制舵機。流程如圖6所示。

3.2.2 底層軟件設(shè)計

DSP底層軟件主要完成外部數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)換。DSP通過XINTF產(chǎn)生讀寫時序(圖2圖3所示時序)，F(xiàn)PGA也設(shè)計與之相匹配的時序完成兩者之間的數(shù)據(jù)交換。

DSP應(yīng)用層軟件使用的是浮點數(shù)，而DSP和FPGA之間只能傳遞二進制數(shù)，因此需要按照IEEE標(biāo)準(zhǔn)進行浮點數(shù)和二進制數(shù)之間的轉(zhuǎn)換。根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)，可以用32位，即8個字節(jié)表示一個浮點數(shù)。如果將代表浮點數(shù)的4個字節(jié)組合成32位的整型數(shù)inte32，進行強制類型轉(zhuǎn)換皆可以得到浮點數(shù)，轉(zhuǎn)換函數(shù)如下：

將浮點數(shù)轉(zhuǎn)換成整型數(shù)的方法與此類似。底層軟件按照上述方法實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，供應(yīng)用層調(diào)用。

4 系統(tǒng)驗證

彈載機實物設(shè)汁制作完成之后可以利用半實物仿真平臺進行測試，該半實物仿真平臺由上位機、慣導(dǎo)、舵機和三軸轉(zhuǎn)臺組成。如圖上位機的作用是模擬導(dǎo)彈動力學(xué)模型和導(dǎo)引頭信息，并控制三軸轉(zhuǎn)臺運動模擬導(dǎo)彈姿態(tài)。導(dǎo)彈的運動信息由慣導(dǎo)測量之后發(fā)送給飛控計算機，飛控計算機根據(jù)運動信息解算出舵機控制量控制舵機轉(zhuǎn)動，同時將遙測數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。上位機采集舵機反饋的實際角度，將其代入導(dǎo)彈動力學(xué)模型，計算導(dǎo)彈姿態(tài)，控制三軸轉(zhuǎn)臺，這樣就形成了完整的半實物仿真回路。

仿真實驗中，首先不接入飛控計算機，由仿真計算機中的控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型直接實現(xiàn)控制算法，所得導(dǎo)彈運動軌跡如圖8所示;將飛控計算機接入仿真回路，由飛控計算機實現(xiàn)制導(dǎo)控制算法所得運動軌跡如圖9所示。

由圖8和圖9的對比可以看出，飛控計算機接入之后飛控系統(tǒng)工作正常，導(dǎo)彈飛行軌跡基本一致，飛控計算機控制效果理想。

5 結(jié)論

文中提出了一種基于DSP+FPGA的飛控計算機設(shè)計方法，在半實物仿真系統(tǒng)中驗證了其性能，滿足設(shè)計要求。解決了在多數(shù)字彈上設(shè)備存在情況下的數(shù)據(jù)幀實時同步問題。由于FPGA可以通過編程實現(xiàn)各種時序，所以此飛控計算機可以擴展為除了RS422外部接口外的其他多種數(shù)字設(shè)備接口，滿足模塊化、通用化的實際應(yīng)用需求。