基于DSP的新型彈載控制計(jì)算機(jī)

前言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，新型航天飛行器不斷涌現(xiàn)，各種用途的 導(dǎo)彈正不斷地走向高精度和小型化的道路。高精度要求航天飛行器和導(dǎo)彈的制導(dǎo)控 制精度高、穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)復(fù)雜的外界環(huán)境。因此控制算法比較復(fù)雜、計(jì)算速度快、精 度高。小型化則要求航天飛行器和導(dǎo)彈的體積小、機(jī)動(dòng)性好，在同等有效載荷的情況下，對(duì) 控制系統(tǒng)的重量和體積提出了更高的要求，要求控制計(jì)算機(jī)的性能越高越好，體積越小越好。性能指標(biāo)和體積限制迫切需要研制新型的彈載控制計(jì)算機(jī)。 隨著數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)性能的迅速提高和成本價(jià)格的下 降，DSP的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，開(kāi)始在通用數(shù)字信號(hào)處理、通訊、語(yǔ)音處理、圖像處理、自動(dòng)控制和儀表儀器及 軍事與尖端科技等方面，以其強(qiáng)大的指令系統(tǒng)及接口功能顯示出功能強(qiáng)、速度快、編程和開(kāi)發(fā)方便等特點(diǎn)。利用DSP的性能，解決了高速與微型的矛盾，成功研制出了集 高速度、高精度和小型化于一體的基于DSP的新型彈載控制計(jì)算機(jī)，并通過(guò)了地面的性能測(cè) 試。

常用的彈載控制計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)

彈載計(jì)算機(jī)要求具有實(shí)時(shí)性、可靠性、嵌入性等特點(diǎn)。實(shí)時(shí)性要求對(duì)輸入的信 息數(shù)據(jù)以最快 的速度處理，以最短的時(shí)間延遲輸出控制指令去控制導(dǎo)彈的飛行?？煽啃砸竽軌蛟趷毫拥沫h(huán)境條件下使用，抗干擾能力強(qiáng)，要有寬工作溫度范圍、抗振動(dòng)和沖擊、耐潮濕、抗電磁干 擾等特點(diǎn)。嵌入性要求最輕最小的體積重量。但這些條件很難同時(shí)滿足，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需要綜合考慮。

基于PC機(jī)和基于單片機(jī)是常用的兩種彈載控制計(jì)算機(jī)

基于PC機(jī)的彈載控制計(jì)算機(jī)是以Intel 80×86為CPU，外圍加上相應(yīng)的協(xié)處理器、內(nèi)存、硬 盤(pán) 、接口電路（包括A/D和D/A、串行通訊等）等組成。和普通的商用計(jì)算機(jī)比較類(lèi)似，采用高級(jí)語(yǔ)音設(shè)計(jì)，編程比較容易，研制的廠家多，技術(shù)也比較成熟；32位字長(zhǎng)，有協(xié)處理器配合可以作較高精度的浮點(diǎn)運(yùn)算，主頻15～66 MHz，甚至更高，整體速度快，相當(dāng)于286～486的性能；尋址能力強(qiáng)，可以訪問(wèn)到外部M bit～G bit的空間，能夠 進(jìn)行實(shí)時(shí)的高精度和高速度計(jì)算。但接口能力差，需要較多的外圍接口器件配合，體積大，不易實(shí)現(xiàn)小型化。

基于單片機(jī)的彈載控制計(jì)算機(jī)主要由以Intel 8031為核心的51系列單片機(jī)或96系列單片機(jī)組 成中央處理器，外圍配以少量的接口器件組成。其接口能力強(qiáng)、I/O管腳多、可直接驅(qū)動(dòng)邏輯電路，功耗大、體積小，可將RAM、ROM、CPU集成在單片上，有的可同 時(shí)集成晶振和看門(mén)狗WTD電路，減少了系統(tǒng)的復(fù)雜程度、方便了使用、提高了可靠性，嵌入性能很好。但其整體計(jì)算性能差，這種計(jì)算機(jī)一般是8位、準(zhǔn)16位或16位，沒(méi) 有浮點(diǎn)運(yùn)算指令，無(wú)法進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，計(jì)算精度差；晶振常為1～16 MHz，尋址能力有限， 通常只有幾十千字節(jié)至幾百千字節(jié)的能力，無(wú)法完成實(shí)時(shí)計(jì)算與高精度的控制任務(wù)，一般多 用于簡(jiǎn)易控制系統(tǒng)中。

DSP同時(shí)具備了這兩者的優(yōu)點(diǎn)，可以滿足高性能和小型化的要求。

DSP的發(fā)展現(xiàn)狀

半導(dǎo)體技術(shù)同IT技術(shù)一樣也在不斷地發(fā)展。世界上第1個(gè)單片DSP是AM I公 司在1978年發(fā)布的，定點(diǎn)位數(shù)12/16，一次乘法和加法的時(shí)間(MAC)為300 ns。在那以后， 世界上有許多著名的半導(dǎo)體廠家陸續(xù)推出了自己的DSP，從定點(diǎn)到浮點(diǎn)，生產(chǎn)工藝不斷改善 ，硬件資源越來(lái)越豐富，運(yùn)算速度越來(lái)越快，性能越來(lái)越高，功耗、體積也越來(lái)越小。以美國(guó)德州儀器公司（TI公司）生產(chǎn)的DSP為例，1982年推出了第1代的定點(diǎn)DSP，到1997年推出 的C 6X浮點(diǎn)DSP以及多處理器芯片TMS320C8X，后者集成了5個(gè)高性能的DSP，可以并行運(yùn)算，實(shí)時(shí)處理能力達(dá)每秒20億次操作，精度達(dá)到了64位。就其1989年推出的第1代浮點(diǎn)DSP而言，MAC 已達(dá)60 ns，浮點(diǎn)位數(shù)已達(dá)40位；具有指令功能強(qiáng)，指令集有113條指令，大部分指令是單周期的，采用流水線操作，支持32位浮點(diǎn)乘法和并行指令；有5類(lèi)尋址方式，這些類(lèi)中又 可采用6種尋址類(lèi)型；16 Mbit可尋址范圍。計(jì)算速度和精度已達(dá)到甚至 超過(guò)了PC機(jī)的CPU；體積小，具有豐富的硬件資源和靈活方便的接口，使得D SP 在要求高性能和小型化的導(dǎo)彈控制上具有良好的應(yīng)用條件和前景。 研制基于DSP的新一代彈載控制計(jì)算機(jī)，雖然有卓越的性能和微小的體積作保證， 但關(guān)鍵在于控制系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)。

基于DSP新型彈載控制計(jì)算機(jī)的方案設(shè)計(jì)

在整體方案設(shè)計(jì)之前，要對(duì)導(dǎo)彈的任務(wù)和實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)作需求分析。根據(jù) 導(dǎo)彈總體的要求和控 制對(duì)象的復(fù)雜程度，選擇控制周期；按照控制周期內(nèi)控制計(jì)算量來(lái)確定彈上計(jì)算的類(lèi)型和運(yùn)算速度，并結(jié)合外部單元確定接口方案，以及對(duì)抗干擾因素的考慮，可確定整體的通訊協(xié)議 和接口形式。

1 控制系統(tǒng)整體組成框圖

在導(dǎo)彈的飛行過(guò)程中，為了精確地命中目標(biāo)，需要對(duì)其飛行姿態(tài)進(jìn)行控制，引導(dǎo)導(dǎo)彈準(zhǔn)確飛 向目標(biāo)。為了進(jìn)行姿態(tài)控制，通常需要獲得彈體飛行姿態(tài)的實(shí)時(shí)參數(shù)，以及目標(biāo)和導(dǎo)彈的相對(duì)位置關(guān)系。有了這些信息參數(shù)，經(jīng)過(guò)控制計(jì)算機(jī)的控制算法計(jì)算，實(shí)時(shí)輸出控制量到執(zhí)行 機(jī)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的控制，其構(gòu)成示意圖見(jiàn)圖1。