王洋

摘要：文章針對(duì)飛行器嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的具體需求，設(shè)計(jì)了彈載信息處理系統(tǒng)硬件平臺(tái)。介紹了嵌入式彈載計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，并給出了各個(gè)模塊的具體設(shè)計(jì)；給出了飛控計(jì)算機(jī)中央處理單元的詳細(xì)參數(shù)和處理器上運(yùn)行的軟件的功能和處理流程。最后進(jìn)行了A/D采樣和串口通信實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)平臺(tái)設(shè)計(jì)的有效性。

關(guān)鍵詞：飛行器；飛控計(jì)算機(jī)；嵌入式計(jì)算機(jī)；DSP

中圖分類號(hào)：TP274.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1006-8937（2011）22-0079-02

嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是各類彈箭飛行器中關(guān)鍵部件，有著非常重要的作用。隨著飛行器上的信息處理系統(tǒng)朝著數(shù)字化、信息化、智能化的方向發(fā)展，各種處理算法不斷更新，對(duì)飛行器上的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的信息處理能力也提出了越來(lái)越高的要求。

如何提高彈載計(jì)算機(jī)的信息處理能力，提高飛行器的處理性能冗余度，以便滿足復(fù)雜的算法處理需求，成為設(shè)計(jì)者面對(duì)的關(guān)鍵問(wèn)題。隨著微電子技術(shù)的快速發(fā)展，適用于飛行器上信息處理的DSP芯片的集成度也大幅提高，單個(gè)芯片就集中了多類連接外部設(shè)備的接口。本文將基于DSP芯片進(jìn)行彈載信息處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1彈載信息處理系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

嵌入式彈載信息處理系統(tǒng)是飛行器完成信號(hào)處理和預(yù)定任務(wù)的核心部件，其主要可以分為以下幾個(gè)部分：中央處理單元、外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器、FPGA芯片、邏輯控制電路、電源管理 電路以及接口信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電路，其方框原理圖見(jiàn)圖1。

根據(jù)某飛行器信息實(shí)時(shí)處理的要求，設(shè)計(jì)時(shí)要求嵌入式彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)具有如下主要功能：具有2路RS422通信接口，以用于連接上位機(jī)進(jìn)行程序的檢測(cè)調(diào)試和數(shù)據(jù)導(dǎo)出。不少于2路的12位高精度的A/D采樣通道。這樣，導(dǎo)引頭的電壓信號(hào)可以通過(guò)外部同步信號(hào)觸發(fā)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)的實(shí)時(shí)采樣，再輸入到計(jì)算中來(lái)檢測(cè)彈體當(dāng)前的滾轉(zhuǎn)角和偏航角?？煽啃愿?，斷電時(shí)能夠保持各種飛行器上的數(shù)據(jù)。具有多個(gè)可擴(kuò)展的I/O口，可以通過(guò)軟件設(shè)定I/O口。以便輸出控制信號(hào)進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、啟動(dòng)導(dǎo)引頭等，同時(shí)能夠接收外部輸入的反饋信號(hào)。具有精確的“看門狗”、定時(shí)器、以及可靠的電源監(jiān)視功能。

電源管理電路設(shè)計(jì)時(shí)采用了德州儀器為DSP芯片應(yīng)用系統(tǒng)配套的電源轉(zhuǎn)換芯片TPS73HD318。該芯片可同時(shí)直接把5 V電壓分為兩路轉(zhuǎn)換成1.8 V和3.3 V，這樣不僅減小了器件的面積和體積，還提高了轉(zhuǎn)換效率，降低了系統(tǒng)功耗。

由于飛行器中為計(jì)算機(jī)供電的鋰電池的供電時(shí)間持續(xù)約為1 h，因此在測(cè)試實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須設(shè)計(jì)非易失性存儲(chǔ)設(shè)備。另外，由于彈上的Flash芯片在進(jìn)行擦寫(xiě)時(shí)必須對(duì)塊進(jìn)行擦除，這導(dǎo)致擦除過(guò)程會(huì)出現(xiàn)幾十毫秒的延遲，因此本文增加了一片Xicor公司的X25323芯片，該E2PROM擁有32 K空間，具有塊閉鎖保護(hù)和低電平檢測(cè)功能，SPI接口操作，寫(xiě)周期為5 ms。

由于一般情況下臥式晶振在高過(guò)載情況下比立式晶振的抗過(guò)載能力要高得多，所以本文的晶振電路采用30 MHz的四角臥式外部有源晶振。TMS320F2812芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)了一個(gè)可以進(jìn)行10倍倍頻的PLL鎖存器，所以本文把DSP芯片直接與30 MHz晶振連接。通過(guò)內(nèi)部10倍頻后再2分頻得到150MHz的脈沖信號(hào)，而TMS320F2812能支持的最高工作時(shí)鐘就是150 MHz。

2中央處理器及軟件功能設(shè)計(jì)

中央處理單元主要完成各種應(yīng)用程序的執(zhí)行、運(yùn)行各種控制算法、輸出各類控制信號(hào)并和外部設(shè)備進(jìn)行通信等功能，為飛行器飛行控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的核心。本文采用了德州儀器公司的TMS320系統(tǒng)的DSP TMS320F2812作為其核心芯片。

TMS320F2812是業(yè)界首批32位的控制專用的數(shù)字信號(hào)處理器，內(nèi)含閃存，處理性能高達(dá)150MIPS，專門為光學(xué)網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)化控及制工業(yè)自動(dòng)化等應(yīng)用而設(shè)計(jì)。在TMS320C2000系列DSP中，尤其是最近推出的C28x系列高精度DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)，其內(nèi)核的綜合性能在數(shù)字控制應(yīng)用方面是非常不錯(cuò)的。C28x的內(nèi)核提供多達(dá)150MIPS的處理和計(jì)算性能，即使面對(duì)復(fù)雜的控制算法也能夠?qū)崟r(shí)地處理，如功率因數(shù)校正等算法、隨機(jī)PWM的生成、高速傳感器控制等。同時(shí)C28x的程序代碼效率也是非常高的，其程序代碼與目前所有的C2000DSP的程序代碼兼容，方便了程序的移植，利用產(chǎn)品升級(jí)更新。本文設(shè)計(jì)了飛控計(jì)算機(jī)的軟件功能，軟件處理的流程如圖2所示。

3系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

本文TMS320F2812上的標(biāo)準(zhǔn)IEEE1149.1JTAG接口和串口調(diào)試助手進(jìn)行測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)置斷點(diǎn)在線調(diào)試驗(yàn)證了程序的功能。由于A/D采樣時(shí)存在一定的誤差和漂移，必須對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)外部電壓的采樣精度為到±8 MV，在115200的波特率下系統(tǒng)串口通信誤碼率小于0.02%，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)飛行器上飛控計(jì)算機(jī)信息處理的需要，基于TMS320F2812 DSP處理器設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了飛控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。本嵌入式計(jì)算機(jī)平臺(tái)外擴(kuò)器件較少、綜合處理性能比較高，設(shè)計(jì)的飛行器嵌入式計(jì)算機(jī)可靠性高、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、體積小，為同類系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

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