王天宇，張曉明，2，關(guān) 洋，呂憶玲

(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防科技重點實驗室，山西 太原030051;2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

0 引 言

近年來，常規(guī)彈藥制導(dǎo)化是國內(nèi)外軍事制導(dǎo)領(lǐng)域的研究熱點之一。常規(guī)彈藥制導(dǎo)的關(guān)鍵是導(dǎo)航信息的獲取。傳統(tǒng)的常規(guī)彈制導(dǎo)需要獲取多路導(dǎo)航傳感信息，如3 路磁傳感器信息、3 路加速度計信息、3 路陀螺信息。常規(guī)彈的高動態(tài)特性又決定其需要對獲取的導(dǎo)航傳感信息進行快速、實時的采集、解算、通信［1］。如何使常規(guī)彈在高動態(tài)的情況下進行傳感信息的實時處理成為一個十分重要的問題。傳統(tǒng)的傳感信息處理方法是通過CPU 指令實現(xiàn)信息的采集、解算和通信。其優(yōu)點在于應(yīng)用程序采用單線程方式，邏輯簡單、易于編程，不足之處在于單線程方式的信息處理速度較慢，無法滿足常規(guī)彈制導(dǎo)對傳感信息處理的實時性要求。

本文針對常規(guī)彈制導(dǎo)對傳感信息處理的實時性要求，提出利用直接存儲器訪問(direct memory access，DMA)與傳統(tǒng)信息處理方法相結(jié)合的方式進行傳感信息的快速采集、解算及通信。該方案結(jié)合CPU 與DMA 的優(yōu)勢，利用其相互獨立的特性，使它們同時進行各自擅長的工作，形成雙線程，提高傳感信息采集、解算和輸出的速度。

1 信息處理技術(shù)要求與硬件設(shè)計

在常規(guī)彈制導(dǎo)中，由于其具有高動態(tài)特性，傳感信息處理的實時性成為導(dǎo)航控制的關(guān)鍵。要滿足常規(guī)彈導(dǎo)航控制中的實時性，就要使傳感信息采集、解算和輸出的速度達到其時間要求。

當(dāng)前，常規(guī)彈制導(dǎo)需求的傳感信息包括磁傳感器、加速度計以及陀螺儀信息等。常規(guī)彈制導(dǎo)不僅需要多路傳感信息，其傳感信息的處理速率也需要保持在2 kHz 以上，即對信息進行一次采集、解算和通信的時間為500 μs 以內(nèi)。若使用傳統(tǒng)的信息處理方式并利用串行通信接口進行通信，波特率設(shè)定為115 200 bps，即每傳輸一個字節(jié)就需要78 μs。在假定只需要進行數(shù)據(jù)輸出的情況下，傳感信息處理系統(tǒng)在500 μs 之內(nèi)也只能輸出6 個字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么，再加上信息的采集和解算的時間，就使傳統(tǒng)的信息處理方式無法滿足常規(guī)彈制導(dǎo)的實時性要求。因此，在常規(guī)彈制導(dǎo)中采取DMA 與傳統(tǒng)信息處理方法相結(jié)合的方式進行傳感信息的處理很有必要。

此外，常規(guī)彈具有小巧化、輕型化的特點。因此，常規(guī)彈制導(dǎo)不僅對傳感信息處理的實時性有較高要求，其硬件電路也必須符合小型化、輕型化、低功耗的要求［2］。

針對常規(guī)彈制導(dǎo)對傳感信息處理的實時性要求以及其小型化、輕型化的特點，采用STM32F405 作為傳感信息采集和計算的主控芯片，并利用RS—422 串行通信接口對處理后的數(shù)據(jù)進行輸出。硬件設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 硬件設(shè)計圖Fig 1 Hardware design

STM32F405 的特點如下:工作頻率高達168 MHz，支持浮點運算，片內(nèi)集成了兩個DMA 控制器、192kB+4kB 的SRAM、3 個12 位的ADC 以及12 個16 位的定時器，大容量SRAM 有利于大數(shù)據(jù)量的解算工作。片內(nèi)集成的DMA，ADC 減少了硬件電路芯片的數(shù)量并且降低了系統(tǒng)的功耗［3］。此外，STM32F405 芯片大小為10 mm×10 mm，具有體積小、重量輕、功耗低等特點，適合于常規(guī)彈制導(dǎo)中傳感信息處理系統(tǒng)的設(shè)計。

2 傳感信息處理的工作原理

傳感信息處理分為信息采集、數(shù)據(jù)解算和數(shù)據(jù)輸出。傳統(tǒng)的傳感信息處理方式是通過CPU 指令實現(xiàn)的，CPU 全程參與到信號采集、解算和輸出的每個過程中。DMA 方式的信號處理是利用CPU 與DMA 相互獨立的特性，使它們同時進行不同的工作，形成“雙線程”，提高傳感信息采集、解算和輸出的速度。

2.1 傳統(tǒng)的傳感信息處理方式

傳統(tǒng)的傳感信息處理方式利用CPU 指令實現(xiàn)傳感信息的采集、解算和通信。傳統(tǒng)方式信息處理工作順序流程圖如圖2 所示。

圖2 傳統(tǒng)方式工作順序流程圖Fig 2 Workflow in traditional way

單次傳感信息處理工作原理:ADC 每隔一定時間觸發(fā)A/D 轉(zhuǎn)換，將傳感信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，每次轉(zhuǎn)換后的數(shù)值被保存在ADC_DR(ADC 的數(shù)據(jù)寄存器)中。寄存器中的數(shù)值需要轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中，才能用來計算。首先CPU 需要等待ADC 轉(zhuǎn)換完成后，將ADC_DR 中的數(shù)值讀取到內(nèi)存中。然后CPU 開始對內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行相關(guān)運算，并在處理完當(dāng)前的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至串口的USART_DR(串口的數(shù)據(jù)寄存器)。最后，CPU 等待串口將USART_DR 中的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，再進行下一次的傳感信息處理工作，重復(fù)上述步驟。

通過上述的工作原理可以看出，傳統(tǒng)的傳感信息處理方式是一個單線程、順序的過程，并且整個過程中都需要CPU 指令的控制。CPU 不但需要按順序進行各種工作，還要受限于其他模塊的工作速度。此外，常規(guī)彈制導(dǎo)中傳感信息的解算過程需要進行大量的三角、浮點等復(fù)雜的運算，會占用大量時間。這樣的單線程、順序的工作模式使傳感信息處理的速度受限，無法滿足實時性要求。

2.2 DMA 方式的傳感信息處理

DMA 用于外設(shè)與存儲器之間和存儲器與存儲器之間提供高速數(shù)據(jù)傳輸。DMA 與CPU 是相互獨立的，數(shù)據(jù)可以在沒有任何CPU 干預(yù)的情況下通過DMA 完成快速傳輸。這樣，CPU 可以在DMA 轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)的過程中，同時進行數(shù)據(jù)運算、響應(yīng)中斷、數(shù)據(jù)輸出，大大提高工作效率［4］。

采取DMA 方式與采取傳統(tǒng)信息處理方式的不同之處在于將數(shù)值從外設(shè)寄存器轉(zhuǎn)移至內(nèi)存的過程。DMA 方式信息處理工作順序流程圖如圖3 所示。

DMA 方式中，數(shù)據(jù)在外設(shè)寄存器和內(nèi)存之間的傳輸是通過DMA 控制器進行控制的，這樣CPU 節(jié)省的寶貴資源可以進行其他重要工作。

圖3 DMA 方式工作順序流程圖Fig 3 Workflow in DMA mode

單次傳感信息處理工作原理:首先，DMA1 控制器等待ADC，在ADC 完成后，DMA1 直接將ADC_DR 中的數(shù)據(jù)經(jīng)由DMA 通道存放到內(nèi)存中。之后CPU 對內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行運算，而DMA1 則重新等待ADC 完成并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。CPU 將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)處理完畢后，DMA2 控制器將內(nèi)存中的數(shù)據(jù)經(jīng)由另一條DMA 通道轉(zhuǎn)移至USART_DR 中。之后DMA2 等待串口將USART_DR 中的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，重新進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的工作，將解算完畢的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至USART_DR 中［5］。

通過上述工作原理可以看出，DMA 方式的信息處理在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中無需CPU 參與，CPU 資源可以最大程度的用于數(shù)據(jù)解算和響應(yīng)中斷，尤其是在多路信號采集時，DMA 方式的優(yōu)勢更加突出。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用ARM 公司推出的開發(fā)環(huán)境Keil 4 作為開發(fā)平臺，并使用ST 公司推出的開發(fā)庫。應(yīng)用程序分為三個部分，分別為主程序、信號采集及處理程序和串行通信程序。主程序主要負(fù)責(zé)對系統(tǒng)時鐘、GPIO、中斷配置、定時器、ADC 和RS－422 通信模塊進行初始化［6］。

信號采集和處理程序?qū)⒉杉降亩嗦纺M信號利用ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并將數(shù)字信號轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中。此部分程序分為兩個模式:一個是由CPU 控制將數(shù)據(jù)從寄存器轉(zhuǎn)移到內(nèi)存，另一個是由DMA 控制將數(shù)據(jù)從寄存器轉(zhuǎn)移到內(nèi)存。

3.1 CPU 控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移

在CPU 控制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移過程中，首先定時器每500μs觸發(fā)一次ADC，ADC 后的數(shù)值會存儲在ADC_DR 中;然后由CPU 將ADC_DR 中的數(shù)值轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中，CPU 再對內(nèi)存中的數(shù)值進行解算;解算之后的數(shù)據(jù)經(jīng)過CPU 轉(zhuǎn)移到USART_DR 中。CPU 等待串口傳輸完成后，重復(fù)上述步驟。系統(tǒng)的流程圖如圖4 所示。

3.2 DMA 控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移

在DMA 控制的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移過程中，首先定時器2 每500μs 觸發(fā)一次ADC，ADC 后的數(shù)值存儲在ADC_DR 中。然后由DMA1 控制器將ADC_DR 的數(shù)值轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中，再由CPU 對內(nèi)存中的數(shù)據(jù)進行解算，同時，DMA1 重新等待ADC 完成并進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移。DMA2 控制器將解算后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到USART_DR 中。在DMA2 工作的同時，CPU 開始解算DMA1 第二次轉(zhuǎn)移到內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。此流程通過CPU和DMA 的各自獨立的工作，形成多線程，從而實現(xiàn)快速的信號采集和處理。采集系統(tǒng)的流程圖如圖5 所示。

圖4 CPU 方式信號處理流程圖Fig 4 Flow chart of signal processing in CPU mode

圖5 DMA 方式的信號處理流程圖Fig 5 Flow chart of signal processing in DMA mode

4 實驗結(jié)果

本實驗進行了實物焊接與軟件編程。實物圖如圖6 所示。

圖6 實物圖Fig 6 Physical map

實驗方案:在傳感信息采集、解算、通信的同時，加入程序控制，使指定IO 口的電平在每個信息處理周期的開始時由低變高，在結(jié)束時由高變低，然后通過示波器查看此管腳輸出波形，即可查看傳感信息處理的周期和頻率。

首先采用CPU 方式進行實驗，實驗過程中利用示波器查看信號采集、解算、通信的速率，實驗結(jié)果如圖7 所示。

由圖7 可以看出:信號采集、解算、通信的周期為1 500 μs，頻率為666.7 Hz。

圖7 CPU 方式的傳感信息處理周期Fig 7 Processing cycles of sensing Information in CPU mode

然后采用DMA 方式進行實驗，利用示波器查看信號采集、解算、通信的速率，實驗結(jié)果如圖8 所示。

圖8 DMA 方式的傳感信息處理周期Fig 8 Processing cycles of sensing Information in DMA mode

由圖8 可以看出:信號采集、解算、通信的周期為500 μs，頻率為2 kHz。

對比圖7 和圖8 可以看出，DMA 方式的處理速度是CPU 方式的3 倍。DMA 方式的信號處理成功達到了2 kHz的更新率，而CPU方式僅為666.7Hz，未能達到常規(guī)彈導(dǎo)航所需的2 kHz 更新率。說明DMA 方式能夠滿足常規(guī)彈導(dǎo)航信息的采集、解算及通信的實時性要求。

5 結(jié) 論

本文提出利用DMA 與傳統(tǒng)信息處理方式相結(jié)合的方法實現(xiàn)常規(guī)規(guī)律多路傳感信息的實時處理。分析了傳感信息處理的技術(shù)要求，設(shè)計了硬件電路與系統(tǒng)軟件，并進行了設(shè)計實驗驗證。實驗結(jié)果表明:與傳統(tǒng)方式相比，DMA 方式的信息采集、解算、通信，其速度提高了3 倍，實現(xiàn)了常規(guī)彈導(dǎo)航信息處理的實時性要求。

［1］ 李永慧.基于磁阻傳感器的常規(guī)彈姿態(tài)測量技術(shù)研究［D］.太原:中北大學(xué)，2012.

［2］ 尚建宇，張曉明，黃建林，等.常規(guī)彈藥轉(zhuǎn)速測量方法仿真研究［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2012，32(4):99－102，108.

［3］ 郝 雯，沈金鑫，梅 成.基于STM32 單片機的存儲式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子設(shè)計工程，2013，21(17):80－82.

［4］ 劉火良，楊 森.STM32 庫開發(fā)實戰(zhàn)指南［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2014.

［5］ 孫景龍，王業(yè)成，陳 銳.STM32F4xx 利用DMA 實現(xiàn)異步多串口高速通信設(shè)計［J］.黑龍江科技信息，2013(27):36.

［6］ 張 旭，亓學(xué)廣，李世光.基于STM32 電力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.電子測量技術(shù)，2010，33(11):90－93.