張　飛,徐剛剛 ,張新潮

(中國空空導彈研究院,河南 洛陽　471009)

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基于DSP的彈載導引頭軟件設計與實現(xiàn)

張飛,徐剛剛 ,張新潮

(中國空空導彈研究院,河南 洛陽471009)

為滿足彈載計算機對導引頭軟件的實時性要求和實現(xiàn)紅外導引頭的自主尋的跟蹤功能，基于主從DSP的硬件架構完成了紅外導引頭軟件的設計與實現(xiàn)；其中，ADSP2187N為從DSP，負責接收外部輸入并形成目標識別所需的各類信號；TMS320C6414為主DSP，負責接收ADSP2187N發(fā)送的信號，并完成目標檢測、識別、跟蹤等功能；串行加載軟件完成導引頭軟件的自動加載運行及后續(xù)升級；半實物仿真試驗中，導彈穩(wěn)定跟蹤并命中目標，試驗結果表明導引頭軟件各模塊工作正常，滿足了系統(tǒng)的功能和性能要求。

實時性； 彈載計算機； 導引頭軟件； 數(shù)字信號處理器； 串行加載

0　引言

空空導彈是由飛機攜帶，并從飛機上發(fā)射，攻擊空中目標的導彈[1]。21世紀以來，隨著新材料技術、計算機技術和傳感器技術的深入應用， 作戰(zhàn)飛機的各項性能指標都有了很大的提升。這就對以戰(zhàn)斗機為作戰(zhàn)目標的空空導彈提出了更高的要求，要求導引頭軟件能夠實時地解算出目標的方位信息，并且具備可靠的跟蹤和復雜的抗干擾能力。

通常，導引頭軟件先對接收到的探測信號進行預處理，之后完成信號檢測、目標識別、坐標計算等功能。為滿足戰(zhàn)場環(huán)境對信號處理的實時性要求，本文采用雙DSP的彈載計算機架構設計實現(xiàn)了導引頭軟件，在基于本幀數(shù)據(jù)完成尋的功能的同時，能夠完成下幀數(shù)據(jù)的預處理操作，提高了數(shù)據(jù)處理的并行程度。該彈載計算機的處理器由TMS320C6414(以下簡稱6414，為主DSP)和ADSP2187(以下簡稱2187，為從DSP)組成。ADSP2187是ADI公司的數(shù)字信號處理器，具備豐富的I/O資源和靈活的應用方式[2-3]，在本文中負責接收導引頭的外部輸入并形成目標識別所需的各類信號；TMS320C6414是TI公司的高性能處理器，高速的處理能力以及出色的對外接口能力使其非常適合圖像處理[4]，在本文中負責接收ADSP2187N的輸出信號，并完成目標識別、目標跟蹤、抗干擾和對外輸出等功能。

1　系統(tǒng)架構

導引頭軟件安裝在彈載計算機的固件中，由兩部分組成：串行加載軟件[5]和信息處理軟件。其中，串行加載軟件固化于彈載計算機FLASH中，實現(xiàn)對信息處理軟件目標代碼的串行裝載功能，主要用于彈體封裝之后的導引頭軟件升級；信息處理軟件包括2187DSP軟件和6414DSP軟件兩部分，分別實現(xiàn)信號預處理功能和導引頭尋的功能。系統(tǒng)架構如圖1所示。

圖1　軟硬件系統(tǒng)架構

圖1中，6414為主處理機，2187為從處理機。主處理機通過雙口RAM接口實現(xiàn)與飛控計算機之間的通訊，從處理機通過IDMA接口實現(xiàn)與主處理機的實時通訊。主處理機的PM存儲區(qū)大小為1 MB，從處理機的PM存儲區(qū)大小為256 KB，片外FLASH的大小為2 MB。因為DSP內部存儲器為RAM型存儲器，系統(tǒng)下電后存儲器中的內容消失，所以需要通過上位機的客戶端軟件將生成好的串行加載軟件和信息處理軟件燒寫到FLASH中(實線框表示)，之后通過二次加載的方式將6414軟件和2187軟件分別加載到6414和2187的PM存儲區(qū)中(虛線框表示)。

圖3　導引頭信息處理軟件功能模塊圖

系統(tǒng)首次使用時需要執(zhí)行三次上電過程。第一次上電，燒寫串行加載軟件；第二次上電，利用串行加載軟件燒寫信息處理軟件；第三次上電，信息處理軟件自動加載運行。在此后的使用中，信息處理軟件上電即可運行。若信息處理軟件升級，則仍需要執(zhí)行上述第二次上電動作。三次上電的細節(jié)如下所述：

1)系統(tǒng)上電，通過仿真工具的JTAG接口燒寫串行加載軟件，系統(tǒng)下電；

2)系統(tǒng)再次上電，彈載計算機系統(tǒng)將FLASH存儲器中的串行加載軟件自動裝載到6414 DSP內部PM程序存儲區(qū)中，之后串行加載軟件自動運行；

3)串行加載軟件運行過程中，若檢測到上位機客戶端發(fā)送的握手指令，則將客戶端發(fā)送過來的導引頭軟件燒寫至FLASH。串行加載軟件運行結束，等待系統(tǒng)下電；

4)串行加載軟件運行過程中，若未檢測到上位機客戶端發(fā)送的握手指令，則控制將FLASH中的信息處理軟件裝載到6414 DSP 內部PM程序存儲區(qū)中，然后6414軟件運行并將2187軟件裝載到2187 DSP內部PM程序存儲區(qū)中。2187軟件和6414軟件各自獨立運行，直至系統(tǒng)下電。

2　軟件設計

2.1串行加載軟件

串行加載軟件的功能模塊如圖2所示。

圖2　串行加載軟件功能模塊圖

1)握手指令接收及發(fā)送：接收并判斷McBsp接口傳送過來的數(shù)據(jù)是否為握手指令，若為握手指令則返回給上位機；

2)加載6414代碼：將上位機發(fā)送過來的6414代碼寫入6414程序存儲區(qū)；

3)回讀6414代碼：回讀6414程序存儲區(qū)的代碼并進行校驗；

4)加載2187代碼：將上位機發(fā)送過來的2187代碼寫入2187程序存儲區(qū)；

5)回讀2187代碼：回讀2187程序存儲區(qū)的代碼并進行校驗。

2.2導引頭信息處理軟件

信息處理軟件包括2187DSP軟件和6414DSP軟件，2187DSP軟件負責對前端輸入信號進行預處理，形成6414DSP所需的目標和背景數(shù)據(jù)；6414DSP軟件負責從探測信號中識別出目標信號并計算出跟蹤和制導指令。

信息處理軟件的功能模塊如圖3所示。

2.2.12187DSP軟件設計

2187DSP軟件完成對外部輸入信號的分路轉存和信號預處理工作。

1)A/D數(shù)據(jù)存儲：實現(xiàn)基準信號、離軸角信號、紅外探測信號采樣結果的接收與存儲；

2)基準信號檢測：檢測基準信號上升沿和下降沿位置，計算基準信號頻率；

3)離軸角信號檢測：在一個信息處理周期內檢測離軸角信號峰值，以此表征導引頭光軸偏離彈軸的角度大?。?/p>

4)時間刻度調整：采用線性插值方法將每個信息處理周期的紅外探測信號采樣結果的實際采樣點數(shù)調整為固定點數(shù)，即實現(xiàn)將定時采樣轉換為定點采樣。

2.2.26414DSP軟件設計

6414DSP軟件接收2187DSP傳送過來的基準信號、離軸角信號及探測信號，并在此基礎上實現(xiàn)導引頭的尋的功能。

1)數(shù)據(jù)處理：對預處理輸出的原始數(shù)據(jù)進行讀取、轉存，形成目標檢測所需的數(shù)據(jù)；

2)目標檢測：對處理后的數(shù)據(jù)進行檢測，標記各個信號的相位并計算信號特征；

3)目標識別：包括背景條件下的目標識別和誘餌干擾條件下的目標識別。將檢測得到的信號特征與典型目標特征對比，從中識別出目標；

4)截獲判斷：綜合目標識別結果和截獲判據(jù)進行截獲判別；

5)自動增益控制：根據(jù)中、短波探測信號的能量大小，實現(xiàn)實時的自動增益控制，使輸入的探測信號始終保持線性區(qū)內，以利于目標檢測；

6)指令形成：根據(jù)當前周期目標識別確定的跟蹤對象，計算跟蹤指令；

7)輸入輸出控制：負責接收離梁、電/解鎖指令和對外輸出截獲指令、跟蹤指令、制導指令、彈道封鎖指令等。

3　軟件實現(xiàn)

串行加載軟件和6414DSP軟件開發(fā)環(huán)境均為TMS320C6000 Code Composer Studio 3.1(CCS V3.1)集成開發(fā)平臺，開發(fā)語言為TMS320C6000匯編及ANSI C。

2187DSP軟件開發(fā)環(huán)境為ADSP-218X EZ-ICE 2.0集成開發(fā)平臺，開發(fā)語言為ADSP218x匯編語言和ANSI C。

3.1串行加載實現(xiàn)

串行加載軟件的流程圖如圖4所示。

圖4　串行加載軟件流程圖

1)首先進行系統(tǒng)初始化工作，包括對定時器、McBsp接口、EDMA通道的初始化工作。

2)之后，軟件進入5秒鐘等待循環(huán)：

(1)若等待過程中Mcbsp接口有數(shù)據(jù)傳入，則接收數(shù)據(jù)并存儲在命令碼存儲區(qū)，然后跳出循環(huán)，執(zhí)行3)。

(2)若Mcbsp接口無數(shù)據(jù)傳入，則繼續(xù)等待直到定時器0計時5秒鐘后跳出循環(huán)，并轉入執(zhí)行導引頭信息處理軟件。

3)判斷命令碼是否為執(zhí)行串行加載的握手指令，若為握手指令，則先發(fā)送握手指令給上位機，之后執(zhí)行串行加載及回讀過程；若命令碼不是握手指令，則轉入執(zhí)行導引頭信息處理軟件。

3.26414DSP軟件

串行加載軟件運行過程中，若在約定的時間內未接收到握手指令，那么將轉入執(zhí)行6414DSP軟件。6414DSP軟件的流程圖如圖5所示。

圖5　6414DSP軟件流程圖

1)首先進行系統(tǒng)初始化工作，包括：加載并運行2187DSP軟件；初始設置6414DSP底層硬件寄存器和軟件變量。

2)初始化工作完成之后，2187DSP軟件與6414DSP軟件并行運行。6414軟件無條件進入信號處理主循環(huán)。該主循環(huán)主要完成數(shù)據(jù)處理、信號檢測、目標識別、截獲判斷、自動增益控制、指令形成和輸入輸出控制。

3)6414軟件在數(shù)據(jù)處理模塊中完成與2187軟件的同步，并接收2187預處理的探測信號、基準和離軸角信號。主循環(huán)各個模塊依次執(zhí)行的同時，2187DSP完成下一幀探測信號的預處理工作，主循環(huán)的最大運行時間要小于2187DSP信號預處理的周期時間。

4)系統(tǒng)上電之后，6414DSP軟件與2187DSP軟件始終處于執(zhí)行狀態(tài)，直至導彈命中目標。

3.32187DSP軟件

2187DSP軟件由6414DSP軟件加載并啟動運行。軟件流程圖如圖6所示。

圖6　2187DSP軟件流程圖

1)首先進行系統(tǒng)初始化工作。

2)之后控制實現(xiàn)對基準信號、離軸角信號、探測信號的后臺實時A/D采樣，并轉存采樣數(shù)據(jù)。

3)進行基準信號檢測，并根據(jù)基準信號和離軸角信號數(shù)據(jù)實時計算出導引頭的離軸角幅值和相位信息。

4)最后對采樣得到探測信號完成時間刻度調整，轉換為固定點采樣數(shù)據(jù)。

4　仿真試驗

半實物仿真是在進行仿真時引入部分硬件實物進行軟硬件結合的仿真，能夠克服純數(shù)字仿真中數(shù)學模型不精確的缺點，更加真實地反映系統(tǒng)的實際情況。半實物仿真具有較高的可信度、安全、高效和可重復的特點，彌補了數(shù)字仿真與外場試驗之間的空檔[6]。

為驗證導引頭軟件的功能、性能是否滿足系統(tǒng)要求，利用半實物仿真系統(tǒng)開展了仿真試驗。該仿真系統(tǒng)由飛行模擬轉臺、仿真總控臺、控制艙、海外目標模擬器、仿真計算機、遙測站、供氣臺等組成，示意圖如圖7所示[7]。

圖7　半實物仿真系統(tǒng)

完成導引頭軟件燒寫之后，導引頭與制導組件被封裝成控制艙并置于飛行模擬轉臺，由仿真總控臺控制各子系統(tǒng)進行特定彈道的仿真試驗。圖8為某條彈道結果中的彈目接近距離。

圖8　導彈發(fā)射后彈目相對距離

以遙測站開始記錄的時刻為零點，導彈于0.8 s發(fā)射，從圖中可以看出，發(fā)射時彈目距離為4 km，發(fā)射后，彈目相對距離隨導彈追擊目標遞減，7s時彈目距離為0.99 m，導彈滿足起爆條件，起爆并毀傷目標，該彈道仿真結束。從彈目距離的變化情況可以看出，在導彈發(fā)射過程中，導引頭穩(wěn)定識別和跟蹤目標直至遇靶，導引頭軟件工作正常。

5　結論

本文基于TMS320C6414和ADSP2187N的硬件架構設計實現(xiàn)了彈載導引頭軟件。通過合理的功能模塊劃分，既利用了ADSP2187N豐富的I/O資源，同時又發(fā)揮了TMS320C6414高性能的圖像處理能力，實現(xiàn)了系統(tǒng)上電后導引頭的目標識別及自主跟蹤功能，提高了系統(tǒng)的實時性。此外，本文設計實現(xiàn)的串行加載軟件具備通過串口燒寫DSP軟件的能力，為后續(xù)的導引頭軟件升級提供了方便的途徑。通過半實物仿真試驗驗證了導引頭軟件設計的合理性和有效性并為后續(xù)型號軟件的設計提供了可借鑒的經(jīng)驗。

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Design and Implementation of Missile-Borne Seeker Software Based on DSP

Zhang Fei，Xu Ganggang， Zhang Xinchao

(China Airborne Missile Academy, Luoyang471009，China)

A software based on master-slave DSPs is presented to satisfy the real-time and self-tracking requirements of the seeker. As the slave DSP, ADSP2187N receives external inputs, and forms signal for aim detecting. Based on the signal, the master DSP TMS320C6414 implements aim detecting, identifying and tracking. The serial load program achieves auto-loading of seeker software, and provides way for further software update. In semi-physical simulation, the seeker tracks and hits the target correctly. Results verify the correctness of the software and show the achievements for the requirements of the system.

real-time; missile-borne computer; seeker software; DSP; serial load

2015-06-25；

2015-09-06。

張飛，碩士研究生，工程師，主要從事嵌入式系統(tǒng)設計方向的研究。

1671-4598(2016)01-0149-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.01.041

TP3

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