左清清 梁爭爭 范秀峰西安航空計算技術研究所

?

低成本火箭彈彈載計算機的設計

左清清 梁爭爭 范秀峰
西安航空計算技術研究所

摘要：低成本制導火箭彈是一種對點目標具有較高命中概率的低成本靈巧彈藥，具有較高的作戰(zhàn)效費比。彈載計算機是火箭彈制導控制系統(tǒng)的核心，本文從彈載計算機的運算和接口處理要求出發(fā)，充分考慮相關電路低成本、高可靠性的實現(xiàn)方法，為火箭彈低成本、制導化的實施提供參考。

關鍵字：低成本 火箭彈 彈載計算機

隨著低成本微機電系統(tǒng)（MEMS ）慣性器件的發(fā)展，全球定位系統(tǒng)（GPS ）成本的逐漸降低，低成本高可靠電動舵機的逐漸成熟，為制導化火箭彈降低成本和提高精度提供了基礎條件。而彈載計算機是火箭制系統(tǒng)實現(xiàn)導航算法和控制率的核心部件，它需要與制導系統(tǒng)的其它設備進行信號交聯(lián)或數(shù)據(jù)傳輸。彈載計算機電路設計的成本和可靠性對火箭彈實現(xiàn)低成本制導化具有很重要的影響。

1　彈載計算機的功能

彈載計算機是火箭彈實現(xiàn)制導化改造的核心部件，它融合導航和飛控功能，主要負責慣導系統(tǒng)初始對準、誤差補償、導航計算、飛行控制指令的解算、姿態(tài)與位置控制的解算、制導率的運算，并給舵機發(fā)送執(zhí)行指令。彈載計算機的主要功能如下：1）實現(xiàn)對彈上設備的供配電，向慣導、GPS 接收機、舵機控制器提供+28V工作電壓，載體與熱電池供電轉電切換過程在彈載計算機內部完成；2）通過CAN總線與發(fā)射控制器通訊；3）通過串口與GPS 接收機和慣導通訊，接收GPS 接收機和慣導的數(shù)據(jù)完成組合導航；4）輸出4路舵機控制指令，控制舵面偏轉；5）對舵面位置反饋信號檢測；6）具有脈沖輸出和檢測處理接口，實現(xiàn)點火脈沖檢測、熱電池激活等功能。

2　硬件設計

2.1 核心處理

彈載計算機在實現(xiàn)組合導航算法時需要在短時間內不斷地進行慣導解算、誤差補償、信息融合等大量的計算，同時又要頻繁地進行A/D 采樣、數(shù)字濾波、GPS 數(shù)據(jù)采集、與外部系統(tǒng)的通信、時序邏輯控制等工作。TMS320C6713是TI 公司，2008. TMS320C6000系列的芯片，性價比高，其最高主頻為300MHz ，浮點處理速度可達1800MFLOPS ，可以滿足速度要求，而其內部高達256kB 的RAM可以滿足存儲導航控制軟件代碼，免于擴展外部程序RAM。FPGA 可以實現(xiàn)接口控制，對串口數(shù)據(jù)進行緩存和預處理，使DSP 專注于實現(xiàn)導航和控制算法，提高工作效率。FPGA 選用Xilinx公司面向大批量、低成本應用的SPARTAN-3AN FPGA，它采用片內閃存的配置方式，片內閃存可以簡化PCB 設計，免除上電限制的顧慮，提高可靠性，節(jié)約成本。

2.2 導航信息輸入和處理

彈載計算機與MEMS 慣導和GPS 接收機通過異步串口連接，將它們發(fā)出的導航信息依據(jù)某種準則進行數(shù)據(jù)和信息的融合，然后對慣性導航信息（位置、速度、姿態(tài)等）及慣性器件的誤差進行重調和校正，再進行制導率結算，通過控制舵面對火箭彈的飛行軌跡進行控制。為了降低頻繁串口數(shù)據(jù)對DSP 程序的影響，需要為串口通信提供較大的FIFO長度。為了提高可靠性，數(shù)據(jù)幀在通信中應增加包頭、包尾，并進行校驗。彈載計算機采用FPGA 實現(xiàn)串口邏輯，可在資源保證的情況下提供滿足高傳輸效率的FIFO深度，并可進行硬件解包，減少DSP 軟件解包、頻繁中斷處理、組包的工作量，提高運算效率。

2.3 舵機控制和反饋

火箭彈舵機伺服系統(tǒng)是典型的位置隨動系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)彈上舵機控制器輸出的舵面偏角信號操縱彈體舵面的偏轉，依靠彈體飛行過程中舵面偏轉產(chǎn)生的空氣動力及氣動力矩，穩(wěn)定和控制火箭彈彈體姿態(tài)，直至命中目標。彈載計算機向舵機控制器輸出舵面偏轉控制信號，電動舵機系統(tǒng)經(jīng)過功率放大驅動直流伺服電機轉動，保證舵面在規(guī)定時間內以一定精度給定偏角，同時將舵面偏角反饋信號送至彈載計算機。舵面偏轉控制信號和舵面偏角反饋信號的信號特性一般為PWM脈寬可調制的周期信號或-10 ～+10V范圍的模擬量。PWM接口是數(shù)字接口，便于實現(xiàn)隔離傳輸，抗干擾能力強，與PWM信號相比，模擬量信號的處理會在數(shù)模轉換和模數(shù)轉換的過程中引入轉換誤差，而且在信號傳輸中容易受到干擾，影響控制精度。彈載計算機PWM控制信號的產(chǎn)生和PWM反饋信號的采集可由FPGA實現(xiàn)。對于PWM信號的產(chǎn)生，DSP 只需通過EMIF總線向FPGA 傳輸脈寬量即可，F(xiàn)PGA收到脈寬量數(shù)據(jù)后啟動計數(shù)器產(chǎn)生相應脈寬、周期固定的PWM信號。對于PWM信號的采集，F(xiàn)PGA 在PWM脈沖的上升沿開始計數(shù)，在下降沿結束計數(shù)，同時將計數(shù)值進行鎖存，供DSP 讀取，單個PWM信號周期內脈沖寬度計數(shù)值保持不變。

2.4 發(fā)射控制

發(fā)射控制器的主要功能是作為火控系統(tǒng)的執(zhí)行機構，實現(xiàn)火控系統(tǒng)對火箭彈的發(fā)射流程控制，同時具有監(jiān)測火箭彈狀態(tài)的功能。另外，發(fā)射控制器還要把火控計算機的命令和參數(shù)發(fā)送給火箭彈，同時把火箭彈的反饋信息轉發(fā)給火控計算機，起到通訊轉接的作用。發(fā)射控制器是火控系統(tǒng)與多個火箭彈之間互相通信的紐帶，發(fā)射控制器需要與多個火箭彈之間建立總線網(wǎng)路。CAN總線是支持分布式控制及實時控制的串行通訊網(wǎng)絡。CAN總線網(wǎng)絡可以支持發(fā)射控制網(wǎng)絡的低成本、高可靠實現(xiàn)?；鸺龔椀膹椵d計算機只需設計CAN總線協(xié)議芯片、光電耦合器和收發(fā)器以及必要的輔助電路即可實現(xiàn)CAN總線網(wǎng)絡的一個節(jié)點，這些元器件成本較低。彈載計算機CAN總線通訊的數(shù)據(jù)鏈路層由PHILIPS 公司的SJA1000 實現(xiàn)，物理層由PCA82C250 實現(xiàn)。兩個芯片之間通過光電耦合器進行隔離，可以進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.5 熱電池激活和電壓采集

彈載計算機的供電過程可分為發(fā)射前的地面電源供電階段、發(fā)射前電池激活后的地面電源和熱電池同時供電階段、發(fā)射后的熱電池供電階段。熱電池激活信號為28V 大電流脈沖信號，電流范圍為5 ～8A，脈沖寬度為50ms。脈寬控制由FPGA實現(xiàn)，這樣可以提高脈寬精度，也可減少軟件參與。驅動電流的產(chǎn)生依靠BTS660P大電流功率開關高端驅動器實現(xiàn)，耐壓為70V ，最大工作電流可達44A ，可以滿足地面電源過壓浪涌、電池激活電流的指標要求。高端驅動器控制簡單，輸入低壓小信號控制大功率信號，占用體積小，可以很好地簡化電路。

熱電池電壓監(jiān)測電路由電壓調理電路、A/D 轉換器、數(shù)字電路隔離電路以及輔助電源產(chǎn)生電路構成。電壓調理電路將0～33V電壓范圍調理為A/D 轉換器可接受的0 ～3.3V 電壓范圍，此電路采用差動比例放大電路實現(xiàn)。在運算放大器的反饋電阻兩端并聯(lián)陶瓷電容，形成一階低通濾波器，對模擬量信號進行濾波，這樣可在考慮節(jié)約成本的同時提高采集精度。A/D 轉換器采用SPI 數(shù)字接口的12位分辨率ADC。S PI 接口信號數(shù)量少，可以大幅減少隔離器件的使用數(shù)量。很多DSP 都具有McBSP接口或SPI接口，McBSP接口可以方便地配置為SPI接口，可以很簡單地實現(xiàn)與ADC進行互連。這種設計可以在較小增加軟件復雜程度的情況下減少元器件使用量，而且可以不會對A/D 采集精度帶來損失。考慮熱電池電壓監(jiān)測的精度要求較低，輔助電源的產(chǎn)生由5V數(shù)字電源通過低價格小功率DC/DC轉換器獲得，經(jīng)過隔離的5V電源通過LDO電源變換器LM3940 轉換為運算放大器和ADC所需的3.3V模擬電源，通過參考電源芯片LT1461轉為3.3V參考電壓提供給ADC。

3　結束語

彈載計算機的設計以DSP 作為運算處理核心，以FPGA 作為接口處理核心，在外部信號輸入輸出處理時充分考慮低成本和高可靠設計，可以滿足低成本制導控制火箭彈的總體要求。在工程實施中，還要根據(jù)不同特性信號的傳輸路徑合理規(guī)劃模塊組成和模塊間互聯(lián)接口，避免數(shù)字信號對模擬信號的干擾；考慮電源和信號的濾波方式，以高性價比提高A/D 采集精度；采用層疊結構，簡化組裝方式，減少機箱接線焊接工序，提高生產(chǎn)效率；考慮可測試性設計，合理增加BIT電路。

參考文獻

［1］梁曉庚，王伯榮，余志峰，等.空空導彈制導與控制系統(tǒng)設計［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2006.

［2］李方慧，王飛，何佩琨.TMS320C6000系列DSP 原理與應用［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［3］Xilinx Inc.. Sparten-3AN FPGA Family DataSheet［R］. 2009.

［4］張坤.基于DSP+FPGA 的組合導航計算機的設計與實現(xiàn)［J］.航空計算技術（增刊）