胡 博,李 毅,邢廣義,張 拓,王 蕊
(中國航天科技集團(tuán)公司 第四研究院第四十一研究所,西安 710025)
基于DSP+FPGA的新型彈載計算機(jī)設(shè)計與實現(xiàn)
胡 博,李 毅,邢廣義,張 拓,王 蕊
(中國航天科技集團(tuán)公司 第四研究院第四十一研究所,西安 710025)
以某型號導(dǎo)彈飛行試驗為研制背景,設(shè)計出一款精度高、通用性強(qiáng)的新型彈載計算機(jī)。該彈載計算機(jī)以高性能DSP和FPGA為系統(tǒng)框架,通過其豐富的外圍接口和強(qiáng)大的處理能力,結(jié)合AD5764轉(zhuǎn)換模塊、MAX3490通信模塊、ADUM1401四通道數(shù)字隔離器和ULN2801達(dá)林頓管驅(qū)動器組成的離散量輸出等模塊,解決了彈載計算機(jī)與彈上飛控部件之間復(fù)雜的并行數(shù)據(jù)處理以及多種控制算法實時解算問題,具有體積小、重量輕、精度高、實時性好等特點;經(jīng)過多次飛行試驗表明,該彈載計算機(jī)具有較高的可靠性和穩(wěn)定性,應(yīng)用前景非常廣泛。
彈載計算機(jī); DSP; FPGA
精度高、體積小的精確制導(dǎo)武器已經(jīng)逐漸成為當(dāng)今世界戰(zhàn)爭中取得主動權(quán)的重要武器,作為精確制導(dǎo)導(dǎo)彈核心部件之一的彈載計算機(jī),其性能將直接決定導(dǎo)彈的穩(wěn)定性和精確度。彈載計算機(jī)不僅需要對彈體的位置和姿態(tài)進(jìn)行控制,還需要和各個分系統(tǒng)進(jìn)行實時通訊,保證控制系統(tǒng)的控制精度和實時性。目前由于數(shù)字信號處理器(DSP)和可編程邏輯門陣列(FPGA)芯片的快速發(fā)展,以這兩個芯片為核心的彈載計算機(jī)是現(xiàn)在計算機(jī)研究的主流方向和發(fā)展趨勢[1]。
本文設(shè)計一種基于高性能DSP和FPGA為框架的彈載計算機(jī),解決了彈載計算機(jī)與彈上其他設(shè)備之間復(fù)雜的并行處理以及多種控制算法實時解算問題,該計算機(jī)已參與多次導(dǎo)彈閉環(huán)飛行試驗,試驗結(jié)果表明,該彈載計算機(jī)具有控制精度高、可靠性高、實時性好等優(yōu)點。
彈載計算機(jī)內(nèi)部主要由DSP和FPGA來實現(xiàn)控制算法以及與各部件之間的通信,并通過串口通信模塊實現(xiàn)對各個部件的控制,彈載計算機(jī)系統(tǒng)組成及與各部件之間的連接示意圖如圖1所示。DSP核心處理模塊主要包括DSP、FLASH、SDRAM, FPGA接口模塊主要包括多路帶FIFO的串行接口、I/O接口以及其它外圍電路。彈載計算機(jī)系統(tǒng)核心模塊DSP和FPGA功能如下:
1)DSP核心處理器模塊主要功能:完成控制算法的解算;根據(jù)飛行時序的要求,實時輸出時序控制指令。
2)FPGA核心處理器模塊主要功能:通過D/A轉(zhuǎn)換模塊,將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)給舵機(jī),控制導(dǎo)彈的姿態(tài);通過離散量輸出模塊,對多路點火信號進(jìn)行準(zhǔn)確的控制;通過串行通訊模塊,實現(xiàn)彈載計算機(jī)與其他部件之間的通信,完成與各部件之間的收發(fā)功能。
圖1 彈載計算機(jī)系統(tǒng)組成及與各部件連接示意圖
數(shù)字信號處理器(DSP)具有哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、高速硬件乘法器等特點,因此非常適用于高速采集、實時信號處理以及實時控制系統(tǒng)。目前國內(nèi)主流的彈載計算機(jī)常用的芯片是C3X和C2000系列DSP[2],但由于現(xiàn)在導(dǎo)彈技術(shù)不斷地升級,對彈載計算機(jī)的精度要求不斷提升,再綜合考慮到控制性能要求、處理速度、硬件資源等要求,我們選用TI公司更高一級的DSP芯片,C6000系列TMS320C6713B型DSP[3]。
TMS320C6713B是一款32位高性能浮點型DSP,最高主頻可以達(dá)到300 MHz,內(nèi)置256 KB存儲器,具有16通道EDMA協(xié)處理器,EMIF總線接口,2個McBSP,支持4路外部中斷,還具有BOOT、ENDIAN、HPI等功能配置模式。豐富的內(nèi)部和外部資源可以很好的提高控制算法的精確度和速度[4]。
FPGA芯片選用Microsemi公司新型的SmartFusion2[5],該款芯片是一款獨特的Flash架構(gòu)FPGA,這種架構(gòu)使該款芯片具有無與倫比的安全性、可靠性和低功耗,非常適合用于軍事、航天、航空等領(lǐng)域。SmartFusion2這款高性能FPGA,具有從5k到120k LUT(look-up table)的密度范圍;多達(dá)181個400MHz雙端口SRAM;多達(dá)185個三端口SRAM以及多達(dá)185個快速乘法單元,能很好的滿足彈載計算機(jī)所需要的通信并行處理需求。
彈載計算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示,除主處理器外還包括EMIF總線模塊、D/A輸出模塊、串行通信模塊、離散量輸出模塊、電源模塊、外部存儲器模塊等。
3.1 EMIF總線模塊
本系統(tǒng)設(shè)計的外部存儲器主要由SDRAM和FLASH組成,通過DSP的EMIF總線實現(xiàn)對兩者的管理[6]。
本設(shè)計SDRAM數(shù)據(jù)存儲器選用Micron公司生產(chǎn)的MT48LC4M32B2。SDRAM設(shè)計在DSP的EMIF接口的CE0空間,地址范圍為0x8000 0000~0x80FF FFFF(SDRAM容量為16Mbyte),SDRAM與DSP的EMIF總線接口連接如圖2所示,外部時鐘信號經(jīng)ECLKIN輸入后經(jīng)過鎖相環(huán)電路PLL會產(chǎn)生EMIF接口的時鐘信號ECLKOUT,供SDRAM使用。
圖2 SDRAM與DSP的EMIF總線連接示意圖
3.2 D/A輸出模塊
制導(dǎo)系統(tǒng)對導(dǎo)彈方向的精確控制是通過控制舵機(jī)的偏轉(zhuǎn)角度實現(xiàn)的,因此彈載計算機(jī)需要實時的將控制指令發(fā)送給舵機(jī),但是由于彈載計算機(jī)輸出的控制指令為數(shù)字信號,而舵機(jī)控制采用的是模擬信號,因此必須采用D/A轉(zhuǎn)換芯片來實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。
根據(jù)系統(tǒng)實際需要,本系統(tǒng)選用AD公司的AD5764芯片,該芯片為完整的4通道、16位、雙極性輸出型DAC,采用±11.4±16.5 V電源供電,標(biāo)稱滿量程輸出范圍為±10 V,采用的是串行的SPI接口,芯片內(nèi)部共集成了4路獨立的D/A轉(zhuǎn)換電路,對應(yīng)著4路模擬量輸出,內(nèi)置輸出放大器。5 V基準(zhǔn)源由REF50提供。D/A原理如圖3所示。
圖3 D/A輸出原理圖
3.3 串行通訊接口設(shè)計
彈載計算機(jī)系統(tǒng)在工作時需要和各個部件實時的進(jìn)行通信。與發(fā)控裝置通信完成對導(dǎo)彈的實時控制;與慣導(dǎo)裝置通信完成對制導(dǎo)系統(tǒng)的實時解算;與記錄裝置通信完成對解算數(shù)據(jù)的實時記錄;與數(shù)據(jù)鏈通信完成對數(shù)據(jù)的實時傳輸;與導(dǎo)引頭通信完成對目標(biāo)的精確制導(dǎo),因此串行通信接口在彈載計算機(jī)系統(tǒng)中非常的重要。
我們利用TMS320C6713B 的EMIF接口可以方便地連接多種擴(kuò)展器件的特點,將FPGA芯片連接在EMIF接口上完成多串口的擴(kuò)展。本系統(tǒng)所采用的都是RS422串行通信接口,為了滿足設(shè)計的需要,我們選用MAX3490芯片完成RS422的電平轉(zhuǎn)換。MAX3490是一款工作在3.3 V電壓下,傳輸速率可達(dá)到10 Mbps的RS422發(fā)送接收器。串行通信接口電路如圖4所示。
圖4 RS422串行通信接口電路
3.4 離散量輸出模塊設(shè)計
制導(dǎo)導(dǎo)彈中除了大量的電子裝置外,還有必要的火工品裝置,為了能在導(dǎo)彈的飛行過程中對火工品點火時序進(jìn)行準(zhǔn)確的控制,在設(shè)計此款彈載計算機(jī)的時候充分地考慮了點火的需求。
考慮到每路點火信號的安全性和輸出穩(wěn)定性,本設(shè)計選用ADUM1401四通道數(shù)字隔離器和ULN2801達(dá)林頓管驅(qū)動器作為點火信號輸出的主器件,ADUM1401最大的優(yōu)點就是具有簡單的iCoupler數(shù)字接口和穩(wěn)定的性能特征,可消除光耦合器通常具有的電流傳輸不確定性、非線性傳遞函數(shù)以及溫度和使用壽命影響等問題;ULN2801則非常適用于TTL電平接口和需要較高的電流/電壓要求輸出的電路。因此選用此兩種器件可以有效地將采集到的每一路點火信號進(jìn)行隔離,同時還可以輸出穩(wěn)定的點火脈沖。離散量輸出模塊如圖5所示。
圖5 離散量輸出模塊原理圖
3.5 其他模塊設(shè)計
其他模塊主要包括電源模塊、外部存儲器模塊等。彈載計算機(jī)由外部電源板提供±15 V,以及5 V電壓。板上設(shè)計電源芯片TPS70345,分別為DSP及FPGA供電。外擴(kuò)FLASH主要完成彈載計算機(jī)數(shù)據(jù)的存儲,實現(xiàn)掉電保存功能,芯片采用AMD公司的AM29LV160D,該芯片提供2M*8Bit存儲空間,數(shù)據(jù)訪問時間最快達(dá)到70 ns,F(xiàn)LASH 存儲器設(shè)計在 DSP 的 EMIF 接口的 CE1 空間,地址空間為 0x90000000~0x90FFFFFF,滿足設(shè)計要求。
系統(tǒng)軟件包括DSP軟件及FPGA軟件[7]。FPGA程序主要完成與各個部件的通信,DSP程序主要完成時序控制、控制率的解算。在主程序工作流程中,彈載計算機(jī)以中斷方式10ms接收發(fā)控裝置的指令以及與各個部件之間的通信信息,彈載計算機(jī)工作流程如圖6所示。
圖6 彈載計算機(jī)工作流程圖
該彈載計算機(jī)已經(jīng)經(jīng)過多次試驗驗證,舵機(jī)舵1的指令與反饋曲線如圖7所示,可以看出彈載計算機(jī)輸出的舵機(jī)指令和舵機(jī)自身的反饋基本吻合,舵指令解算誤差小于5 mV,滿足導(dǎo)彈控制系統(tǒng)控制精度要求。慣導(dǎo)裝置和記錄裝置接收數(shù)據(jù)結(jié)果如圖8、圖9所示,可以看出彈載計算機(jī)與慣導(dǎo)裝置和記錄裝置之間的通信完全正常。
圖7 舵機(jī)舵1指令與舵反饋曲線
圖8 慣導(dǎo)裝置數(shù)據(jù)接收示意圖
圖9 記錄裝置數(shù)據(jù)接收示意圖
本文采用DSP+FPGA主協(xié)處理器方案設(shè)計了一款工程實用的彈載計算機(jī),該計算機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性強(qiáng)、控制精度高,目前已通過多次飛行試驗考核,試驗結(jié)果表明,彈載計算機(jī)工作正常、性能穩(wěn)定,滿足導(dǎo)彈控制系統(tǒng)設(shè)計要求。
[1] 緱利敏,景德勝,等.基于DSP+FPGA的但在綜合控制計算機(jī)設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子技術(shù),2013(7):43-45.
[2] 劉軍虎,吳學(xué)森.基于DSP的新型彈載控制計算機(jī)[J].炸彈與航天與在技術(shù),2002:25-30.
[3] 李方慧,王 飛,何佩琨.TMS320C6000系列原理與應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.
[4] 三恒星科技.TMS320C6713DSP原理與應(yīng)用實例[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.
[5] SmartFusion2 SoC Family Data Sheet[Z]. 2012.
[6] 孟英杰.基于DSP的彈載計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué),2012.
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Design and Implementation of a New Missile-Borne Computer Based on DSP+FPGA
Hu Bo, Li Yi,Xing Guangyi,Zhang Tuo,Wang Rui
(41st Institute, Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation, Xi’an 710025,China)
Based on the development of a certain type of missile flight test, a new missile-borne computer which has high precision and high universality has been designed. The missile-borne computer with high performance DSP and FPGA as the system framework, through its rich peripheral interface and powerful processing capabilities, combined with the AD5764 conversion module, MAX3490 communication module, the discrete output module with ADUM1401 four channel digital isolator and ULN2801 Darlington tube etc, which solved the problem of the complex parallel date processing between the missile-borne computer and other flight control components, while solved the problem of real-time calculation of a variety of control algorithms, also it has the advantages of small volume, light weight, high precision, good real-time characteristic and so on. The missile-borne computer has passed many flight experiments, the results show that it has high reliability and stability, while the prospect of application is very extensive.
missile-borne computer; DSP; FPGA
2016-11-02;
2016-11-22。
胡 博(1988-),男,西安人,碩士,工程師,主要從事彈載計算機(jī)和彈上軟件方向的設(shè)計和研究。
1671-4598(2017)04-0110-03
10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.031
TP27
A