弹载综合控制计算机（共3篇）
弹载综合控制计算机 篇1
0 引言
精确制导武器是以微电子技术、计算机技术、光电转换技术为核心,以自动控制技术为基础发展起来的高新技术。精确制导武器具有精确打击、远距攻击、防区外对地攻击等作战能力,而这些功能的实现离不开弹载计算机。随着航天技术的不断发展,弹载计算机走向高精度和小型化的道路。这就要求弹载计算机精度高、稳定性好,能够适应复杂的外界环境,同时又要体积小、机动性好。为了满足这种趋势的要求,在设计中引入数字信号处理器(DSP)和现场可编程逻辑门阵列(FPGA)是当今弹载计算机技术研究和发展的一个重要方向。
本文介绍一种基于DSP+FPGA的弹载综合控制计算机(以下简称弹载综控机),主要完成模拟量采集、离散量输入、离散量输出、串行通讯和1553B总线接口等功能,具有处理数据速度快、通讯功能强大和高可靠性等优点。
1 弹载综控机功能结构
弹载综控机与导弹系统中其他组件交联,通过采集模拟信号和离散量信号来保证武器的制导精度以及飞行控制,并将计算结果发送给检测设备(如记录仪、遥测等)。弹载综控机的主要功能包括:1)模拟量采集电路:实现4路模拟量输入接口及信号采集;2)离散量输入电路:12路离散量输入信号经光电隔离后进入FPGA进行采集;3)离散量输出电路:7路离散量输出信号通过光耦后直接输出;4)串行通讯接口电路:实现RS232接口的调试功能,实现RS422接口与外部单元的通信功能;5)1553B总线接口电路:实现1553B接口通讯功能。
弹载综控机主要功能及与其它部件交联图见图1。
2 基本硬件设计
2.1 DSP芯片的选用
DSP的哈佛结构、流水线操作、高速硬件乘法器、特殊指令以及硬件循环控制等特点,为弹载综控机实现复杂的控制算法提供了保障。DSP芯片选用TI公司生产的浮点数字信号处理器TMS320C6713B,标称频率为200MHz,最大处理能力为1800MFLOPS,拥有较丰富的片内资源,包括内置256k B存储器(其中64k可作为二级CACHE使用)、2路Mc BSP)可配置为SPI接口)、2路32位计数器等,并支持4路外部中断,一些功能配置必须由上电时配置管脚的状态决定,包括BOOT模式、ENDIAN模式、HPI管脚功能选择等。
弹载综控机DSP功能框图见图2所示。
2.2 复位电路
弹载综控机的复位电路支持三种复位方式:上电复位、手动复位、电压监控复位。这三种复位方式均由电压调整芯片TPS70345实现,该芯片能同时提供DSP需要的1.2V核心电压及3.3V IO电压。该芯片还支持两路外部复位,上电时至少能提供120ms低电平复位输出,同时还能对电源输出进行监控,当某一路电源输出降至正常电压的83%以下时输出低电平复位信号。
弹载综控机复位电路示意图见图3所示。
2.3 存储器电路
弹载综控机存储器电路包括SDRAM、FLASH和ASRAM。DSP对外部存储器空间的管理是通过EMIF总线机制实现的,该接口具有针对SDRAM和异步存储器的时序配置功能,可以通过操作寄存器配置外部存储器接口、简化电路的设计、实现对FLASH、SDRAM和ASRAM的直接访问。
2.4 FPGA的设计
FPGA芯片采用XILINX公司的XC3S400AN,XC3S400AN共40万门,311个I/O数,该FPGA属于XILINX公司SPARTEN-3AN系列,具有高性能、大容量、低成本的特点。
弹载综控机采用FPGA实现串口通讯协议单元以及控制逻辑,其中控制逻辑包括DSP对1553B总线的控制管理、DSP和1553B总线对ASRAM的访问控制以及DSP对离散量输入、离散量输出的控制。DSP可以通过外部存储器接口(EMIF)总线访问FPGA的内部资源,地址空间占用EMIF总线的CE3,访问方式为异步访问。FPGA的加载模式为主控串行模式。
弹载综控机FPGA功能框图见图4所示。
3 功能实现
3.1 模拟量采集电路
4路模拟量信号经过调理电路后均进入A/D芯片TLV2543进行采集。A/D芯片TL2543在参考电压为3.3V时,输入电压的范围的0~3.3V。模拟量采集信号经过调理电路后,幅值缩小到原信号幅值的1/13.3,0~40V的信号经调理后变为0~3.0075V,AD芯片TLV2543的3.3V参考由REF196提供,通过SPI接口和DSP芯片通讯。
3.2 离散量输入电路
离散量输入信号用电阻进行分压后经过电压比较器FX139GH,通过光电隔离和驱动器74LV244后进入FPGA进行采集,当地址线选择离散量输入寄存器,读信号低时,将寄存器的结果送到数据线上,传给DSP。
3.3 离散量输出电路
离散量输出信号的状态由DSP软件控制,当地址线选择了离散量输出寄存器、写信号低时,DSP将离散量输出向量放到数据线上,存入离散量输出寄存器。根据寄存器的每一位的状态,控制7路离散量输出信号的输出状态,FPGA锁存并输出信号“0”或“1”,经244驱动后使光耦导通或截止,光耦输出控制后端三极管输出离散量输出信号。
3.4 串行通讯接口电路
FPGA内部设计了7路串行协议模块,经外接电路组成RS232和RS422串行接口。集成协议芯片参照ST16C2552进行设计,对其MODEM控制等功能进行了裁减。7路串行接口工作波特率都可设置,RS422最高不超过921.6kbps,RS232最高不超过115.2kbps。
为了满足RS232和RS422串行接口对波特率的要求,选用14.7456M的晶振,选用信号HCPL063L的光耦,该光耦的转换时间为90ns<1.085ms=1/921600,光耦前级的电阻选用180Ω的电阻,可以计算输入电流I约为18m A(I=3.3V/180Ω),可以满足光耦对输入电流的要求。为了增强电路的防静电能力,在RS422输出管脚上设计接口保护电路。
3.5 1553B总线接口电路
1553B芯片外部存储器与DSP共享ASRAM,DSP访问1553B芯片的控制信号,以及DSP和1553B芯片的访问ASRAM控制和仲裁信号都由FPGA产生。1553B协议芯片使用一路单独的12MHz时钟,由DSP模块上一片晶振提供。
4 结束语
弹载计算机要求在小容积上实现大量数据采集与处理功能,本文采用DSP+FPGA为核心架构的处理系统,充分利用了两种处理器的长处。经试验证明,本弹载综控机具有良好的性能,满足弹载计算机对数据处理的要求,具有很高的通用性和扩展性,应用前景十分广阔。
参考文献
[1]张坤.基于DSP+FPGA的组合导航计算机的设计与实现[J].航空计算技术(增刊),2008.
[2]李方慧,王飞,何佩琨.TMS320C6000系列DSP原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2005.
[3]Texas Instrument Inc..TMS320C6713 hardwaredesigner's resource guide[R].2004.
[4]Xilinx Inc..Sparten-3AN FPGAFamily DataSheet[R].2009.
[5]刘军虎,吕级三,吴学森.基于DSP的新型弹载控制计算机[J].导弹与航天运载技术,2002(1):25-30.
弹载综合控制计算机 篇2
以红外图像处理系统为背景,应用协同设计技术对红外制导舱嵌入式系统进行了设计.整个设计过程从图像增强算法开始,直至软件的实现,展示了协调、可靠、高效的设计流程.通过应用基于模型的`软件建模设计技术,使设计人员构建软件模型并仿真其工作过程,为弹载软件设计提供产品建模、模型管理、性能评估,并具有可重用、可扩展的标准化数字化环境,从而确保产品设计的安全性.
作 者：宋志刚 张杰 SONG Zhi-gang ZHANG Jie 作者单位：中国空空导弹研究院,洛阳,471009 刊 名：科学技术与工程 ISTIC英文刊名：SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING 年，卷(期)： 8(13) 分类号：V448.13 关键词：嵌入式系统 软件/硬件协同设计 软件建模技术 软/硬件开发规划
低成本火箭弹弹载计算机的设计 篇3
随着低成本微机电系统(MEMS)惯性器件的发展,全球定位系统(GPS)成本的逐渐降低,低成本高可靠电动舵机的逐渐成熟,为制导化火箭弹降低成本和提高精度提供了基础条件。而弹载计算机是火箭制系统实现导航算法和控制率的核心部件,它需要与制导系统的其它设备进行信号交联或数据传输。弹载计算机电路设计的成本和可靠性对火箭弹实现低成本制导化具有很重要的影响。
1 弹载计算机的功能
弹载计算机是火箭弹实现制导化改造的核心部件,它融合导航和飞控功能,主要负责惯导系统初始对准、误差补偿、导航计算、飞行控制指令的解算、姿态与位置控制的解算、制导率的运算,并给舵机发送执行指令。弹载计算机与其它设备之间的交联关系见图1,弹载计算机的主要功能如下[1]:1)实现对弹上设备的供配电,向惯导、GPS接收机、舵机控制器提供+28V工作电压,载体与热电池供电转电切换过程在弹载计算机内部完成;2)通过CAN总线与发射控制器通讯;3)通过串口与GPS接收机和惯导通讯,接收GPS接收机和惯导的数据完成组合导航;4)输出4路舵机控制指令,控制舵面偏转;5)对舵面位置反馈信号检测;6)具有脉冲输出和检测处理接口,实现点火脉冲检测、热电池激活等功能。
2 硬件设计
2.1 核心处理
弹载计算机在实现组合导航算法时需要在短时间内不断地进行惯导解算、误差补偿、信息融合等大量的计算,同时又要频繁地进行A/D采样、数字滤波、GPS数据采集、与外部系统的通信、时序逻辑控制等工作。TMS320C6713是TI公司, 2008.TMS320C6000系列的芯片,性价比高,其最高主频为300MHz,浮点处理速度可达1800MFLOPS,可以满足速度要求,而其内部高达256k B的RAM可以满足存储导航控制软件代码,免于扩展外部程序RAM[2]。
FPGA可以实现接口控制,对串口数据进行缓存和预处理,使DSP专注于实现导航和控制算法,提高工作效率。FPGA选用Xilinx公司面向大批量、低成本应用的SPARTAN-3AN FPGA,它采用片内闪存的配置方式,片内闪存可以简化PCB设计,免除上电限制的顾虑,提高可靠性,节约成本[3]。
2.2 导航信息输入和处理
弹载计算机与MEMS惯导和GPS接收机通过异步串口连接,将它们发出的导航信息依据某种准则进行数据和信息的融合,然后对惯性导航信息(位置、速度、姿态等)及惯性器件的误差进行重调和校正,再进行制导率结算,通过控制舵面对火箭弹的飞行轨迹进行控制。
为了降低频繁串口数据对DSP程序的影响,需要为串口通信提供较大的FIFO长度。为了提高可靠性,数据帧在通信中应增加包头、包尾,并进行校验。弹载计算机采用FPGA实现串口逻辑,可在资源保证的情况下提供满足高传输效率的FIFO深度,并可进行硬件解包,减少DSP软件解包、频繁中断处理、组包的工作量,提高运算效率。
2.3 舵机控制和反馈
火箭弹舵机伺服系统是典型的位置随动系统,系统根据弹上舵机控制器输出的舵面偏角信号操纵弹体舵面的偏转,依靠弹体飞行过程中舵面偏转产生的空气动力及气动力矩,稳定和控制火箭弹弹体姿态,直至命中目标。
弹载计算机向舵机控制器输出舵面偏转控制信号,电动舵机系统经过功率放大驱动直流伺服电机转动,保证舵面在规定时间内以一定精度给定偏角,同时将舵面偏角反馈信号送至弹载计算机。舵面偏转控制信号和舵面偏角反馈信号的信号特性一般为PWM脉宽可调制的周期信号或-10~+10V范围的模拟量。PWM接口是数字接口,便于实现隔离传输,抗干扰能力强,与PWM信号相比,模拟量信号的处理会在数模转换和模数转换的过程中引入转换误差,而且在信号传输中容易受到干扰,影响控制精度。
弹载计算机PWM控制信号的产生和PWM反馈信号的采集可由FPGA实现。对于PWM信号的产生,DSP只需通过EMIF总线向FPGA传输脉宽量即可,FPGA收到脉宽量数据后启动计数器产生相应脉宽、周期固定的PWM信号。对于PWM信号的采集,FPGA在PWM脉冲的上升沿开始计数,在下降沿结束计数,同时将计数值进行锁存,供DSP读取,单个PWM信号周期内脉冲宽度计数值保持不变[4]。
2.4 发射控制
发射控制器的主要功能是作为火控系统的执行机构,实现火控系统对火箭弹的发射流程控制,同时具有监测火箭弹状态的功能。另外,发射控制器还要把火控计算机的命令和参数发送给火箭弹,同时把火箭弹的反馈信息转发给火控计算机,起到通讯转接的作用。发射控制器是火控系统与多个火箭弹之间互相通信的纽带,发射控制器需要与多个火箭弹之间建立总线网路。
CAN总线是支持分布式控制及实时控制的串行通讯网络。CAN总线网络可以支持发射控制网络的低成本、高可靠实现。火箭弹的弹载计算机只需设计CAN总线协议芯片、光电耦合器和收发器以及必要的辅助电路即可实现CAN总线网络的一个节点,这些元器件成本较低。CAN总线节点的电路设计如图2所示。
弹载计算机CAN总线通讯的数据链路层由PHILIPS公司的SJA1000实现,物理层由PCA82C250实现。两个芯片之间通过光电耦合器进行隔离,可以进一步提高系统的抗干扰能力。
2.5 热电池激活和电压采集
弹载计算机的供电过程可分为发射前的地面电源供电阶段、发射前电池激活后的地面电源和热电池同时供电阶段、发射后的热电池供电阶段。
热电池激活信号为28V大电流脉冲信号,电流范围为5~8A,脉冲宽度为50ms。脉宽控制由FPGA实现,这样可以提高脉宽精度,也可减少软件参与。驱动电流的产生依靠BTS660P大电流功率开关高端驱动器实现,耐压为70V,最大工作电流可达44A,可以满足地面电源过压浪涌、电池激活电流的指标要求。高端驱动器控制简单,输入低压小信号控制大功率信号,占用体积小,可以很好地简化电路。热电池激活驱动电路见图3。
热电池电压监测电路由电压调理电路、A/D转换器、数字电路隔离电路以及辅助电源产生电路构成。电压调理电路将0~33V电压范围调理为A/D转换器可接受的0~3.3V电压范围,此电路采用差动比例放大电路实现。在运算放大器的反馈电阻两端并联陶瓷电容,形成一阶低通滤波器,对模拟量信号进行滤波,这样可在考虑节约成本的同时提高采集精度。A/D转换器采用SPI数字接口的12位分辨率ADC。SPI接口信号数量少,可以大幅减少隔离器件的使用数量。很多DSP都具有Mc BSP接口或SPI接口,Mc BSP接口可以方便地配置为SPI接口,可以很简单地实现与ADC进行互连。这种设计可以在较小增加软件复杂程度的情况下减少元器件使用量,而且可以不会对A/D采集精度带来损失。考虑热电池电压监测的精度要求较低,辅助电源的产生由5V数字电源通过低价格小功率DC/DC转换器获得,经过隔离的5V电源通过LDO电源变换器LM3940转换为运算放大器和ADC所需的3.3V模拟电源,通过参考电源芯片LT1461转为3.3V参考电压提供给ADC。热电池电压采集电路见图4。
图4热电池电压采集电路 (参见右栏)
3 结束语
弹载计算机的设计以DSP作为运算处理核心,以FPGA作为接口处理核心,在外部信号输入输出处理时充分考虑低成本和高可靠设计,可以满足低成本制导控制火箭弹的总体要求。在工程实施中,还要根据不同特性信号的传输路径合理规划模块组成和模块间互联接口,避免数字信号对模拟信号的干扰;考虑电源和信号的滤波方式,以高性价比提高A/D采集精度;采用层叠结构,简化组装方式,减少机箱接线焊接工序,提高生产效率;考虑可测试性设计,合理增加BIT电路。
摘要：低成本制导火箭弹是一种对点目标具有较高命中概率的低成本灵巧弹药,具有较高的作战效费比。弹载计算机是火箭弹制导控制系统的核心,本文从弹载计算机的运算和接口处理要求出发,充分考虑相关电路低成本、高可靠性的实现方法,为火箭弹低成本、制导化的实施提供参考。