基于TMS320F2812型DSP實(shí)現(xiàn)飛行控制計(jì)算機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)和仿真

1、引言

從近十年戰(zhàn)爭(zhēng)來(lái)看，精確制導(dǎo)武器的威力和打擊精度不斷提高，且在戰(zhàn)爭(zhēng)中得到愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。各軍事大國(guó)一方面加大力度研發(fā)高精度、摧毀力更強(qiáng)的制導(dǎo)武器。另一方面為現(xiàn)有的非智能彈增裝制導(dǎo)系統(tǒng)來(lái)提高其作戰(zhàn)效能，所以大力發(fā)展制導(dǎo)武器是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的趨勢(shì)。

制導(dǎo)系統(tǒng)由多個(gè)子系統(tǒng)組成，而飛行控制系統(tǒng)是眾多子系統(tǒng)之一，其可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到制導(dǎo)系統(tǒng)能否正常工作。針對(duì)非智能彈增裝制導(dǎo)系統(tǒng)的項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了飛行控制計(jì)算機(jī)，并對(duì)其接口進(jìn)行靜態(tài)仿真。

2、飛行控制計(jì)算機(jī)工作原理

通過(guò)偵察手段或電子地圖，測(cè)量出目標(biāo)點(diǎn)的坐標(biāo)。飛機(jī)上的火控計(jì)算機(jī)根據(jù)目標(biāo)點(diǎn)的信息計(jì)算出可攻擊區(qū)，并計(jì)算出投彈點(diǎn)區(qū)域距離目標(biāo)點(diǎn)之間的彈道簇表，把該彈道簇表下傳至飛行控制計(jì)算機(jī)。

飛機(jī)起飛后，按照預(yù)先設(shè)定的方案飛至投彈區(qū)域，啟動(dòng)彈載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)和GPS組合導(dǎo)航儀進(jìn)行初始化對(duì)準(zhǔn)和標(biāo)定，并輸出開(kāi)關(guān)量，啟動(dòng)熱電池。

投彈后，鉆地彈進(jìn)入自由飛行區(qū)。此時(shí)彈載導(dǎo)航計(jì)算機(jī)根據(jù)慣導(dǎo)系統(tǒng)和GPS信息，實(shí)時(shí)計(jì)算出鉆地彈的位置和姿態(tài)，傳至飛行控制計(jì)算機(jī)。飛機(jī)控制計(jì)算機(jī)根據(jù)自由飛行初始階段的參數(shù)在彈道簇表中選擇一條方案彈道，飛機(jī)控制計(jì)算機(jī)將其與真實(shí)彈道、姿態(tài)進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算出控制律。根據(jù)控制律調(diào)整方向舵，使得炸彈沿方案彈道飛行。圖l給出飛行控制計(jì)算機(jī)的工作原理。

3、飛行控制計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)

飛行控制計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)計(jì)主要包括：外圍接口設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)器、開(kāi)關(guān)量、電源、CPU、D／A轉(zhuǎn)換、A／D轉(zhuǎn)換等部分。因?yàn)閺椵d計(jì)算機(jī)要求具備運(yùn)算速度快，外圍接口豐富，功耗低等特點(diǎn)，而TI公司設(shè)計(jì)的TMS320F2812型DSP廣泛用于系統(tǒng)控制，且能較好地適用于飛行控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)，所以該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用TMS320F2812作為控制計(jì)算機(jī)的CPU。圖2給出彈載控制計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)框圖。

4、飛行控制計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

飛機(jī)控制計(jì)算機(jī)的運(yùn)行程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)。在編寫(xiě)該程序過(guò)程中，應(yīng)充分考慮程序的可靠性。尤其是在編寫(xiě)通信程序時(shí)，采用環(huán)形緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，既可提高硬件存儲(chǔ)器的利用效率，也可提高數(shù)據(jù)快速檢索、糾錯(cuò)的能力。在連接其他設(shè)備的過(guò)程中，飛機(jī)控制計(jì)算機(jī)的程序運(yùn)行比較穩(wěn)定，能夠達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。另外，采用結(jié)合看門狗電路的設(shè)計(jì)、查詢和中斷方式進(jìn)行編程的方法也可以成為提高程序可靠性的重要手段。

主程序中設(shè)置了DSP程序的入口和運(yùn)行框架，在主程序中通過(guò)調(diào)用初始化設(shè)置程序進(jìn)行硬件設(shè)置，通過(guò)判斷串口緩沖區(qū)的狀態(tài)進(jìn)行數(shù)據(jù)解析，通過(guò)查詢狀態(tài)寄存器進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和流程控制。圖3給出飛行控制計(jì)算機(jī)的主程序流程圖。

5 、飛行控制計(jì)算機(jī)接口仿真及設(shè)計(jì)指標(biāo)

飛機(jī)控制計(jì)算機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)完成后，要想調(diào)試飛機(jī)控制計(jì)算機(jī)，必須與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、火控計(jì)算機(jī)、D／A輸出板連接，接收并處理控制計(jì)算機(jī)外圍的設(shè)備數(shù)據(jù)。但在靜態(tài)環(huán)境下，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)無(wú)法輸出彈體高速飛行時(shí)的姿態(tài)信息和位置信息（主要是GPS數(shù)據(jù)）。所以只能設(shè)想編一個(gè)程序，利用數(shù)字仿真的方法實(shí)現(xiàn)電路的調(diào)試及系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)。該程序既要能實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)航計(jì)算機(jī)、火控計(jì)算機(jī)、D／A輸出板和控制計(jì)算機(jī)接口的鏈接功能，又要能給控制計(jì)算機(jī)提供用于仿真的方案彈道和真實(shí)彈道，并且具有良好的人機(jī)界面，使其能夠?qū)崟r(shí)觀測(cè)各點(diǎn)的仿真結(jié)果。

通過(guò)計(jì)算鉆地彈的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并將其保存于一個(gè)dandao．txt的文件可得到方案彈道。實(shí)際彈道是在方案彈道的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)誤差信號(hào)e（k），將其存于彈道txt文件中。所以方案彈道與實(shí)際彈道的差值即是誤差信號(hào)e（k）。該信號(hào)是人為控制的，所以在計(jì)算控制律時(shí)，一個(gè)已知的輸入信號(hào)必然有一個(gè)確定的輸出，這樣選取的目的就是便于檢驗(yàn)計(jì)算控制律的準(zhǔn)確性。

該程序偏重于利用控制計(jì)算機(jī)以外的設(shè)備接口仿真和校驗(yàn)控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)功能，檢驗(yàn)它與系統(tǒng)連接的可靠性。利用仿真計(jì)算機(jī)的兩個(gè)串行口分別仿真火控計(jì)算機(jī)、導(dǎo)航計(jì)算機(jī)與控制計(jì)算機(jī)相連的接口，并按照數(shù)據(jù)協(xié)議給飛機(jī)控制計(jì)算機(jī)傳送彈體飛行時(shí)的仿真數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算控制變量，并實(shí)時(shí)顯示解算結(jié)果。該程序經(jīng)過(guò)編譯，并與控制計(jì)算機(jī)聯(lián)調(diào)，能夠較好地仿真控制計(jì)算機(jī)的外部接口和設(shè)備性能。圖4給出其仿真界面。

經(jīng)過(guò)多次仿真和測(cè)定，系統(tǒng)接口和功能已基本滿足彈載控制計(jì)算機(jī)的技術(shù)要求，且達(dá)到以下性能指標(biāo)：①控制變量精度為0．01°；②單點(diǎn)控制律的輸出時(shí)間小于1 ms；③彈道裝訂的時(shí)間為5 s／1 000點(diǎn)；④彈道裝訂容量為256 000點(diǎn)；⑤功耗小于8 W。

6 、結(jié)語(yǔ)

為了滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的軍事需要，著重研究某航彈控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)原理，并對(duì)系統(tǒng)的電路特性進(jìn)行仿真，使得模擬鉆地航彈的飛行控制原理有了一個(gè)可操控的實(shí)現(xiàn)平臺(tái)。實(shí)踐證明，該設(shè)計(jì)方法具有通用性，且系統(tǒng)工作可靠，能夠有效地仿真彈載計(jì)算機(jī)的功能，并能方便地檢驗(yàn)彈載計(jì)算機(jī)的工作狀態(tài)。

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