基于DSP芯片TMS320C32PCMA50實現(xiàn)捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

捷聯(lián)慣性制導(dǎo)是隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的慣性制導(dǎo)技術(shù)，由于它是用一個數(shù)學(xué)平臺來代替平臺式慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中的陀螺穩(wěn)定平臺，因而具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高等優(yōu)點。但正是由于沒有穩(wěn)定平臺，其慣性器件的測量值就不能直接用于導(dǎo)航計算，而必須先經(jīng)過復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換把其變?yōu)榉蠈?dǎo)航計算要求的值，這樣捷聯(lián)慣性制導(dǎo)在計算上十分復(fù)雜，同時對計算裝置的性能也提出了很高的要求。

2捷聯(lián)慣性制導(dǎo)的工作原理

由于去掉了穩(wěn)定平臺，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)將慣性器件直接固聯(lián)于彈體上。這樣，其慣性器件所測得的值便是沿彈體坐標(biāo)系軸向的測量值。由于彈體坐標(biāo)系是運動坐標(biāo)系，而導(dǎo)航計算是以參考坐標(biāo)系（導(dǎo)航坐標(biāo)系）為參照來確定彈的位置、速度、姿態(tài)等運動參數(shù)的。因此，彈體坐標(biāo)系下的測量值不能直接用于導(dǎo)航計算，而必須先對它們進行變換，以將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，然后再進行導(dǎo)航計算。具體的變換會因所選的參考坐標(biāo)系的不同而有所不同，其基本過程如下：

（1）計算機根據(jù)陀螺的輸出計算出姿態(tài)角；

（2）根據(jù)姿態(tài)角參數(shù)，確定用來進行坐標(biāo)變換的方向余弦矩陣；

（3）把彈體坐標(biāo)系下的加速度用方向余弦矩陣變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系下；

（4）根據(jù)相應(yīng)的力學(xué)編排方程算出彈體的即時速度、位置等制導(dǎo)參數(shù)。

圖1所示是一個捷聯(lián)慣性制導(dǎo)的工作原理示意圖。該系統(tǒng)的坐標(biāo)系變換過程需要進行大量的矩陣運算，而變換后的導(dǎo)航計算主要是積分運算。因此，從計算方面來看，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)在計算上是很復(fù)雜的，沒有相當(dāng)?shù)?a target="_blank">硬件支持是無法實現(xiàn)的。但從其它方面來看，省掉穩(wěn)定平臺又使得捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，容易制造，體積小，重量輕，成本低等特點。所以，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)利用數(shù)學(xué)技術(shù)實現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡化，并由此帶來了工程技術(shù)上的優(yōu)越性。因此，小型戰(zhàn)術(shù)制導(dǎo)武器系統(tǒng)很適合采用這種技術(shù)。

3 捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計

3．1 DSP技術(shù)介紹

DSP（數(shù)字信號處理器）是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，該類器件原本主要是用來對數(shù)字信號進行快速傅立葉變換（FFT）、離散余弦變換（DCT）、卡爾曼濾波等運算量極大且要求實時計算的系統(tǒng)進行處理的。為達到快速進行數(shù)字信號處理的目的，DSP芯片應(yīng)有一些特殊硬件結(jié)構(gòu)，具體表現(xiàn)如下：

（1）哈佛結(jié)構(gòu)：哈佛結(jié)構(gòu)是并行體系結(jié)構(gòu)，主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間中，即程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器是兩個互相獨立的存儲器，每個存儲器獨立編址，獨立訪問。與兩個存儲器相對應(yīng)的是系統(tǒng)中的程序總線和數(shù)據(jù)總線，這兩條總線可使數(shù)據(jù)吞吐量提高一倍。

（2）流水線操作：該操作與哈佛結(jié)構(gòu)相關(guān)，DSP芯片廣泛采用流水線操作方式以減少指令執(zhí)行時間，增強處理器的處理能力；

（3）專用的硬件乘法器：乘法可以在一個指令周期內(nèi)完成；

（4）特殊的DSP指令：DSP芯片使用專門用于數(shù)字信號處理的特殊指令；

（5）快速的指令周期：由于采用哈佛結(jié)構(gòu)、流水線操作、專用的硬件乘法器、特殊的DSP指令再加上集成電路的優(yōu)化設(shè)計，因此，DSP芯片的指令周期可降到20ns以下，而快速的指令周期則可使DSP芯片能夠?qū)崿F(xiàn)很多實時計算的應(yīng)用。

可以看出，DSP的高速實時計算能力很強。因此，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)需要進行的大量實時計算非常適合用DSP芯片來實現(xiàn)。

3．2 制導(dǎo)系統(tǒng)電路設(shè)計

捷聯(lián)慣性制導(dǎo)理論將整個系統(tǒng)電路按功能分成三大模塊，即計算機模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊與控制接口模塊。其中計算機模塊負責(zé)全系統(tǒng)所有的計算和控制工作；數(shù)據(jù)采集模塊負責(zé)從慣性器件采集數(shù)據(jù)；通訊與控制接口模塊負責(zé)計算機模塊與系統(tǒng)外其它設(shè)備的通訊工作和對彈體飛行控制機構(gòu)的控制工作。三大模塊之間通過總線進行互連。其系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。從圖中可以看出，計算機模塊是全系統(tǒng)的核心，是唯一有計算能力的部分，系統(tǒng)中所有軟件功能均在此實現(xiàn)。所以，本模塊設(shè)計的好壞對整個系統(tǒng)的性能影響很大，是系統(tǒng)全部電路設(shè)計的關(guān)鍵。下面重點介紹這部分電路的設(shè)計。

對于一個計算機電路來說，決定其性能的最重要部分當(dāng)然是處理器。所以，本模塊采用什么樣的處理器也就成了這部分電路設(shè)計的重點。綜合捷聯(lián)慣性制導(dǎo)的特點和系統(tǒng)的設(shè)計要求，選用TI公司的TMS320C32PCMA50（簡稱C32）作處理器。C32是一種32位高性能浮點數(shù)字信號處理器（DSP），與一般的DSP芯片相比，C32允許數(shù)據(jù)存放在程序存儲器中并被算術(shù)運算指令直接引用，從而增強了芯片的靈活性；另外，C32也可以將指令存儲在高速緩沖器Cache中。這樣，當(dāng)執(zhí)行此指令時，就不需要再從存儲器中讀取指令，從而節(jié)約了一個指令周期的時間。C32的運算速度高達60MFLOPS（每秒百萬次浮點運算）和25MIPS（每秒百萬次指令）。所以，不論從速度上，還是精度上，C32都完全可以滿足捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計要求。

系統(tǒng)中的計算機模塊電路一般由狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)恢復(fù)和計算機電路組成。本模塊電路示意圖見圖3所示。該模塊是全系統(tǒng)的核心，而C32 DSP更是核心中的核心。因此，有必要對其進行專門的監(jiān)控，以保證其正常運行。設(shè)計時可通過狀態(tài)監(jiān)控電路來對C32 DSP和電源進行監(jiān)控，以防因偶然情況出現(xiàn)死循環(huán)、程序偏離預(yù)定流程而導(dǎo)致系統(tǒng)失效。

慣性制導(dǎo)系統(tǒng)是歷史信息敏感型系統(tǒng)，如果系統(tǒng)因故重啟后沒有歷史信息，其后的導(dǎo)航計算就沒什么意義。所以有必要對系統(tǒng)運行的一些重要信息進行保存，以便重啟后能迅速接替以前的工作。為此，本系統(tǒng)采用了兩條措施：第一是使用高速自動存儲E2PROM對數(shù)據(jù)存儲器中的重要數(shù)據(jù)進行自動備份；第二是使用一個具有備份電源的實時時鐘芯片來記錄從上一次導(dǎo)航數(shù)據(jù)保存時刻到重啟后讀取導(dǎo)航歷史信息之間的時間長度。該實時時鐘芯片在主電源掉電后能利用備份電源提供幾十秒的電能。系統(tǒng)恢復(fù)電路就由上述兩個芯片構(gòu)成。

計算機電路是本模塊的核心電路，它由C32 DSP、SRAM、FLASHROM和CPLD構(gòu)成。為提高性能，該電路采用32位數(shù)據(jù)總線和24位地址總線。同時，由于C32被設(shè)置成了微機工作模式，因而具有自主引導(dǎo)功能。系統(tǒng)程序固化在FLASHROM中，SRAM則用作數(shù)據(jù)存儲器。將CPLD作為C32和外圍芯片的接口可實現(xiàn)很多邏輯電路功能。外圍芯片與C32的連接需要有一個唯一的I／O地址，因此在CPLD中設(shè)計的I／O地址分配電路可為每個外圍芯片分配一個I／O地址。另外，C32本身的外部中斷源只有四級（個），而系統(tǒng)中需要通過中斷來執(zhí)行的程序又不止四個，故采用中斷和查詢相結(jié)合的辦法來解決這個問題。由于同一級中斷中包括好幾個中斷源，這樣，在該級中斷響應(yīng)時再對具體的中斷源進行查詢即可確定需要具體響應(yīng)哪個中斷源。因此，在CPLD中設(shè)計了中斷分配電路。對于啟動和運行時間都很嚴格的中斷源來說，可由各種頻率的時鐘信號來對其進行觸發(fā)。所以，CPLD中還設(shè)計了時鐘分頻電路，即用系統(tǒng)的精確時鐘來分頻以產(chǎn)生所需的各種頻率時鐘。

對于I／O地址分配電路、中斷分配電路和時鐘分頻電路，如果用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件（74系列或54系列）來實現(xiàn)，將需要很多芯片，這樣一方面將使電路部分的體積和功耗增加；另一方面也會使電路的規(guī)模擴大、復(fù)雜性增加、可靠性下降。因此，這三個電路可用CPLD（復(fù)雜可編程器件）來實現(xiàn)。為了充分利用CPLD 的靈活性，系統(tǒng)中其它的一些邏輯電路也被放到這里。這樣，在一片170mm×170mm的小芯片

中就可實現(xiàn)系統(tǒng)所需的大量邏輯功能。

3．3 系統(tǒng)程序設(shè)計

導(dǎo)航、制導(dǎo)計算都屬于實時計算。要實現(xiàn)這一要求，軟件就必須結(jié)合硬件來進行設(shè)計，以充分發(fā)揮硬件的功能。本設(shè)計充分利用了系統(tǒng)的中斷功能，并以中斷為主來進行程序設(shè)計，以使系統(tǒng)中各個部分的具體功能都可通過中斷程序來實現(xiàn)。其系統(tǒng)工作過程如下：

加電開機→FLASH中的程序調(diào)入內(nèi)存→系統(tǒng)初始化、自檢→導(dǎo)航信息恢復(fù)→安裝中斷程序→打開中斷→待機。

該系統(tǒng)的軟件包括主程序、子程序和各中斷響應(yīng)程序等部分。

其中主程序是系統(tǒng)程序的框架，重要的初始化參數(shù)主要在主程序中定義，主程序通過調(diào)用子程序來完成系統(tǒng)初始化、自檢、導(dǎo)航信息恢復(fù)、系統(tǒng)配置、中斷程序配置等功能。其中，系統(tǒng)自檢程序主要檢測CPU、SRAM以及各接口芯片的工作是否正常。引導(dǎo)程序主要根據(jù)系統(tǒng)硬件中存儲的狀態(tài)信息來確定導(dǎo)航計算的起點。主要狀態(tài)信息有：系統(tǒng)是加電開機還是死機后重新啟動，以及上一次保存數(shù)據(jù)與當(dāng)前的時間間隔等。根據(jù)系統(tǒng)硬件中保存的狀態(tài)信息和非易失存儲器中保存的導(dǎo)航信息可確定當(dāng)前導(dǎo)航計算的基準(zhǔn)點。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

子程序主要用來完成一些特定的功能，包括導(dǎo)航子程序、控制子程序、通訊子程序和卡爾曼濾波子程序等。

中斷程序由硬件中斷觸發(fā)，除完成現(xiàn)場保護和硬件信息處理外，還可根據(jù)需要調(diào)用導(dǎo)航子程序、控制子程序、通訊子程序、狀態(tài)監(jiān)控子程序、卡爾曼濾波程序等，同時在處理完成后恢復(fù)現(xiàn)場并向主程序返回數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

捷聯(lián)慣性制導(dǎo)是一種很有應(yīng)用價值的慣性制導(dǎo)方法，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，該技術(shù)將迅速應(yīng)用于各種戰(zhàn)術(shù)武器中。本文并不企圖在理論上進行創(chuàng)新，而是在技術(shù)上謀求好的實現(xiàn)方法。實驗證明：用DSP芯片對慣性器件的信息進行處理，并用可編程器件進行邏輯電路的實現(xiàn)，可簡化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的運算性能以及可靠性和靈活性。

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