基于DSP芯片TMS320C32PCMA50實(shí)現(xiàn)捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1 引言

捷聯(lián)慣性制導(dǎo)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的慣性制導(dǎo)技術(shù)，由于它是用一個(gè)數(shù)學(xué)平臺(tái)來(lái)代替平臺(tái)式慣性制導(dǎo)系統(tǒng)中的陀螺穩(wěn)定平臺(tái)，因而具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。但正是由于沒(méi)有穩(wěn)定平臺(tái)，其慣性器件的測(cè)量值就不能直接用于導(dǎo)航計(jì)算，而必須先經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)學(xué)變換把其變?yōu)榉蠈?dǎo)航計(jì)算要求的值，這樣捷聯(lián)慣性制導(dǎo)在計(jì)算上十分復(fù)雜，同時(shí)對(duì)計(jì)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(tái)，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(cè)得的值便是沿彈體坐標(biāo)系軸向的測(cè)量值。由于彈體坐標(biāo)系是運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，而導(dǎo)航計(jì)算是以參考坐標(biāo)系（導(dǎo)航坐標(biāo)系）為參照來(lái)確定彈的位置、速度、姿態(tài)等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的。因此，彈體坐標(biāo)系下的測(cè)量值不能直接用于導(dǎo)航計(jì)算，而必須先對(duì)它們進(jìn)行變換，以將其變換到導(dǎo)航坐標(biāo)系，然后再進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算。具體的變換會(huì)因所選的參考坐標(biāo)系的不同而有所不同，其基本過(guò)程如下：

（1）計(jì)算機(jī)根據(jù)陀螺的輸出計(jì)算出姿態(tài)角；

（2）根據(jù)姿態(tài)角參數(shù)，確定用來(lái)進(jìn)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(shí)速度、位置等制導(dǎo)參數(shù)。

圖1所示是一個(gè)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(guò)程需要進(jìn)行大量的矩陣運(yùn)算，而變換后的導(dǎo)航計(jì)算主要是積分運(yùn)算。因此，從計(jì)算方面來(lái)看，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)在計(jì)算上是很復(fù)雜的，沒(méi)有相當(dāng)?shù)?a target="_blank">硬件支持是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。但從其它方面來(lái)看，省掉穩(wěn)定平臺(tái)又使得捷聯(lián)慣性制導(dǎo)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，容易制造，體積小，重量輕，成本低等特點(diǎn)。所以，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)利用數(shù)學(xué)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化，并由此帶來(lái)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(jì)

3．1 DSP技術(shù)介紹

DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）是一種特殊結(jié)構(gòu)的微處理器，該類(lèi)器件原本主要是用來(lái)對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行快速傅立葉變換（FFT）、離散余弦變換（DCT）、卡爾曼濾波等運(yùn)算量極大且要求實(shí)時(shí)計(jì)算的系統(tǒng)進(jìn)行處理的。為達(dá)到快速進(jìn)行數(shù)字信號(hào)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(diǎn)是將程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的存儲(chǔ)空間中，即程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是兩個(gè)互相獨(dú)立的存儲(chǔ)器，每個(gè)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址，獨(dú)立訪問(wèn)。與兩個(gè)存儲(chǔ)器相對(duì)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(shí)間，增強(qiáng)處理器的處理能力；

（3）專(zhuān)用的硬件乘法器：乘法可以在一個(gè)指令周期內(nèi)完成；

（4）特殊的DSP指令：DSP芯片使用專(zhuān)門(mén)用于數(shù)字信號(hào)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(zhuān)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(jì)，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(shí)時(shí)計(jì)算的應(yīng)用。

可以看出，DSP的高速實(shí)時(shí)計(jì)算能力很強(qiáng)。因此，捷聯(lián)慣性制導(dǎo)需要進(jìn)行的大量實(shí)時(shí)計(jì)算非常適合用DSP芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3．2 制導(dǎo)系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

捷聯(lián)慣性制導(dǎo)理論將整個(gè)系統(tǒng)電路按功能分成三大模塊，即計(jì)算機(jī)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、通訊與控制接口模塊。其中計(jì)算機(jī)模塊負(fù)責(zé)全系統(tǒng)所有的計(jì)算和控制工作；數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從慣性器件采集數(shù)據(jù)；通訊與控制接口模塊負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)模塊與系統(tǒng)外其它設(shè)備的通訊工作和對(duì)彈體飛行控制機(jī)構(gòu)的控制工作。三大模塊之間通過(guò)總線進(jìn)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(jì)算機(jī)模塊是全系統(tǒng)的核心，是唯一有計(jì)算能力的部分，系統(tǒng)中所有軟件功能均在此實(shí)現(xiàn)。所以，本模塊設(shè)計(jì)的好壞對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能影響很大，是系統(tǒng)全部電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。下面重點(diǎn)介紹這部分電路的設(shè)計(jì)。

對(duì)于一個(gè)計(jì)算機(jī)電路來(lái)說(shuō)，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(jì)的重點(diǎn)。綜合捷聯(lián)慣性制導(dǎo)的特點(diǎn)和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，選用TI公司的TMS320C32PCMA50（簡(jiǎn)稱(chēng)C32）作處理器。C32是一種32位高性能浮點(diǎn)數(shù)字信號(hào)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(chǔ)器中并被算術(shù)運(yùn)算指令直接引用，從而增強(qiáng)了芯片的靈活性；另外，C32也可以將指令存儲(chǔ)在高速緩沖器Cache中。這樣，當(dāng)執(zhí)行此指令時(shí)，就不需要再?gòu)拇鎯?chǔ)器中讀取指令，從而節(jié)約了一個(gè)指令周期的時(shí)間。C32的運(yùn)算速度高達(dá)60MFLOPS（每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算）和25MIPS（每秒百萬(wàn)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(jì)要求。

系統(tǒng)中的計(jì)算機(jī)模塊電路一般由狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)恢復(fù)和計(jì)算機(jī)電路組成。本模塊電路示意圖見(jiàn)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(duì)其進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的監(jiān)控，以保證其正常運(yùn)行。設(shè)計(jì)時(shí)可通過(guò)狀態(tài)監(jiān)控電路來(lái)對(duì)C32 DSP和電源進(jìn)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(méi)有歷史信息，其后的導(dǎo)航計(jì)算就沒(méi)什么意義。所以有必要對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的一些重要信息進(jìn)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(dòng)存儲(chǔ)E2PROM對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中的重要數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)備份；第二是使用一個(gè)具有備份電源的實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片來(lái)記錄從上一次導(dǎo)航數(shù)據(jù)保存時(shí)刻到重啟后讀取導(dǎo)航歷史信息之間的時(shí)間長(zhǎng)度。該實(shí)時(shí)時(shí)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(gè)芯片構(gòu)成。

計(jì)算機(jī)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(shí)，由于C32被設(shè)置成了微機(jī)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(chǔ)器。將CPLD作為C32和外圍芯片的接口可實(shí)現(xiàn)很多邏輯電路功能。外圍芯片與C32的連接需要有一個(gè)唯一的I／O地址，因此在CPLD中設(shè)計(jì)的I／O地址分配電路可為每個(gè)外圍芯片分配一個(gè)I／O地址。另外，C32本身的外部中斷源只有四級(jí)（個(gè)），而系統(tǒng)中需要通過(guò)中斷來(lái)執(zhí)行的程序又不止四個(gè)，故采用中斷和查詢相結(jié)合的辦法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。由于同一級(jí)中斷中包括好幾個(gè)中斷源，這樣，在該級(jí)中斷響應(yīng)時(shí)再對(duì)具體的中斷源進(jìn)行查詢即可確定需要具體響應(yīng)哪個(gè)中斷源。因此，在CPLD中設(shè)計(jì)了中斷分配電路。對(duì)于啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)間都很?chē)?yán)格的中斷源來(lái)說(shuō)，可由各種頻率的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)對(duì)其進(jìn)行觸發(fā)。所以，CPLD中還設(shè)計(jì)了時(shí)鐘分頻電路，即用系統(tǒng)的精確時(shí)鐘來(lái)分頻以產(chǎn)生所需的各種頻率時(shí)鐘。

對(duì)于I／O地址分配電路、中斷分配電路和時(shí)鐘分頻電路，如果用標(biāo)準(zhǔn)邏輯器件（74系列或54系列）來(lái)實(shí)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(huì)使電路的規(guī)模擴(kuò)大、復(fù)雜性增加、可靠性下降。因此，這三個(gè)電路可用CPLD（復(fù)雜可編程器件）來(lái)實(shí)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的大量邏輯功能。

3．3 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

導(dǎo)航、制導(dǎo)計(jì)算都屬于實(shí)時(shí)計(jì)算。要實(shí)現(xiàn)這一要求，軟件就必須結(jié)合硬件來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以充分發(fā)揮硬件的功能。本設(shè)計(jì)充分利用了系統(tǒng)的中斷功能，并以中斷為主來(lái)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，以使系統(tǒng)中各個(gè)部分的具體功能都可通過(guò)中斷程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。其系統(tǒng)工作過(guò)程如下：

加電開(kāi)機(jī)→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(kāi)中斷→待機(jī)。

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(guò)調(diào)用子程序來(lái)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(cè)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(chǔ)的狀態(tài)信息來(lái)確定導(dǎo)航計(jì)算的起點(diǎn)。主要狀態(tài)信息有：系統(tǒng)是加電開(kāi)機(jī)還是死機(jī)后重新啟動(dòng)，以及上一次保存數(shù)據(jù)與當(dāng)前的時(shí)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(chǔ)器中保存的導(dǎo)航信息可確定當(dāng)前導(dǎo)航計(jì)算的基準(zhǔn)點(diǎn)。系統(tǒng)主程序流程如圖4所示。

子程序主要用來(lái)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(chǎng)保護(hù)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(shí)在處理完成后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)并向主程序返回?cái)?shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

捷聯(lián)慣性制導(dǎo)是一種很有應(yīng)用價(jià)值的慣性制導(dǎo)方法，隨著計(jì)算機(jī)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(jìn)行創(chuàng)新，而是在技術(shù)上謀求好的實(shí)現(xiàn)方法。實(shí)驗(yàn)證明：用DSP芯片對(duì)慣性器件的信息進(jìn)行處理，并用可編程器件進(jìn)行邏輯電路的實(shí)現(xiàn)，可簡(jiǎn)化系統(tǒng)電路，提高系統(tǒng)的運(yùn)算性能以及可靠性和靈活性。

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