一種基于FPGA+DSP的通用飛控計算機平臺設計

　　摘要：針對在舵機、導引頭、慣導等彈上設備日益數(shù)字化的趨勢下飛控系統(tǒng)的需求，提出了一種基于DSP+FPGA結構的通用飛控計算機平臺。DSP+FPGA結構能發(fā)揮兩種處理芯片各自的優(yōu)勢，而且具有良好的通用性和擴展性。針對多個外部設備數(shù)據(jù)同步問題，采用2個雙端口RAM交替工作的方法，保證各彈上設備數(shù)據(jù)幀的同步和完整連續(xù)。通過半實物仿真系統(tǒng)的驗證，飛控計算機性能良好，性能滿足設計要求。

　　關鍵詞：DSP+FPGA;數(shù)字式飛控計算機;雙端口RAM;數(shù)據(jù)同步

　　飛控計算機是現(xiàn)代導彈制導與控制系統(tǒng)的核心裝置，其性能的好壞直接關系到精確制導的精度和殺傷目標的概率。近年來舵機、導引頭、慣導等彈載設備日益向著數(shù)字化方向發(fā)展，因此設計一種能兼容多數(shù)字式設備的通用飛控計算機平臺尤為重要。傳統(tǒng)的單處理器核心飛控計算機難以在多通道異步數(shù)據(jù)收發(fā)的同時保證數(shù)據(jù)處理速度，難以滿足現(xiàn)代導彈的要求。本文提出了一種基于DSP+FPGA結構，對外接口為422的通用數(shù)字飛控計算機平臺。此平臺能充分發(fā)揮DSP的運算速度，實現(xiàn)飛控算法。采用基于FPGA的雙RAM緩沖機制，能很好地解決異步串行數(shù)據(jù)實時同步數(shù)據(jù)處理問題，滿足飛控系統(tǒng)需求。

　　1 設計思想和工作原理

　　1.1 設計思想

　　對于單DSP核心的飛控計算機，要收發(fā)多路異步串行數(shù)據(jù)就會占用多路中斷，導致中斷響應不及時造成數(shù)據(jù)丟失。同時多路中斷也會影響到數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。飛控計算機對數(shù)據(jù)的完整性和實時性要求較高，傳統(tǒng)單DSP核心不能滿足彈上多數(shù)字式設備的要求。由于FPGA具有強大的并行處理能力，所以采用增加一片F(xiàn)PGA用于異步串行數(shù)據(jù)的收發(fā)的方法彌補單DSP核心的缺陷。DSP+FPGA的結構能將DSP從繁瑣的外部接口管理中解放出來，充分發(fā)揮DSP的運算優(yōu)勢，提高運算效率的同時易于維護和擴展。

　　1.2 飛控計算機工作原理

　　飛控計算機的一般工作過程如下：飛控計算機上電之后進行自檢，向載機發(fā)出“導彈存在”指令。飛控計算機接收載機的裝訂信息，完成初始對準，并且向載機發(fā)出“允許發(fā)射”指令。當導引頭探測到目標向飛控計算機發(fā)出導引數(shù)據(jù)時，飛控計算機向載機發(fā)出“目標截獲”指令。載機經(jīng)過判斷決策，向飛控計算機給出“發(fā)射”指令。發(fā)射之后，飛控計算機進行飛行時間計時，并開始按照已有的控制率，結合慣導和導引頭輸入進行飛控解算，得出四路舵機控制信號信號，控制導彈運動;并將接收到慣導數(shù)據(jù)、導引頭數(shù)據(jù)、舵控量等內容組成遙測信息，發(fā)送給觀測人員。

　　2 結構和硬件設計

　　根據(jù)飛控計算機工作原理，它具備以下功能：

　　能夠收發(fā)裝訂、慣導、導引頭和遙測等數(shù)據(jù);

　　能夠實現(xiàn)導引率，完成導航數(shù)據(jù)解算功能;

　　能夠控制執(zhí)行機構——舵機。

　　RS422通信協(xié)議具有抗干擾能力強，傳輸距離遠，實現(xiàn)簡單的特點，已經(jīng)被各種數(shù)字設備廣泛采用。本彈載機對外通信接口均采用422通信協(xié)議。根據(jù)飛控計算機的功能可以得出，此系統(tǒng)至少應該包含裝訂、慣導、導引頭、遙測數(shù)據(jù)的收發(fā)和舵機控制5路數(shù)據(jù)通信。由于彈載機工作時收發(fā)“導彈存在”、“目標截獲”、“允許發(fā)射”等開關量，還需要開關量的輸入輸出。故FPGA對外的接口共包括5路RS422和8位DIO通信接口。系統(tǒng)結構簡圖如圖1所示(圖中XINTF接口和雙端口RAM的說明見本文第4部分)。

　　DSP選用TI公司的高性能浮點處理器，150 MHz主頻，性能相比于2812有大幅提升，廣泛應用于控制系統(tǒng)。FPGA選用ALTERA的Cyclone II系列，完全滿足應用需求。DSP+FPGA組成的最小系統(tǒng)主要由電源、復位電路、晶振、燒寫接口等部分組成。電源芯片選用TPS7 67D301PWP，可以為DSP提供3.3 V的工作電壓和1.9 V的內核電壓;FPGA的內核電壓由ASM1117-1.2穩(wěn)壓得到。DSP復位芯片采用MAX809S，晶振采用30 MHz的有源晶振;FPGA用50 MHz的有源晶振。配置芯片選用EPCS1，容量為1M bits，用AS模式燒寫。

　　對外的RS422接口采用MAX3491協(xié)議芯片實現(xiàn)。MAX3491將FPGA的TTL電平轉換成422差分電平，和彈上設備通信。由于FPGA引腳的驅動能力弱，因此對外的8位DIO采用74LN244芯片，增強驅動能力。

　　3 軟件設計

　　DSP通過XINTF接口與FPGA通信。DSP將地址傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA經(jīng)過地址譯碼操作對應外部設備數(shù)據(jù)。

　　3.1 FPGA軟件設計

　　FPGA主要功能是完成5路RS422串口數(shù)據(jù)的同時收發(fā)操作開關量的輸入和輸出，并和DSP交換數(shù)據(jù)。FPGA可使用進程語句實現(xiàn)并行運行，對各外設的操作都是實時并行的，相互之間沒有影響。

　　3.1.1 串口通信

　　先將時鐘通過分頻得到8倍于波特率的串口時鐘。數(shù)據(jù)接收時，根據(jù)串口通信的特點，首先判斷低電平起始位。檢測到起始位之后，按照嚴格地每八個時鐘一位的關系采集一個字節(jié)8位的電平。由于噪聲的存在可能會導致采集到的瞬時電平有誤，此時采用表決機制，即在8個時鐘期間采樣3次，以其中2次相同的電平為準。實驗證明，表決機制能極大排除隨即噪聲干擾，降低串行通信的誤碼率。接收到數(shù)據(jù)之后存儲在對應的雙端口RAM中，等待DSP讀取。串口數(shù)據(jù)接受流程如圖2所示。

　　數(shù)據(jù)發(fā)送時先從雙端口RAM中讀出需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，按照串口時鐘，先發(fā)送起始位(低電平)，再依次通過移位寄存器將8位的數(shù)據(jù)轉換成串行的‘0’/‘1’發(fā)出。主要由下面語句實現(xiàn)：

　　txd<=txd_buf(0);

　　txd_buf(6 downto 0)<=txd_buf(7 downto 1);

　　其中txd是要發(fā)送的1位邏輯電平，txd_buf中存儲著將要發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送流程如圖3所示。