基于DSP的嵌入式飞行控制计算机系统的设计和研究

王洋

摘要：文章针对飞行器嵌入式计算机系统的具体需求，设计了弹载信息处理系统硬件平台。介绍了嵌入式弹载计算机的体系结构，并给出了各个模块的具体设计；给出了飞控计算机中央处理单元的详细参数和处理器上运行的软件的功能和处理流程。最后进行了A/D采样和串口通信实验，验证了本嵌入式计算机系统平台设计的有效性。

关键词：飞行器；飞控计算机；嵌入式计算机；DSP

中图分类号：TP274.2文献标识码：A文章编号：1006-8937（2011）22-0079-02

嵌入式计算机系统是各类弹箭飞行器中关键部件，有着非常重要的作用。随着飞行器上的信息处理系统朝着数字化、信息化、智能化的方向发展，各种处理算法不断更新，对飞行器上的计算机系统的信息处理能力也提出了越来越高的要求。

如何提高弹载计算机的信息处理能力，提高飞行器的处理性能冗余度，以便满足复杂的算法处理需求，成为设计者面对的关键问题。随着微电子技术的快速发展，适用于飞行器上信息处理的DSP芯片的集成度也大幅提高，单个芯片就集中了多类连接外部设备的接口。本文将基于DSP芯片进行弹载信息处理系统的设计。

1弹载信息处理系统硬件平台设计

嵌入式弹载信息处理系统是飞行器完成信号处理和预定任务的核心部件，其主要可以分为以下几个部分：中央处理单元、外部扩展存储器、FPGA芯片、逻辑控制电路、电源管理 电路以及接口信号的电平转换和驱动电路，其方框原理图见图1。

根据某飞行器信息实时处理的要求，设计时要求嵌入式弹载计算机系统具有如下主要功能：具有2路RS422通信接口，以用于连接上位机进行程序的检测调试和数据导出。不少于2路的12位高精度的A/D采样通道。这样，导引头的电压信号可以通过外部同步信号触发的方式来实现的实时采样，再输入到计算中来检测弹体当前的滚转角和偏航角。可靠性高，断电时能够保持各种飞行器上的数据。具有多个可扩展的I/O口，可以通过软件设定I/O口。以便输出控制信号进行发动机点火、启动导引头等，同时能够接收外部输入的反馈信号。具有精确的“看门狗”、定时器、以及可靠的电源监视功能。

电源管理电路设计时采用了德州仪器为DSP芯片应用系统配套的电源转换芯片TPS73HD318。该芯片可同时直接把5 V电压分为两路转换成1.8 V和3.3 V，这样不仅减小了器件的面积和体积，还提高了转换效率，降低了系统功耗。

由于飞行器中为计算机供电的锂电池的供电时间持续约为1 h，因此在测试实验过程中必须设计非易失性存储设备。另外，由于弹上的Flash芯片在进行擦写时必须对块进行擦除，这导致擦除过程会出现几十毫秒的延迟，因此本文增加了一片Xicor公司的X25323芯片，该E2PROM拥有32 K空间，具有块闭锁保护和低电平检测功能，SPI接口操作，写周期为5 ms。

由于一般情况下卧式晶振在高过载情况下比立式晶振的抗过载能力要高得多，所以本文的晶振电路采用30 MHz的四角卧式外部有源晶振。TMS320F2812芯片内部设计了一个可以进行10倍倍频的PLL锁存器，所以本文把DSP芯片直接与30 MHz晶振连接。通过内部10倍频后再2分频得到150MHz的脉冲信号，而TMS320F2812能支持的最高工作时钟就是150 MHz。

2中央处理器及软件功能设计

中央处理单元主要完成各种应用程序的执行、运行各种控制算法、输出各类控制信号并和外部设备进行通信等功能，为飞行器飞行控制计算机系统的核心。本文采用了德州仪器公司的TMS320系统的DSP TMS320F2812作为其核心芯片。

TMS320F2812是业界首批32位的控制专用的数字信号处理器，内含闪存，处理性能高达150MIPS，专门为光学网络、自动化控及制工业自动化等应用而设计。在TMS320C2000系列DSP中，尤其是最近推出的C28x系列高精度DSP (数字信号处理器)，其内核的综合性能在数字控制应用方面是非常不错的。C28x的内核提供多达150MIPS的处理和计算性能，即使面对复杂的控制算法也能够实时地处理，如功率因数校正等算法、随机PWM的生成、高速传感器控制等。同时C28x的程序代码效率也是非常高的，其程序代码与目前所有的C2000DSP的程序代码兼容，方便了程序的移植，利用产品升级更新。本文设计了飞控计算机的软件功能，软件处理的流程如图2所示。

3系统实验与测试

本文TMS320F2812上的标准IEEE1149.1JTAG接口和串口调试助手进行测试和实验，通过设置断点在线调试验证了程序的功能。由于A/D采样时存在一定的误差和漂移，必须对采样结果进行校准。经过实验对外部电压的采样精度为到±8 MV，在115200的波特率下系统串口通信误码率小于0.02%，满足系统设计要求。

4结语

本文针对飞行器上飞控计算机信息处理的需要，基于TMS320F2812 DSP处理器设计开发了飞控计算机系统，介绍了系统的软硬件设计。本嵌入式计算机平台外扩器件较少、综合处理性能比较高，设计的飞行器嵌入式计算机可靠性高、数据处理能力强、体积小，为同类系统的开发设计提供了一定的参考。

参考文献：

[1] 张雄伟,陈良,徐光辉. DSP集成开发与应用实例[M].北京: 电子工业出版社,2002.

[2] 徐伊岑.基于TMS320F2812的某型弹载计算机的开发[J]. 中小企业管理与科技,2008,(11).