基于DSP的測控系統設計?

王 偉,徐 平,林德福,張 健

(1.北京理工大學宇航學院,北京 100081;2.中國兵器工業集團西北工業集團有限公司,陜西西安 710043）

彈載計算機[1](文中簡稱測控系統)是戰術導彈飛行控制系統的核心,是實施導彈發射和飛行控制的“指揮中樞”,其主要任務是控制導彈按預定彈道穩定飛行,直至準確命中目標,并在飛行過程中控制彈上各系統進行工作狀態的轉換,以及協調各系統之間的信號傳遞.其性能好壞直接關系到制導的精度和對目標的殺傷概率.

測試控制計算機要求具有高精度、小型化、實時性、可靠性、嵌入式[2]等特點.隨著芯片的制造工藝的進步,集成眾多的片上系統芯片性能增強,外部電路精簡.其中DSP以其強大的指令系統及接口功能顯示出功能完善、運算速度快、開發方便等方面的優勢[3].能夠有效解決運算速度和體積的矛盾.實時性要求對輸入的導航數據以最快的速度處理并以最小的延時輸出控制信號.可靠性要求系統抗干擾能力強,要有較寬的工作溫度范圍和抗電磁干擾能力強.嵌入性要求盡量輕、體積小.這些條件在設計系統時都要綜合考慮以達到最優化的性能設計.

1 系統綜述

文中基于DSP28335[4]設計的測試控制系統,可以根據GPS定位信息,雙軸加速度計和三軸角速度陀螺輸出信號,實現多種控制策略和控制算法,并可以通過外擴將FLASH存儲飛行過程中的數據記錄下來,通過USB接口或者串口讀取導彈飛行過程中的試驗數據,便于分析試驗結果.

2 控制系統設計分析

2.1 控制系統的設計需求

測試控制系統一般采取模塊化的結構設計,包括核心控制模塊、信號調理模塊、以及數據存儲模塊等.核心控制模塊應該達到以下要求:

1)具有低功耗模式,具備多種串行外設,大的容量程序存儲空間以便于滿足復雜控制軟件的開發;執行效率高便于滿足計算量很大的控制任務.

2)具有多路模擬信號的高精度采集能力,采集雙軸加速度計,三軸角速率陀螺,溫度傳感器,電源電壓等信號.

3)具有開關量離散信號、模擬信號和 PWM脈沖等,控制信號的輸入、輸出能力,以適應不同控制信號的需求.

只有滿足上述要求的核心控制模塊才能夠滿足復雜的測試控制系統的需求.

2.2 控制系統的實現

系統硬件電路包括信號處理模塊,信號調理和接口模塊(具體包括前端數據采集,捕獲單元,放大驅動舵機模塊,串口接口等),數據存儲模塊等.具體控制方案系統圖見圖1.

圖1 控制系統方案組成圖Fig.1 The d iagram of control system com ponents

3 信號處理模塊設計

測試控制計算機需要在很短時間內完成數據采集,數字濾波,實現預訂算法等大量的工作,要求測控計算機具有很高的運算速度,同時,為滿足體積、質量以及功耗的要求,微處理器體積要小,而且具有很強的接口功能.本系統采用了T I公司的32位浮點型 TMS320F28335[5-6]作為系統的CPU.

TMS320F28335的基本特點[7-8]如下:

1)具有高速的浮點運算能力,高性能的靜態CMOS技術,指令周期為6.67 ns,主頻達150 MHz.

2)片上RAM 68 k*16 bit,片上FLASH 256 k*16 bit.

3)增強型的外設模塊:3個32位的定時器,18個PWM輸出,包含6個高分辨率的脈寬調制模塊(HRPWM),6個事件捕獲輸入,2通道的正交調制模塊.

4)串行外設為2通道CAN模塊,3通道SCI模塊,2個McBSP(多通道緩沖串行接口)模塊,1個SPI模塊,1個I2C主從兼容的串行總線接口模塊.

5)12位的AD轉換器具有16個轉換通道,2個采樣保持器,內外部參考電壓,轉化速度為80 ns,同時支持多通道轉換.

6)低功耗模式,1.9 V內核,3.3 VIO供電.

7)符合IEEE1149.1標準的片內掃描仿真接口JTAG.

信息處理模塊[9-10]的這些基本特點能夠滿足控制系統的需求,尤其由于主芯片TMS320F28335的浮點架構,它大大減小了編程難度,采用哈佛流水線結構,能夠快速執行中斷響應,并具有統一的內存管理模式,可用C/C++語言實現復雜的數學算法.信號處理模塊的電源部分如圖2所示.電源轉換電路提供的+3.3 V給信號處理模塊的IO供電,+1.8 V給CPU供電.

4 信號調理及接口模塊設計

圖2 信號處理模塊電源電路Fig.2 The pow er supply circuit of Signal p rocessingmodule

信號調理及接口模塊包括AD采集模塊,485模塊,232轉換模塊,輸出控制模塊等.

4.1 AD采集模塊

AD采集模塊的芯片選用外部轉換器AD1674,AD1674是美國模擬器件公司(Analog Device)生產的12位逐次逼近型快速A/D轉換器.AD1674的基本特點:

1)帶有內部采樣保持的完全12位逐次逼近(SAR)型模/數轉換器;

2)采樣頻率為100 kH z,轉換時間為10μs;

3)具有 ±1/2LSB的積分非線性(INL)以及 12位無漏碼的差分非線性(DNL);

4)滿量程校準誤差為0.125%;

5)4種單極或雙極電壓輸入范圍分別為5 V,10 V,0～10 V和0～20 V;

6)數據可并行輸出,采用8/12位可選微處理器總線接口;

7)內部帶有防靜電保護裝置(ESD),放電耐壓值可達4 000 V.

采集模塊的系統方塊圖如圖3所示.

4.2 串口通信模塊

本系統中僅用了兩個串口單元,一個為232單元,另一個為485單元,如果在使用的過程中運用到更多的串口中斷,可以采用TI的TL16C554擴展串行口,TL16C554集成度高,性能穩定.在系統中,232模塊用于GPS之間的數據傳輸,得到導彈在飛行過程中的經度,緯度,高度,以及速度.RS485模塊用于無線傳輸模塊與核心處理模塊之間的數據傳輸,如目標特性等.使用國際標準的 RS485差分方式,使通訊的速率和通訊距離均大于RS232的標準接口方式,并且用線最少.RS232模塊的基本電路如圖4所示.

485模塊的基本電路如圖5所示.

圖3 采集模塊系統原理框圖Fig.3 The block diagram of Acquisition modulesystem

圖4 232模塊基本電路圖Fig.4 Basic circuitm odule 232

圖5 485模塊基本電路圖Fig.5 Basic circuitm odule 485

圖6 光耦TLP521-1基本電路圖Fig.6 Optocoupler TLP521-1 Basic circuit diagram

4.3 輸出控制模塊

輸出控制模塊主要是用于驅動舵機工作,因為主芯片 TMS320F28335通過 PWM調制后輸出 4路脈寬可調信號,經過光耦后將電壓調整到12 V,從而驅動舵機.彈上電磁環境差,控制參數多,各種傳感器,電源,舵機系統組合較復雜,當各種噪聲及干擾對系統的影響采用濾波法不能有效抑制時,必須采用光電隔離的方法,從而抑制干擾信號的影響.光耦選用TI公司的4路光耦TLP521-4,該芯片是由 4路光耦組合而成,故給出其中一路光耦應用信號.

5 存儲模塊設計

在本系統中,飛行過程中的雙軸加速度計,三軸角速率陀螺輸出信號,GPS信號,無線傳輸模塊的信號以及中間解算出的有關彈體姿態和輸出舵機的控制指令等大量數據都需要實時記錄,因此,設計大容量存儲的存儲模塊是很有實際意義的.目前,基于 NAND技術的FLASH具有很大容量,在本系統中,選用了K9F6408U 0M存儲器.該存儲器的主要性能包括檢錯(對FLASH內部壞扇區的檢測)、寫操作(寫入數據)、讀操作(從FLASH中讀出數據)、空間管理和擦除操作.

圖7 主芯片與存儲器連接示意圖F ig.7 Them ain ch ip and the m em ory connection diagram

6 結 論

經過測試試驗,該測試控制系統信號處理單元在0.2ms內完成過載指令計算,解算準確快速,能夠對外部傳感器信號真實準確地記錄并加以運用,GPS與測控計算機通信正常,無線傳輸模塊在地面和彈上均工作正常,測控系統解算生成的控制指令實時分配給舵機,舵機產生的有效力與理論設計誤差小于0.1%.試驗表明,本設計方案采用的測控系統在姿態解算方面與T IDSP6713具有類似的浮點解算能力特點的同時成本要低15倍左右,具備精度高,成本低的特點;測控系統可以同時滿足外部多種傳感器,較同類的單片機要功能全面,處理速度高,實時性好;測控系統的設計平臺很廣,可以迅速推廣到 TI系列的MSP430單片機系列和TI工業控制類的 TI2000系列,通用性好;由于測控系統封裝簡單,因此比DSP6713等工藝簡單,兩層板即滿足要求,同時體積較小,在 Φ40的空間下即可完整裝置,工作電流在100 mA以內,小型化,低功耗.

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