基于SoC芯片HKS6713的彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

景德勝， 緱麗敏， 郭玉忠， 郭曉光

(1. 中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710072；2. 中國(guó)民航大學(xué) 適航學(xué)院，天津 300300)

基于SoC芯片HKS6713的彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

景德勝1,2， 緱麗敏1， 郭玉忠1， 郭曉光1

(1. 中航工業(yè)西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710072；2. 中國(guó)民航大學(xué) 適航學(xué)院，天津 300300)

彈載計(jì)算機(jī)是導(dǎo)彈控制的核心部件。為滿足彈載計(jì)算機(jī)對(duì)重量、功耗和可靠性等方面的要求，提出了一種采用SoC芯片HKS6713作為處理器的彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法。從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行了說(shuō)明，并對(duì)研制過(guò)程中程序分區(qū)設(shè)計(jì)、A/D采集結(jié)果修正和隔離保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。該計(jì)算機(jī)具有體積小、功耗低、功能豐富和應(yīng)用簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，對(duì)同類(lèi)彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)具有一定參考價(jià)值。文中設(shè)計(jì)的彈載計(jì)算機(jī)已經(jīng)經(jīng)過(guò)各種試驗(yàn)，并在系統(tǒng)中進(jìn)行了全面測(cè)試，達(dá)到了系統(tǒng)要求的性能，證明此設(shè)計(jì)切實(shí)可行。

彈載計(jì)算機(jī)；SoC；HKS6713

0 引言

SoC(System on Chip)是以嵌入式系統(tǒng)為核心，追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成芯片。SoC固有的單芯片特征可極大提高系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)成本、功耗以及重量和尺寸，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，SoC芯片被廣泛應(yīng)用在嵌入式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)之中。

彈載計(jì)算機(jī)[1，2]是導(dǎo)彈的核心部件，決定著導(dǎo)彈攻擊任務(wù)的成敗。系統(tǒng)要求某型彈載計(jì)算機(jī)具備與火控系統(tǒng)配合完成發(fā)射流程控制、采集慣性組合及舵機(jī)和導(dǎo)引頭等部件信息進(jìn)行制導(dǎo)律計(jì)算和對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制等功能。對(duì)外交聯(lián)接口類(lèi)型包括GJB289A總線、RS422總線、離散量輸入輸出和模擬量輸入輸出等。針對(duì)對(duì)外交聯(lián)接口種類(lèi)多、模擬量采集精度要求高和強(qiáng)實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，本文介紹了一種以國(guó)產(chǎn)SoC芯片HKS6713為處理核心的彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法，并對(duì)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)解決方法進(jìn)行了重點(diǎn)闡述。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

彈載計(jì)算機(jī)由硬件和軟件兩部分組成。其中硬件包括處理器模塊、離散量模塊、模擬量模塊和電源模塊等4部分。處理器模塊用于實(shí)現(xiàn)控制律計(jì)算、RS422異步串行接口通信、GJB289A總線接口通信等功能，采用SoC芯片+CPLD設(shè)計(jì)；離散量模塊用于實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部類(lèi)型識(shí)別信號(hào)、開(kāi)艙信號(hào)和供電指令等信號(hào)的采集；模擬量模塊用于實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)鎖存、D/A轉(zhuǎn)換等功能；電源模塊為任務(wù)計(jì)算機(jī)其他模塊和外部舵機(jī)伺服供電。軟件包括初始化、模擬量輸入采集和輸出控制、離散量輸入采集和輸出控制、GJB289A總線收發(fā)控制和RS422總線收發(fā)控制等。彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)組成見(jiàn)圖1。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 處理器模塊設(shè)計(jì)

處理器模塊用于進(jìn)行制導(dǎo)律計(jì)算，實(shí)現(xiàn)GJB289A總線和RS422異步串行總線等功能，包括SoC芯片HKS6713處理器及其外圍電路、電源轉(zhuǎn)換電路、復(fù)位電路、存儲(chǔ)器電路、RS232和RS422異步串行接口電路、GJB289A總線接口電路和板間互連總線接口等。

HKS6713是集成了DSP內(nèi)核[3]、GJB289A協(xié)議處理器、429總線控制器、CAN總線控制器、多路UART控制器、64 KB雙口存儲(chǔ)器、多路中斷控制、舵機(jī)計(jì)數(shù)器、加速度計(jì)數(shù)器、里程計(jì)數(shù)器、開(kāi)關(guān)量輸入輸出和ADC采集等功能的大規(guī)模SoC芯片，封裝形式為CBGA601，工作溫度為-55℃～+125℃。處理器模塊使用了HKS6713芯片的DSP內(nèi)核、GJB289A協(xié)議處理器、雙口RAM以及多路UART控制器等功能。HKS6713的內(nèi)核與TI公司TMS320C6713兼容，包含程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、直接存儲(chǔ)器訪問(wèn)(DMA)、POWER-DOWN邏輯、外部的存儲(chǔ)器接口(EMIF)、MCBSP、MCASP、主機(jī)接口、GPIO和TIMER等功能，系統(tǒng)輸入時(shí)鐘頻率為40 MHz，在C6713的內(nèi)部,經(jīng)倍頻后工作時(shí)鐘最高頻率為200 MHz。片內(nèi)帶有256 KB存儲(chǔ)器，可作為程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器使用，其中64 KB可作為高速CACHE使用，這種結(jié)構(gòu)使得用戶(hù)程序和數(shù)據(jù)的容量小于256 KB時(shí)，處理器無(wú)須頻繁訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器，能夠提高系統(tǒng)處理速度。HKS6713功能結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

圖1 彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 HKS6713功能結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)中，為SoC芯片配置了外部的Flash和SDRAM存儲(chǔ)器，SoC芯片DSP內(nèi)核與外部存儲(chǔ)器通過(guò)EMIF總線直接連接， EMIF總線直接支持非同步存儲(chǔ)器、SBSRAM和SDRAM等存儲(chǔ)器類(lèi)型無(wú)需外部專(zhuān)用控制器，通過(guò)配置EMIF寄存器即可實(shí)現(xiàn)對(duì)這些存儲(chǔ)器的支持。DSP內(nèi)核有多個(gè)外部存儲(chǔ)器空間[4]，每個(gè)空間均可獨(dú)立配置，可支持不同類(lèi)型存儲(chǔ)器，并可通過(guò)寄存器設(shè)置讀寫(xiě)信號(hào)的建立、選通、保持時(shí)間，以適應(yīng)各種速度的存儲(chǔ)器。本設(shè)計(jì)中為SoC芯片配置了16 MB Flash芯片作為非易失存儲(chǔ)器，用以存儲(chǔ)程序及下電后需要保留的數(shù)據(jù)信息，SoC芯片外部地址空間最多只能直接訪問(wèn)2 MB，因此采用GPIO信號(hào)作為Flash芯片的高位地址線，將Flash空間劃分為8個(gè)頁(yè)面，程序區(qū)與數(shù)據(jù)區(qū)存放在不同頁(yè)面以提高存儲(chǔ)安全性。考慮到DSP內(nèi)核內(nèi)部RAM空間較小(256 KB)，有一部分還有可能需要?jiǎng)澐譃镃ACHE使用，為SoC芯片配置了16 MB SDRAM。

處理器模塊使用SoC芯片HKS6713大大簡(jiǎn)化了電路的設(shè)計(jì)，僅需在HKS6713芯片外圍增加相應(yīng)的收發(fā)器、變壓器等芯片，即可完成GJB289A總線、RS422總線接口的設(shè)計(jì)；通過(guò)EMIF總線與SDRAM存儲(chǔ)器、Flash存儲(chǔ)器完成數(shù)據(jù)交互功能。

2.2 離散量模塊設(shè)計(jì)

離散量模塊包括離散量輸入和離散量輸出兩部分，選用CPLD芯片作為模塊的控制器，負(fù)責(zé)與處理器模塊間的互聯(lián)控制，讀取輸入離散量的狀態(tài)，確定輸出離散量的狀態(tài)。

為了防止與其他交聯(lián)設(shè)備接口之間相互影響[5]，彈載計(jì)算機(jī)對(duì)離散量輸入輸出電路、RS422串口電路采取了隔離保護(hù)設(shè)計(jì)。離散量輸入輸出電路的信號(hào)屬于28 V電源系統(tǒng)，采用光耦隔離；RS422總線收發(fā)節(jié)點(diǎn)間對(duì)共模電壓有限制要求，需要進(jìn)行共地處理，設(shè)計(jì)時(shí)采用五線制，使用隔離型DC/DC電源轉(zhuǎn)換芯片輸出為總線電平轉(zhuǎn)換器供電，總線電平轉(zhuǎn)換器與RS422總線上的其他節(jié)點(diǎn)共地，總線收發(fā)器與協(xié)議控制之間使用光耦進(jìn)行隔離，隔離總線通路對(duì)外部的干擾。RS422串口保護(hù)電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 RS422串口隔離保護(hù)電路示意圖

2.3 模擬量模塊設(shè)計(jì)

模擬量模塊在處理器模塊控制下，采集來(lái)自舵機(jī)系統(tǒng)和壓力傳感器等的模擬量信號(hào)，輸出模擬量控制舵機(jī)舵面[6]。本設(shè)計(jì)中選用的A/D轉(zhuǎn)換器使用簡(jiǎn)單、可靠性高，但存在滿量程誤差較大(典型值±0.38%)的缺點(diǎn)。為了提高A/D轉(zhuǎn)換精度，確保系統(tǒng)性能，采用軟件方法對(duì)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行修正。

A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入與輸出的理想狀態(tài)轉(zhuǎn)換斜率為1，如圖4實(shí)線所示，但由于增益誤差和偏移誤差的客觀存在，輸入輸出實(shí)際轉(zhuǎn)換斜率與1存在偏差，如圖4中虛線所示。圖4中斜率k可通過(guò)實(shí)際測(cè)量的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)算獲得，如式(1)：

k=(y1-y2)/20

(1)

圖4 A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果修正原理示意

調(diào)整后的結(jié)果由式(2)計(jì)算得到：

Ua=(Uts/k)-y0

(2)

其中Ua為調(diào)整后的結(jié)果，Uts為實(shí)際測(cè)量的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，k為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果斜率，y0為輸入為0時(shí)的誤差，即轉(zhuǎn)換偏移。

因A/D芯片中各轉(zhuǎn)換通路相互獨(dú)立，因此轉(zhuǎn)換斜率k值不相同，設(shè)計(jì)中將每一路的k值計(jì)算出后保存到Flash存儲(chǔ)器中的指定位置，采集模擬量時(shí)由軟件調(diào)用該路對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)換斜率和偏移誤差y0，得到修正后的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。經(jīng)實(shí)測(cè)，修正后A/D采集誤差范圍由-50 mV～+50 mV縮小到-10 mV～+10 mV，精度得到大幅提高，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3 軟件設(shè)計(jì)

彈載計(jì)算機(jī)的軟件用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制和自身的測(cè)試等功能[7]。包括采集載機(jī)火控系統(tǒng)、慣性組件、舵機(jī)和導(dǎo)引頭的信息，進(jìn)行制導(dǎo)率結(jié)算，發(fā)出控制信息，完成對(duì)導(dǎo)彈飛行姿態(tài)的控制等。設(shè)計(jì)中針對(duì)應(yīng)用程序代碼量大的特點(diǎn)，將應(yīng)用程序代碼分為兩類(lèi)：一類(lèi)是非時(shí)間關(guān)鍵代碼，如地面測(cè)試、流程控制等函數(shù)代碼，上電后搬移至SDRAM存儲(chǔ)器中執(zhí)行；另一類(lèi)是時(shí)間關(guān)鍵代碼，如飛行控制周期任務(wù)等函數(shù)，上電后搬移至內(nèi)部SRAM存儲(chǔ)器中執(zhí)行。解決了代碼全部搬至內(nèi)部SRAM存儲(chǔ)器中空間不足的問(wèn)題和全搬至外部SDRAM存儲(chǔ)器中速度不滿足控制周期要求的問(wèn)題。

4 總結(jié)

本文介紹了一種采用SoC芯片HKS6713作為處理器的彈載計(jì)算機(jī)，發(fā)揮了國(guó)產(chǎn)SoC芯片HKS6713功耗低、接口豐富和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，滿足了彈載計(jì)算機(jī)在性能、體積和處理性能等方面的要求，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。根據(jù)該設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)的彈載計(jì)算機(jī)已經(jīng)隨系統(tǒng)進(jìn)行了各種試驗(yàn)，試驗(yàn)證明，彈載計(jì)算機(jī)能夠有效完成彈上采集、控制的計(jì)算任務(wù)。目前，彈載控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，文中設(shè)計(jì)的彈載計(jì)算機(jī)具有很高的通用性，能夠以很低的成本移植到其他類(lèi)似的彈載控制系統(tǒng)中。

[1] 李方慧，王飛，何佩琨. TMS320C6000系列DSP原理與應(yīng)用[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[2] 梁曉庚,王伯榮,余志峰,等.空空導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2006.

[3] 左清清，梁爭(zhēng)爭(zhēng)，范秀峰. 低成本火箭彈彈載計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)，2015，44(1)：57-59.

[4] 許少尉，劉碩，景德勝. 基于TMS320C6713B的遠(yuǎn)程軟件加載設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 航空計(jì)算技術(shù)，2013，43(4)：122-123.

[5] 譚志宏，景德勝，緱麗敏. 基于DSP的高速AD采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)，2014，42(4)：41-44.

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[7] 林盈盈,高紅,張明珊,等.嵌入式二維碼數(shù)據(jù)無(wú)線多點(diǎn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(21):48-50,53.

Design of missile-borne computer based on SoC chip of HKS6713

Jing Desheng1,2， Gou Limin1， Guo Yuzhong1， Guo Xiaoguang1

(1. Xi’an Aeronautics Computing Technique Research Institute, AVIC, Xi’an 710072, China;2. College of Airworthiness, Civil Aviation University of China, Tianjin 300300, China)

As the core of missile control system, missile-borne computer requires low weight, low power and high reliability. Design of missile-borne computer based on SoC chip of HKS6713 is described. Hardware and software are introduced to explain the realization of the missile-borne computer. To satisfy the need of system, design is accomplished focusing on subarea of software, modify of A/D and protection of interface. The design has a nice proportion of performance and price. It has some reference value for similar engineering design.

missile-borne computer;SoC;HKS6713

TP273

A

1674- 7720(2016)03- 0035- 03

景德勝，緱麗敏，郭玉忠，等. 基于SoC芯片HKS6713的彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(3)：35- 37.

2015-11-02)

景德勝(1985-)，男，本科，工程師，主要研究方向:彈載嵌入式計(jì)算機(jī)。

緱麗敏(1986-)，女，工程師，主要研究方向:嵌入式計(jì)算機(jī)。

郭玉忠(1977-)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向:嵌入式計(jì)算機(jī)。