高动态环境下的弹载导航计算机设计

时间：2024-08-31

刘瑞超，赵捍东，曹红松，孙运强

（1中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原 030051；2中北大学弹箭模拟仿真研究中心山西太原 030051)

0 引言

弹载计算机是导航、制导与控制的核心装置，系统实时性和可靠性直接关系到精确制导的精度和杀伤目标的概率。

常规的弹载计算机大多采用主从式结构或分布式结构的双处理器结构，比如DSP+DSP,DSP+ARM,DSP+CPLD/FPGA等架构[1-3]。这类方案一般都解放了DSP的控制功能，最大限度地发挥DSP运算快的优势，充分利用CPLD或FPGA的控制作用,但是造成系统结构复杂，设计工作量大，调试周期长，多处理器结构通信机制要求严格，降低了系统的可靠性，同时，也给硬件系统的体积和功耗带来负面的影响。

高动态环境下弹丸的导航系统一般仅需简易制导，要求弹载计算机系统体积小巧、功耗低、采样率高、解算周期短。因此，研究适用于高动态环境下的弹载导航计算机具有现实意义。本文正是基于稳定性和实时性考虑，设计了一种基于TMS320F28335为核心的高精度数据采集的弹载导航计算机系统, 系统采用基于RTOS的设计方法，将导航系统程序建立在精简的嵌入式操作系统——DSP/BIOS上，并采用基于DSP/BIOS的程序编程与实时性分析的方法。

1 硬件设计

如图1所示，本弹载计算机系统主要由DSP子系统、数据采集子系统和数据输出和存储子系统组成。其中，MIMU（Micro inertial measurement unit) 体积小、重量轻、可靠性、稳定性高。磁强计具有测量范围宽、高稳定性、无漂移、功耗低,抗干扰、体积小等优点,该捷联系统满足弹药的安装空间，适合弹上环境[4]。系统结构简单，模块清晰，由于其采用单处理器的结构，提高了整个系统稳定性,也降低了功耗。

图1 系统组成框图

1.1 DSP子系统

弹载计算机子系统主要实现发送控制信号、接收外部信息、响应中断请求、实现导航计算和解算结果输出与存储功能。

系统选用TMS320F28335，它集成了TI的28系列内核和FPU浮点处理模块。其主频高达150MHz,使它既具有28系列的很强的控制功能，又具有强大的浮点计算功能它既支持整数运算又支持实数运算，使处理能力大大加强，其内部对运算精度有很大提高。它片上包含丰富的外设，集成256KB×16位Flash及34 KB×16位SARAM存储器，2×8路12位分辨率的A/D转换器，3路异步串口，2路CAN总线通信接口等资源，能够很方便地扩展各种外设，减少硬件电路的体积。

1.2 数据采集子系统

在数据采集子系统中，ADC是核心部件。本文选用了TI公司生产的16位逐次逼近型ADC ADS8344，它是一个高速、低功耗，采用2.7V至5V单电源供电，最大采样速率为100kHz，信噪比达84dB。带有SPI串行接口，可以方便与DSP F28335的SPI接口相连，接口硬件连接如图2所示。由于ADS8344的I/O电平为5V，为了保证电平匹配，在ADS8344与DSP之间连接两个3.3～5V电平转换器ADG3308。当CS为低时，ADS8344 通过DIN引脚接收由DSP芯片DX引脚发送过来的串行数据，并写入A/D芯片的控制寄存器，这需要8个DCLK时钟，前4个时钟周期用于接收控制字节的开始位和通道选择位，当接收接下来的4个控制位时芯片同时对所选通道采样，采样完成后进行模数转换，当BUSY产生一个下降沿信号后DSP开始接收由DOUT输出的转换结果，16位串行数据需要16个DCLK时钟，在接收串行数据的LSB位时，下一个通道的控制字开始输入到A/D芯片。这样，ADS8344完成一次完整的数据采样保持、转换和输出共需要25个DCLK时钟。

1.3 数据输出子系统

数据输出子系统用于将导航解算结果输出。TMS320F28335 上有2个SCI 异步串口，是采用双线通信的异步串行通信接口,即通常所说的UART口,可配置为RS232 或RS485模式。SCI的接收器和发送器各具有一个16级深度的FIFO（First in fist out 先入先出）队列，它们还都有自己独立的使能位和中断位，可以在半双工通信中进行独立的操作，或者在全双工通信中同时进行操作。根据信息的传送方向，串行通信可以分为单工、半双工和全双工3种。

图2 F28335与ADS8344接口电路

在本系统中，SCI用于同上位机通讯，包括上电自检、初始装订和将姿态解算结果上传给PC。系统上电后，首先通过SCI输出一个自检状态帧，表明系统各部分运行正常；然后，计算机发送初始装订信息，DSP接收后检查有效性，如无效，再请求发送，如正确，发送结束信息（指定的帧格式）。

2 软件设计

在传统的开发过程中，用户开发的程序按照顺序依次执行，不能完全保证系统的可靠性与稳定性。因此，国内外的先进智能系统中，例如航空、航天领域的电子控制设备，大都使用了先进的嵌入式操作系统。本系统采用基于DSP/BIOS的程序编程与实时性分析的方法。

DSP/BIOS是一个简易的嵌入式操作系统，它能大大方便用户编写多任务应用程序。使用DSP/BIOS后，用户程序在DSP/BIOS的调度下按任务、中断的优先级排队等待执行，可以实现准并行执行，同时还能增强对代码执行效率的监控。

本系统具有射前系统自检、发送初始姿态角、姿态信息采集、解算、发送和存储功能，软件流程如图3所示，各模块功能及任务划分如下：

①系统初始化模块：在DSP/BIOS中，本模块全部在main函数里面实现。包括初始化CPU、初始化并使能中断向量表、初始化看门狗定时器、初始化zone7存储空间、将需要在RAM中运行的段拷贝到片内存储空间当中、初始化Flash和OTP存储器、初始化系统用到的外部接口。

图3 软件执行流程图

②射前自检模块：在系统正常工作之前，需要对整个系统上电检查，以确保硬件处于正常的工作状态。本设计中，通过上位机向下位机发送一帧事前构造好的数据帧，DSP收到后，如果能以原数据返回，则上位机解读为机样工作状态正常。

在任务管理器中创建SELFCHECK任务，任务优先级设置为最高。系统初始化完成以后，立即执行本任务，来对系统进行上电自检。

③装订初始姿态角模块：通过上位机软件将准备好的初始姿态角信息发送给下位机。

在任务管理器中创建INIT_ANGLE任务，优先级低于SELFCHECK任务，但高于姿态解算任务。

④定时采集模块：在DSP/BIOS配置工具PRD模块中创建一个SAM_PRD周期函数模块，将定时周期设置为3ms,来周期触发数据采集函数，每次采集3个通道的陀螺信号和2个通道的地磁信号。同时，在此函数中实现陀螺信号的标定补偿，最后利用DSP/BIOS模块的信号灯定时发布采样信号。

⑤姿态角解算模块：本设计中姿态更新算法采用三子样的旋转矢量法，利用磁强计信号解算各时刻的滚转角，陀螺信号解算的各时刻俯仰角和偏航角，将两者组合作为下一步解算的初始四元数，再用三子样法进行解算。因为算法中每次需要4组角度信息，每组都包括弹道俯仰角、偏航角和滚转角对应的角速度信息，而且下次解算的第一组角速度信息正好是前一次解算时的第四组的数据。所以，不难看出，第一次解算任务和以后每次解算任务的不同之处。

在任务管理器中分别创建ZITAI1和ZITAI两个任务，其中，ZITAI1任务优先级高于ZITAI任务，但是低于初始装订任务。所以，当初始装订完时，系统立即执行第一次姿态角解算任务，并等待邮箱同步信息。当4组姿态角信息接收完成后，开始调用三子样解算程序并将姿态角信息用串口发送出去。ZITAI1任务执行完一次以后，便开始执行ZITAI任务，它是一个无限循环程序，来循环解算姿态角。

⑥姿态角发送模块：通过在ZITAI任务中调用发送姿态角函数来实时将解算出来的姿态角发送出去。

3 时序分析和系统实验

3.1 时序分析

在DSP/BIOS Configuration 工具中对所要创建的任务进行设置，编译链接完成后，将程序烧写进样机的存储RAM中，运行程序。CPU负荷图如图4所示，系统各任务能按指定的优先级稳定运行，说明系统满足实时性的要求。

图4 F28335 CPU执行图

3.2 系统实验

把MIMU和样机固定在某双轴转台上，让转台在400°/S的转速下转动。样机自检成功以后，让样机稍微提前一点发送姿态角，从而提前触发采集AD数据和姿态解算程序。然后转台开始转动，样机输出的AD采集结果和姿态信息通过串口输出，数据处理后的结果如图5所示。由图可知，陀螺能够敏感到转台的加速过程，并且系统能够很好地敏感转台的姿态信息。

图5 样机串口输出结果