基于SoC芯片HKS6713的弹载计算机设计

景德胜， 缑丽敏， 郭玉忠， 郭晓光

(1. 中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710072；2. 中国民航大学 适航学院，天津 300300)

基于SoC芯片HKS6713的弹载计算机设计

景德胜1,2， 缑丽敏1， 郭玉忠1， 郭晓光1

(1. 中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710072；2. 中国民航大学 适航学院，天津 300300)

弹载计算机是导弹控制的核心部件。为满足弹载计算机对重量、功耗和可靠性等方面的要求，提出了一种采用SoC芯片HKS6713作为处理器的弹载计算机设计方法。从硬件设计和软件设计两方面进行了说明，并对研制过程中程序分区设计、A/D采集结果修正和隔离保护等关键技术进行了阐述。该计算机具有体积小、功耗低、功能丰富和应用简便等特点，对同类弹载计算机设计具有一定参考价值。文中设计的弹载计算机已经经过各种试验，并在系统中进行了全面测试，达到了系统要求的性能，证明此设计切实可行。

弹载计算机；SoC；HKS6713

0 引言

SoC(System on Chip)是以嵌入式系统为核心，追求产品系统最大包容的集成芯片。SoC固有的单芯片特征可极大提高系统性能，降低系统成本、功耗以及重量和尺寸，随着电子技术的发展，SoC芯片被广泛应用在嵌入式计算机的设计之中。

弹载计算机[1，2]是导弹的核心部件，决定着导弹攻击任务的成败。系统要求某型弹载计算机具备与火控系统配合完成发射流程控制、采集惯性组合及舵机和导引头等部件信息进行制导律计算和对舵机系统进行闭环控制等功能。对外交联接口类型包括GJB289A总线、RS422总线、离散量输入输出和模拟量输入输出等。针对对外交联接口种类多、模拟量采集精度要求高和强实时性等特点，本文介绍了一种以国产SoC芯片HKS6713为处理核心的弹载计算机设计方法，并对设计中的关键技术解决方法进行了重点阐述。

1 系统架构

弹载计算机由硬件和软件两部分组成。其中硬件包括处理器模块、离散量模块、模拟量模块和电源模块等4部分。处理器模块用于实现控制律计算、RS422异步串行接口通信、GJB289A总线接口通信等功能，采用SoC芯片+CPLD设计；离散量模块用于实现战斗部类型识别信号、开舱信号和供电指令等信号的采集；模拟量模块用于实现A/D转换及数据锁存、D/A转换等功能；电源模块为任务计算机其他模块和外部舵机伺服供电。软件包括初始化、模拟量输入采集和输出控制、离散量输入采集和输出控制、GJB289A总线收发控制和RS422总线收发控制等。弹载计算机系统架构组成见图1。

2 硬件设计

2.1 处理器模块设计

处理器模块用于进行制导律计算，实现GJB289A总线和RS422异步串行总线等功能，包括SoC芯片HKS6713处理器及其外围电路、电源转换电路、复位电路、存储器电路、RS232和RS422异步串行接口电路、GJB289A总线接口电路和板间互连总线接口等。

HKS6713是集成了DSP内核[3]、GJB289A协议处理器、429总线控制器、CAN总线控制器、多路UART控制器、64 KB双口存储器、多路中断控制、舵机计数器、加速度计数器、里程计数器、开关量输入输出和ADC采集等功能的大规模SoC芯片，封装形式为CBGA601，工作温度为-55℃～+125℃。处理器模块使用了HKS6713芯片的DSP内核、GJB289A协议处理器、双口RAM以及多路UART控制器等功能。HKS6713的内核与TI公司TMS320C6713兼容，包含程序存储器、数据存储器、直接存储器访问(DMA)、POWER-DOWN逻辑、外部的存储器接口(EMIF)、MCBSP、MCASP、主机接口、GPIO和TIMER等功能，系统输入时钟频率为40 MHz，在C6713的内部,经倍频后工作时钟最高频率为200 MHz。片内带有256 KB存储器，可作为程序和数据存储器使用，其中64 KB可作为高速CACHE使用，这种结构使得用户程序和数据的容量小于256 KB时，处理器无须频繁访问外部存储器，能够提高系统处理速度。HKS6713功能结构图见图2。

图1 弹载计算机系统架构

图2 HKS6713功能结构图

设计中，为SoC芯片配置了外部的Flash和SDRAM存储器，SoC芯片DSP内核与外部存储器通过EMIF总线直接连接， EMIF总线直接支持非同步存储器、SBSRAM和SDRAM等存储器类型无需外部专用控制器，通过配置EMIF寄存器即可实现对这些存储器的支持。DSP内核有多个外部存储器空间[4]，每个空间均可独立配置，可支持不同类型存储器，并可通过寄存器设置读写信号的建立、选通、保持时间，以适应各种速度的存储器。本设计中为SoC芯片配置了16 MB Flash芯片作为非易失存储器，用以存储程序及下电后需要保留的数据信息，SoC芯片外部地址空间最多只能直接访问2 MB，因此采用GPIO信号作为Flash芯片的高位地址线，将Flash空间划分为8个页面，程序区与数据区存放在不同页面以提高存储安全性。考虑到DSP内核内部RAM空间较小(256 KB)，有一部分还有可能需要划分为CACHE使用，为SoC芯片配置了16 MB SDRAM。

处理器模块使用SoC芯片HKS6713大大简化了电路的设计，仅需在HKS6713芯片外围增加相应的收发器、变压器等芯片，即可完成GJB289A总线、RS422总线接口的设计；通过EMIF总线与SDRAM存储器、Flash存储器完成数据交互功能。

2.2 离散量模块设计

离散量模块包括离散量输入和离散量输出两部分，选用CPLD芯片作为模块的控制器，负责与处理器模块间的互联控制，读取输入离散量的状态，确定输出离散量的状态。

为了防止与其他交联设备接口之间相互影响[5]，弹载计算机对离散量输入输出电路、RS422串口电路采取了隔离保护设计。离散量输入输出电路的信号属于28 V电源系统，采用光耦隔离；RS422总线收发节点间对共模电压有限制要求，需要进行共地处理，设计时采用五线制，使用隔离型DC/DC电源转换芯片输出为总线电平转换器供电，总线电平转换器与RS422总线上的其他节点共地，总线收发器与协议控制之间使用光耦进行隔离，隔离总线通路对外部的干扰。RS422串口保护电路设计见图3。

图3 RS422串口隔离保护电路示意图

2.3 模拟量模块设计

模拟量模块在处理器模块控制下，采集来自舵机系统和压力传感器等的模拟量信号，输出模拟量控制舵机舵面[6]。本设计中选用的A/D转换器使用简单、可靠性高，但存在满量程误差较大(典型值±0.38%)的缺点。为了提高A/D转换精度，确保系统性能，采用软件方法对A/D转换结果进行修正。

A/D转换芯片输入与输出的理想状态转换斜率为1，如图4实线所示，但由于增益误差和偏移误差的客观存在，输入输出实际转换斜率与1存在偏差，如图4中虚线所示。图4中斜率k可通过实际测量的A/D转换结果计算获得，如式(1)：

k=(y1-y2)/20

(1)

图4 A/D转换结果修正原理示意

调整后的结果由式(2)计算得到：

Ua=(Uts/k)-y0

(2)

其中Ua为调整后的结果，Uts为实际测量的A/D转换结果，k为A/D转换结果斜率，y0为输入为0时的误差，即转换偏移。

因A/D芯片中各转换通路相互独立，因此转换斜率k值不相同，设计中将每一路的k值计算出后保存到Flash存储器中的指定位置，采集模拟量时由软件调用该路对应的转换斜率和偏移误差y0，得到修正后的A/D转换结果。经实测，修正后A/D采集误差范围由-50 mV～+50 mV缩小到-10 mV～+10 mV，精度得到大幅提高，满足系统设计要求。

3 软件设计

弹载计算机的软件用于实现对系统的控制和自身的测试等功能[7]。包括采集载机火控系统、惯性组件、舵机和导引头的信息，进行制导率结算，发出控制信息，完成对导弹飞行姿态的控制等。设计中针对应用程序代码量大的特点，将应用程序代码分为两类：一类是非时间关键代码，如地面测试、流程控制等函数代码，上电后搬移至SDRAM存储器中执行；另一类是时间关键代码，如飞行控制周期任务等函数，上电后搬移至内部SRAM存储器中执行。解决了代码全部搬至内部SRAM存储器中空间不足的问题和全搬至外部SDRAM存储器中速度不满足控制周期要求的问题。

4 总结

本文介绍了一种采用SoC芯片HKS6713作为处理器的弹载计算机，发挥了国产SoC芯片HKS6713功耗低、接口丰富和可靠性高的优点，满足了弹载计算机在性能、体积和处理性能等方面的要求，简化了系统设计难度。根据该设计方案生产的弹载计算机已经随系统进行了各种试验，试验证明，弹载计算机能够有效完成弹上采集、控制的计算任务。目前，弹载控制系统应用广泛，文中设计的弹载计算机具有很高的通用性，能够以很低的成本移植到其他类似的弹载控制系统中。

[1] 李方慧，王飞，何佩琨. TMS320C6000系列DSP原理与应用[M]. 北京：电子工业出版社，2005.

[2] 梁晓庚,王伯荣,余志峰,等.空空导弹制导与控制系统设计[M].北京:国防工业出版社,2006.

[3] 左清清，梁争争，范秀峰. 低成本火箭弹弹载计算机的设计[J]. 电子技术，2015，44(1)：57-59.

[4] 许少尉，刘硕，景德胜. 基于TMS320C6713B的远程软件加载设计与实现[J]. 航空计算技术，2013，43(4)：122-123.

[5] 谭志宏，景德胜，缑丽敏. 基于DSP的高速AD采集系统设计与实现[J]. 电子技术，2014，42(4)：41-44.

[6] 于剑超,于相斌,李清亮,等.基于嵌入式计算机的大气数据计算机检查仪的设计[J].微型机与应用,2014,33(17):92-94.

[7] 林盈盈,高红,张明珊,等.嵌入式二维码数据无线多点传输系统设计[J].微型机与应用,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

景德胜，缑丽敏，郭玉忠，等. 基于SoC芯片HKS6713的弹载计算机设计[J].微型机与应用，2016,35(3)：35- 37.

2015-11-02)

景德胜(1985-)，男，本科，工程师，主要研究方向:弹载嵌入式计算机。

缑丽敏(1986-)，女，工程师，主要研究方向:嵌入式计算机。

郭玉忠(1977-)，男，高级工程师，主要研究方向:嵌入式计算机。