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基于DSP的新型弹载控制计算机

时间:04-05 来源:作者:刘军虎、吕级三、吴学森 点击:

前言

随着航天技术的发展,新型航天飞行器不断涌现,各种用途的 导弹正不断地走向高精度和小型化的道路。高精度要求航天飞行器和导弹的制导控 制精度高、稳定性好,能够适应复杂的外界环境。因此控制算法比较复杂、计算速度快、精 度高。小型化则要求航天飞行器和导弹的体积小、机动性好,在同等有效载荷的情况下,对 控制系统的重量和体积提出了更高的要求,要求控制计算机的性能越高越好,体积越小越好。性能指标和体积限制迫切需要研制新型的弹载控制计算机。 随着数字信号处理器(DSP)性能的迅速提高和成本价格的下 降,DSP的应用范围不断扩大,开始在通用数字信号处理、通讯、语音处理、图像处理、自动控制和仪表仪器及 军事与尖端科技等方面,以其强大的指令系统及接口功能显示出功能强、速度快、编程和开发方便等特点。利用DSP的性能,解决了高速与微型的矛盾,成功研制出了集 高速度、高精度和小型化于一体的基于DSP的新型弹载控制计算机,并通过了地面的性能测 试。

常用的弹载控制计算机的特点

弹载计算机要求具有实时性、可靠性、嵌入性等特点。实时性要求对输入的信 息数据以最快 的速度处理,以最短的时间延迟输出控制指令去控制导弹的飞行。可靠性要求能够在恶劣的环境条件下使用,抗干扰能力强,要有宽工作温度范围、抗振动和冲击、耐潮湿、抗电磁干 扰等特点。嵌入性要求最轻最小的体积重量。但这些条件很难同时满足,系统设计时,需要综合考虑。

基于PC机和基于单片机是常用的两种弹载控制计算机

基于PC机的弹载控制计算机是以Intel 80×86为CPU,外围加上相应的协处理器、内存、硬 盘 、接口电路(包括A/D和D/A、串行通讯等)等组成。和普通的商用计算机比较类似,采用高级语音设计,编程比较容易,研制的厂家多,技术也比较成熟;32位字长,有协处理器配合可以作较高精度的浮点运算,主频15~66 MHz,甚至更高,整体速度快,相当于286~486的性能;寻址能力强,可以访问到外部M bit~G bit的空间,能够 进行实时的高精度和高速度计算。但接口能力差,需要较多的外围接口器件配合,体积大,不易实现小型化。

基于单片机的弹载控制计算机主要由以Intel 8031为核心的51系列单片机或96系列单片机组 成中央处理器,外围配以少量的接口器件组成。其接口能力强、I/O管脚多、可直接驱动逻辑电路,功耗大、体积小,可将RAM、ROM、CPU集成在单片上,有的可同 时集成晶振和看门狗WTD电路,减少了系统的复杂程度、方便了使用、提高了可靠性,嵌入性能很好。但其整体计算性能差,这种计算机一般是8位、准16位或16位,没 有浮点运算指令,无法进行复杂的计算,计算精度差;晶振常为1~16 MHz,寻址能力有限, 通常只有几十千字节至几百千字节的能力,无法完成实时计算与高精度的控制任务,一般多 用于简易控制系统中。

DSP同时具备了这两者的优点,可以满足高性能和小型化的要求。

DSP的发展现状

半导体技术同IT技术一样也在不断地发展。世界上第1个单片DSP是AM I公 司在1978年发布的,定点位数12/16,一次乘法和加法的时间(MAC)为300 ns。在那以后, 世界上有许多著名的半导体厂家陆续推出了自己的DSP,从定点到浮点,生产工艺不断改善 ,硬件资源越来越丰富,运算速度越来越快,性能越来越高,功耗、体积也越来越小。以美国德州仪器公司(TI公司)生产的DSP为例,1982年推出了第1代的定点DSP,到1997年推出 的C 6X浮点DSP以及多处理器芯片TMS320C8X,后者集成了5个高性能的DSP,可以并行运算,实时处理能力达每秒20亿次操作,精度达到了64位。就其1989年推出的第1代浮点DSP而言,MAC 已达60 ns,浮点位数已达40位;具有指令功能强,指令集有113条指令,大部分指令是单周期的,采用流水线操作,支持32位浮点乘法和并行指令;有5类寻址方式,这些类中又 可采用6种寻址类型;16 Mbit可寻址范围。计算速度和精度已达到甚至 超过了PC机的CPU;体积小,具有丰富的硬件资源和灵活方便的接口,使得D SP 在要求高性能和小型化的导弹控制上具有良好的应用条件和前景。 研制基于DSP的新一代弹载控制计算机,虽然有卓越的性能和微小的体积作保证, 但关键在于控制系统整体方案设计。

基于DSP新型弹载控制计算机的方案设计

在整体方案设计之前,要对导弹的任务和实现的目标作需求分析。根据 导弹总体的要求和控 制对象的复杂程度,选择控制周期;按照控制周期内控制计算量来确定弹上计算的类型和运算速度,并结合外部单元确定接口方案,以及对抗干扰因素的考虑,可确定整体的通讯协议 和接口形式。

1 控制系统整体组成框图

在导弹的飞行过程中,为了精确地命中目标,需要对其飞行姿态进行控制,引导导弹准确飞 向目标。为了进行姿态控制,通常需要获得弹体飞行姿态的实时参数,以及目标和导弹的相对位置关系。有了这些信息参数,经过控制计算机的控制算法计算,实时输出控制量到执行 机构,从而实现对导弹的控制,其构成示意图见图1。

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