胡 博，李 毅，邢广义，张 拓，王 蕊

(中国航天科技集团公司 第四研究院第四十一研究所，西安 710025)

基于DSP+FPGA的新型弹载计算机设计与实现

胡 博，李 毅，邢广义，张 拓，王 蕊

(中国航天科技集团公司 第四研究院第四十一研究所，西安 710025)

以某型号导弹飞行试验为研制背景，设计出一款精度高、通用性强的新型弹载计算机。该弹载计算机以高性能DSP和FPGA为系统框架，通过其丰富的外围接口和强大的处理能力，结合AD5764转换模块、MAX3490通信模块、ADUM1401四通道数字隔离器和ULN2801达林顿管驱动器组成的离散量输出等模块，解决了弹载计算机与弹上飞控部件之间复杂的并行数据处理以及多种控制算法实时解算问题，具有体积小、重量轻、精度高、实时性好等特点;经过多次飞行试验表明，该弹载计算机具有较高的可靠性和稳定性，应用前景非常广泛。

弹载计算机； DSP； FPGA

0 引言

精度高、体积小的精确制导武器已经逐渐成为当今世界战争中取得主动权的重要武器，作为精确制导导弹核心部件之一的弹载计算机，其性能将直接决定导弹的稳定性和精确度。弹载计算机不仅需要对弹体的位置和姿态进行控制，还需要和各个分系统进行实时通讯，保证控制系统的控制精度和实时性。目前由于数字信号处理器(DSP)和可编程逻辑门阵列(FPGA)芯片的快速发展，以这两个芯片为核心的弹载计算机是现在计算机研究的主流方向和发展趋势[1]。

本文设计一种基于高性能DSP和FPGA为框架的弹载计算机，解决了弹载计算机与弹上其他设备之间复杂的并行处理以及多种控制算法实时解算问题，该计算机已参与多次导弹闭环飞行试验，试验结果表明，该弹载计算机具有控制精度高、可靠性高、实时性好等优点。

1 弹载计算机系统组成

弹载计算机内部主要由DSP和FPGA来实现控制算法以及与各部件之间的通信，并通过串口通信模块实现对各个部件的控制，弹载计算机系统组成及与各部件之间的连接示意图如图1所示。DSP核心处理模块主要包括DSP、FLASH、SDRAM， FPGA接口模块主要包括多路带FIFO的串行接口、I/O接口以及其它外围电路。弹载计算机系统核心模块DSP和FPGA功能如下：

1)DSP核心处理器模块主要功能：完成控制算法的解算；根据飞行时序的要求，实时输出时序控制指令。

2)FPGA核心处理器模块主要功能：通过D/A转换模块，将模拟信号转换为数字信号发给舵机，控制导弹的姿态；通过离散量输出模块，对多路点火信号进行准确的控制；通过串行通讯模块，实现弹载计算机与其他部件之间的通信，完成与各部件之间的收发功能。

图1 弹载计算机系统组成及与各部件连接示意图

2 主处理器选型

数字信号处理器(DSP)具有哈佛结构、流水线操作、高速硬件乘法器等特点，因此非常适用于高速采集、实时信号处理以及实时控制系统。目前国内主流的弹载计算机常用的芯片是C3X和C2000系列DSP[2]，但由于现在导弹技术不断地升级，对弹载计算机的精度要求不断提升，再综合考虑到控制性能要求、处理速度、硬件资源等要求，我们选用TI公司更高一级的DSP芯片，C6000系列TMS320C6713B型DSP[3]。

TMS320C6713B是一款32位高性能浮点型DSP，最高主频可以达到300 MHz，内置256 KB存储器，具有16通道EDMA协处理器，EMIF总线接口，2个McBSP，支持4路外部中断，还具有BOOT、ENDIAN、HPI等功能配置模式。丰富的内部和外部资源可以很好的提高控制算法的精确度和速度[4]。

FPGA芯片选用Microsemi公司新型的SmartFusion2[5]，该款芯片是一款独特的Flash架构FPGA，这种架构使该款芯片具有无与伦比的安全性、可靠性和低功耗，非常适合用于军事、航天、航空等领域。SmartFusion2这款高性能FPGA，具有从5k到120k LUT(look-up table)的密度范围；多达181个400MHz双端口SRAM；多达185个三端口SRAM以及多达185个快速乘法单元，能很好的满足弹载计算机所需要的通信并行处理需求。

3 系统主要硬件设计

弹载计算机硬件结构如图1所示，除主处理器外还包括EMIF总线模块、D/A输出模块、串行通信模块、离散量输出模块、电源模块、外部存储器模块等。

3.1 EMIF总线模块

本系统设计的外部存储器主要由SDRAM和FLASH组成，通过DSP的EMIF总线实现对两者的管理[6]。

本设计SDRAM数据存储器选用Micron公司生产的MT48LC4M32B2。SDRAM设计在DSP的EMIF接口的CE0空间，地址范围为0x8000 0000～0x80FF FFFF(SDRAM容量为16Mbyte)，SDRAM与DSP的EMIF总线接口连接如图2所示，外部时钟信号经ECLKIN输入后经过锁相环电路PLL会产生EMIF接口的时钟信号ECLKOUT，供SDRAM使用。

图2 SDRAM与DSP的EMIF总线连接示意图

3.2 D/A输出模块

制导系统对导弹方向的精确控制是通过控制舵机的偏转角度实现的，因此弹载计算机需要实时的将控制指令发送给舵机，但是由于弹载计算机输出的控制指令为数字信号，而舵机控制采用的是模拟信号，因此必须采用D/A转换芯片来实现数字信号到模拟信号的转换。

根据系统实际需要，本系统选用AD公司的AD5764芯片，该芯片为完整的4通道、16位、双极性输出型DAC，采用±11.4±16.5 V电源供电，标称满量程输出范围为±10 V，采用的是串行的SPI接口，芯片内部共集成了4路独立的D/A转换电路，对应着4路模拟量输出，内置输出放大器。5 V基准源由REF50提供。D/A原理如图3所示。

图3 D/A输出原理图

3.3 串行通讯接口设计

弹载计算机系统在工作时需要和各个部件实时的进行通信。与发控装置通信完成对导弹的实时控制；与惯导装置通信完成对制导系统的实时解算；与记录装置通信完成对解算数据的实时记录；与数据链通信完成对数据的实时传输；与导引头通信完成对目标的精确制导，因此串行通信接口在弹载计算机系统中非常的重要。

我们利用TMS320C6713B 的EMIF接口可以方便地连接多种扩展器件的特点，将FPGA芯片连接在EMIF接口上完成多串口的扩展。本系统所采用的都是RS422串行通信接口，为了满足设计的需要，我们选用MAX3490芯片完成RS422的电平转换。MAX3490是一款工作在3.3 V电压下，传输速率可达到10 Mbps的RS422发送接收器。串行通信接口电路如图4所示。

图4 RS422串行通信接口电路

3.4 离散量输出模块设计

制导导弹中除了大量的电子装置外，还有必要的火工品装置，为了能在导弹的飞行过程中对火工品点火时序进行准确的控制，在设计此款弹载计算机的时候充分地考虑了点火的需求。

考虑到每路点火信号的安全性和输出稳定性，本设计选用ADUM1401四通道数字隔离器和ULN2801达林顿管驱动器作为点火信号输出的主器件，ADUM1401最大的优点就是具有简单的iCoupler数字接口和稳定的性能特征，可消除光耦合器通常具有的电流传输不确定性、非线性传递函数以及温度和使用寿命影响等问题；ULN2801则非常适用于TTL电平接口和需要较高的电流/电压要求输出的电路。因此选用此两种器件可以有效地将采集到的每一路点火信号进行隔离，同时还可以输出稳定的点火脉冲。离散量输出模块如图5所示。

图5 离散量输出模块原理图

3.5 其他模块设计

其他模块主要包括电源模块、外部存储器模块等。弹载计算机由外部电源板提供±15 V，以及5 V电压。板上设计电源芯片TPS70345，分别为DSP及FPGA供电。外扩FLASH主要完成弹载计算机数据的存储，实现掉电保存功能，芯片采用AMD公司的AM29LV160D，该芯片提供2M*8Bit存储空间，数据访问时间最快达到70 ns，FLASH 存储器设计在 DSP 的 EMIF 接口的 CE1 空间，地址空间为 0x90000000～0x90FFFFFF，满足设计要求。

4 弹载计算机软件设计

系统软件包括DSP软件及FPGA软件[7]。FPGA程序主要完成与各个部件的通信，DSP程序主要完成时序控制、控制率的解算。在主程序工作流程中，弹载计算机以中断方式10ms接收发控装置的指令以及与各个部件之间的通信信息，弹载计算机工作流程如图6所示。

图6 弹载计算机工作流程图

5 试验结果分析

该弹载计算机已经经过多次试验验证，舵机舵1的指令与反馈曲线如图7所示，可以看出弹载计算机输出的舵机指令和舵机自身的反馈基本吻合，舵指令解算误差小于5 mV，满足导弹控制系统控制精度要求。惯导装置和记录装置接收数据结果如图8、图9所示，可以看出弹载计算机与惯导装置和记录装置之间的通信完全正常。

图7 舵机舵1指令与舵反馈曲线

图8 惯导装置数据接收示意图

图9 记录装置数据接收示意图

6 结束语

本文采用DSP+FPGA主协处理器方案设计了一款工程实用的弹载计算机，该计算机结构紧凑、可靠性强、控制精度高，目前已通过多次飞行试验考核，试验结果表明，弹载计算机工作正常、性能稳定，满足导弹控制系统设计要求。

[1] 缑利敏，景德胜,等．基于DSP+FPGA的但在综合控制计算机设计与实现[J]．电子技术，2013(7)：43-45.

[2] 刘军虎，吴学森．基于DSP的新型弹载控制计算机[J]．炸弹与航天与在技术，2002：25-30.

[3] 李方慧，王 飞，何佩琨．TMS320C6000系列原理与应用[M]．北京：电子工业出版社，2005．

[4] 三恒星科技．TMS320C6713DSP原理与应用实例[M]．北京：电子工业出版社，2009．

[5] SmartFusion2 SoC Family Data Sheet[Z]． 2012．

[6] 孟英杰．基于DSP的弹载计算机系统设计[D]．哈尔滨工业大学，2012．

[7] 胡海龙，彭启宗．TMS320C6713基于DSP/BIOS的二级BootLoader开发[J]．现代电子技术,2005：74-76．

Design and Implementation of a New Missile-Borne Computer Based on DSP+FPGA

Hu Bo, Li Yi，Xing Guangyi，Zhang Tuo，Wang Rui

(41st Institute, Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation, Xi’an 710025,China)

Based on the development of a certain type of missile flight test, a new missile-borne computer which has high precision and high universality has been designed. The missile-borne computer with high performance DSP and FPGA as the system framework, through its rich peripheral interface and powerful processing capabilities, combined with the AD5764 conversion module, MAX3490 communication module, the discrete output module with ADUM1401 four channel digital isolator and ULN2801 Darlington tube etc, which solved the problem of the complex parallel date processing between the missile-borne computer and other flight control components, while solved the problem of real-time calculation of a variety of control algorithms, also it has the advantages of small volume, light weight, high precision, good real-time characteristic and so on. The missile-borne computer has passed many flight experiments, the results show that it has high reliability and stability, while the prospect of application is very extensive.

missile-borne computer； DSP； FPGA

2016-11-02；

2016-11-22。

胡 博(1988-)，男，西安人，硕士，工程师，主要从事弹载计算机和弹上软件方向的设计和研究。

1671-4598(2017)04-0110-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.04.031

TP27

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