基于DSP的新型彈載控制計算機

前言

隨著航天技術的發(fā)展，新型航天飛行器不斷涌現(xiàn)，各種用途的 導彈正不斷地走向高精度和小型化的道路。高精度要求航天飛行器和導彈的制導控 制精度高、穩(wěn)定性好，能夠適應復雜的外界環(huán)境。因此控制算法比較復雜、計算速度快、精 度高。小型化則要求航天飛行器和導彈的體積小、機動性好，在同等有效載荷的情況下，對 控制系統(tǒng)的重量和體積提出了更高的要求，要求控制計算機的性能越高越好，體積越小越好。性能指標和體積限制迫切需要研制新型的彈載控制計算機。 隨著數(shù)字信號處理器(DSP)性能的迅速提高和成本價格的下 降，DSP的應用范圍不斷擴大，開始在通用數(shù)字信號處理、通訊、語音處理、圖像處理、自動控制和儀表儀器及 軍事與尖端科技等方面，以其強大的指令系統(tǒng)及接口功能顯示出功能強、速度快、編程和開發(fā)方便等特點。利用DSP的性能，解決了高速與微型的矛盾，成功研制出了集 高速度、高精度和小型化于一體的基于DSP的新型彈載控制計算機，并通過了地面的性能測 試。

常用的彈載控制計算機的特點

彈載計算機要求具有實時性、可靠性、嵌入性等特點。實時性要求對輸入的信 息數(shù)據(jù)以最快 的速度處理，以最短的時間延遲輸出控制指令去控制導彈的飛行?？煽啃砸竽軌蛟趷毫拥沫h(huán)境條件下使用，抗干擾能力強，要有寬工作溫度范圍、抗振動和沖擊、耐潮濕、抗電磁干 擾等特點。嵌入性要求最輕最小的體積重量。但這些條件很難同時滿足，系統(tǒng)設計時，需要綜合考慮。

基于PC機和基于單片機是常用的兩種彈載控制計算機

基于PC機的彈載控制計算機是以Intel 80×86為CPU，外圍加上相應的協(xié)處理器、內(nèi)存、硬 盤 、接口電路（包括A/D和D/A、串行通訊等）等組成。和普通的商用計算機比較類似，采用高級語音設計，編程比較容易，研制的廠家多，技術也比較成熟；32位字長，有協(xié)處理器配合可以作較高精度的浮點運算，主頻15～66 MHz，甚至更高，整體速度快，相當于286～486的性能；尋址能力強，可以訪問到外部M bit～G bit的空間，能夠 進行實時的高精度和高速度計算。但接口能力差，需要較多的外圍接口器件配合，體積大，不易實現(xiàn)小型化。

基于單片機的彈載控制計算機主要由以Intel 8031為核心的51系列單片機或96系列單片機組 成中央處理器，外圍配以少量的接口器件組成。其接口能力強、I/O管腳多、可直接驅(qū)動邏輯電路，功耗大、體積小，可將RAM、ROM、CPU集成在單片上，有的可同 時集成晶振和看門狗WTD電路，減少了系統(tǒng)的復雜程度、方便了使用、提高了可靠性，嵌入性能很好。但其整體計算性能差，這種計算機一般是8位、準16位或16位，沒 有浮點運算指令，無法進行復雜的計算，計算精度差；晶振常為1～16 MHz，尋址能力有限， 通常只有幾十千字節(jié)至幾百千字節(jié)的能力，無法完成實時計算與高精度的控制任務，一般多 用于簡易控制系統(tǒng)中。

DSP同時具備了這兩者的優(yōu)點，可以滿足高性能和小型化的要求。

DSP的發(fā)展現(xiàn)狀

半導體技術同IT技術一樣也在不斷地發(fā)展。世界上第1個單片DSP是AM I公 司在1978年發(fā)布的，定點位數(shù)12/16，一次乘法和加法的時間(MAC)為300 ns。在那以后， 世界上有許多著名的半導體廠家陸續(xù)推出了自己的DSP，從定點到浮點，生產(chǎn)工藝不斷改善 ，硬件資源越來越豐富，運算速度越來越快，性能越來越高，功耗、體積也越來越小。以美國德州儀器公司（TI公司）生產(chǎn)的DSP為例，1982年推出了第1代的定點DSP，到1997年推出 的C 6X浮點DSP以及多處理器芯片TMS320C8X，后者集成了5個高性能的DSP，可以并行運算，實時處理能力達每秒20億次操作，精度達到了64位。就其1989年推出的第1代浮點DSP而言，MAC 已達60 ns，浮點位數(shù)已達40位；具有指令功能強，指令集有113條指令，大部分指令是單周期的，采用流水線操作，支持32位浮點乘法和并行指令；有5類尋址方式，這些類中又 可采用6種尋址類型；16 Mbit可尋址范圍。計算速度和精度已達到甚至 超過了PC機的CPU；體積小，具有豐富的硬件資源和靈活方便的接口，使得D SP 在要求高性能和小型化的導彈控制上具有良好的應用條件和前景。 研制基于DSP的新一代彈載控制計算機，雖然有卓越的性能和微小的體積作保證， 但關鍵在于控制系統(tǒng)整體方案設計。

基于DSP新型彈載控制計算機的方案設計

在整體方案設計之前，要對導彈的任務和實現(xiàn)的目標作需求分析。根據(jù) 導彈總體的要求和控 制對象的復雜程度，選擇控制周期；按照控制周期內(nèi)控制計算量來確定彈上計算的類型和運算速度，并結合外部單元確定接口方案，以及對抗干擾因素的考慮，可確定整體的通訊協(xié)議 和接口形式。

1 控制系統(tǒng)整體組成框圖

在導彈的飛行過程中，為了精確地命中目標，需要對其飛行姿態(tài)進行控制，引導導彈準確飛 向目標。為了進行姿態(tài)控制，通常需要獲得彈體飛行姿態(tài)的實時參數(shù)，以及目標和導彈的相對位置關系。有了這些信息參數(shù)，經(jīng)過控制計算機的控制算法計算，實時輸出控制量到執(zhí)行 機構，從而實現(xiàn)對導彈的控制，其構成示意圖見圖1。