基于DSP新型弹载控制计算机的方案设计

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。
　　2 控制系统整体方案设计原则和设计思路
　　由图1的接口组成可看出信息数据的流向。接口设计是一个重 要的环节，其设计质量将直接影响系统的性能。为了减轻计算机的负担，外部的输入信号 用中断方式读入，信号输入输出时要考虑抗干扰性。所设计的整体方案要易于实现，对不同 型号的导弹要有一定的适应性，对于要求相近的型号，应该以修改控制软件为主，以少改动或不改动硬件设计为好。这些要求都要在方案设计的各个环节中考虑。