資料介紹
隨著航天技術的發展,新型航天飛行器不斷涌現,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、穩定性好,能夠適應復雜的外界環境。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及接口功能顯示出功能強、速度快、編程和開發方便等特點。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 息數據以最快 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。可靠性要求能夠在惡劣的環境條件下使用,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,外圍加上相應的協處理器、內存、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至幾百千字節的能力,無法完成實時計算與高精度的控制任務,一般多 用于簡易控制系統中。
DSP同時具備了這兩者的優點,可以滿足高性能和小型化的要求。
DSP的發展現狀
半導體技術同IT技術一樣也在不斷地發展。世界上第1個單片DSP是AM I公 司在1978年發布的,定點位數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推出了自己的DSP,從定點到浮點,生產工藝不斷改善 ,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的目標作需求分析。根據 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議 和接口形式。
1 控制系統整體組成框圖
![基于DSP新型彈載控制計算機的方案設計](/uploads/allimg/171106/2362486-1G106142355508.png)
在導彈的飛行過程中,為了精確地命中目標,需要對其飛行姿態進行控制,引導導彈準確飛 向目標。為了進行姿態控制,通常需要獲得彈體飛行姿態的實時參數,以及目標和導彈的相對位置關系。有了這些信息參數,經過控制計算機的控制算法計算,實時輸出控制量到執行 機構,從而實現對導彈的控制,其構成示意圖見圖1。
2 控制系統整體方案設計原則和設計思路
由圖1的接口組成可看出信息數據的流向。接口設計是一個重 要的環節,其設計質量將直接影響系統的性能。為了減輕計算機的負擔,外部的輸入信號 用中斷方式讀入,信號輸入輸出時要考慮抗干擾性。所設計的整體方案要易于實現,對不同 型號的導彈要有一定的適應性,對于要求相近的型號,應該以修改控制軟件為主,以少改動或不改動硬件設計為好。這些要求都要在方案設計的各個環節中考慮。
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 息數據以最快 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。可靠性要求能夠在惡劣的環境條件下使用,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,外圍加上相應的協處理器、內存、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至幾百千字節的能力,無法完成實時計算與高精度的控制任務,一般多 用于簡易控制系統中。
DSP同時具備了這兩者的優點,可以滿足高性能和小型化的要求。
DSP的發展現狀
半導體技術同IT技術一樣也在不斷地發展。世界上第1個單片DSP是AM I公 司在1978年發布的,定點位數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推出了自己的DSP,從定點到浮點,生產工藝不斷改善 ,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的目標作需求分析。根據 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議 和接口形式。
1 控制系統整體組成框圖
![基于DSP新型彈載控制計算機的方案設計](/uploads/allimg/171106/2362486-1G106142355508.png)
在導彈的飛行過程中,為了精確地命中目標,需要對其飛行姿態進行控制,引導導彈準確飛 向目標。為了進行姿態控制,通常需要獲得彈體飛行姿態的實時參數,以及目標和導彈的相對位置關系。有了這些信息參數,經過控制計算機的控制算法計算,實時輸出控制量到執行 機構,從而實現對導彈的控制,其構成示意圖見圖1。
2 控制系統整體方案設計原則和設計思路
由圖1的接口組成可看出信息數據的流向。接口設計是一個重 要的環節,其設計質量將直接影響系統的性能。為了減輕計算機的負擔,外部的輸入信號 用中斷方式讀入,信號輸入輸出時要考慮抗干擾性。所設計的整體方案要易于實現,對不同 型號的導彈要有一定的適應性,對于要求相近的型號,應該以修改控制軟件為主,以少改動或不改動硬件設計為好。這些要求都要在方案設計的各個環節中考慮。
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