基于DSP的某導(dǎo)航計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì)

摘要：隨著現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，慣性導(dǎo)航作為一種自主導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于多種武器系統(tǒng)中，而導(dǎo)航計(jì)算機(jī)又是捷聯(lián)式慣導(dǎo)的核心部件。文章提出了一種采用基于DSP的某型導(dǎo)航計(jì)算機(jī)模塊的解決方案，設(shè)計(jì)方案采用雙處理器TMS320C6713，對(duì)數(shù)字電路接口實(shí)現(xiàn)了光電隔離，采用 FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)多路信號(hào)的核心處理，并具有CAN總線通信接口。本文對(duì)計(jì)算機(jī)單元的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了較為詳盡的描述。該計(jì)算機(jī)單元滿足了某型武器慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的使用需求。

引言

隨著現(xiàn)代武器技術(shù)的發(fā)展，作為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)控制核心的計(jì)算機(jī)單元，其一體化和集成度越來越高、接口越來越豐富。本文以某型導(dǎo)航計(jì)算機(jī)模塊的需求作為背景，介紹了一種基于雙DSP(TMS320C6713)和FPGA的計(jì)算機(jī)模塊的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方案，較好得滿足了導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的各控制需求，同時(shí)具有小型化和一體化的特點(diǎn)。

1 總體設(shè)計(jì)

導(dǎo)航計(jì)算機(jī)板由兩個(gè)DSP構(gòu)成，主要功能是定時(shí)采集三路陀螺正交編碼信號(hào)、三路加速度計(jì)的輸入和里程計(jì)輸入信號(hào)，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航解算;同時(shí)將采集數(shù)據(jù)通過RS422總線和CAN總線發(fā)送給地面監(jiān)測設(shè)備;通過RS422總線接收相關(guān)的命令和相關(guān)的參數(shù)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示。

計(jì)算機(jī)單元各控制接口豐富，其主要功能模塊包括：處理器相關(guān)電路、正負(fù)脈沖信號(hào)處理電路、正交方波信號(hào)處理電路、異步串行接口電路、AD測溫電路、CAN總線接口電路、開關(guān)量輸入輸出電路、模擬量輸入電路、電源轉(zhuǎn)換電路和FPGA等。

2 詳細(xì)設(shè)計(jì)

由于計(jì)算機(jī)單元接口眾多，在詳細(xì)設(shè)計(jì)中僅對(duì)主要的以下電路作出介紹：處理器相關(guān)電路、正負(fù)脈沖信號(hào)處理電路、正交方波信號(hào)處理電路、AD測溫電路和CAN總線接口電路。

2. 1 處理器及其外圍電路

處理器及其外圍電路包括雙TMS320C6713處理器、時(shí)鐘電路、JTAG驅(qū)動(dòng)電路、復(fù)位電路、存儲(chǔ)器電路。

雙DSP各自具有不同的控制功能分工，兩者均通過各自的EMIF局部總線和FPGA通信，訪問和控制FPGA中不同的控制功能模塊，兩者之間可以通過雙端口RAM存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)互相通信。

處理器最高工作頻率200MHz，最大處理能力1200MFLOPS，通過EMIF局部總線實(shí)現(xiàn)對(duì)SDRAM和FLASH存儲(chǔ)器的無縫接口，單片支持4路外部中斷，片內(nèi)兩路32位定時(shí)器。

2.2 正負(fù)脈沖信號(hào)處理電路

信號(hào)形式為正交方波信號(hào)(需隔離、整形)，5V TTL信號(hào)，正交方波信號(hào)先經(jīng)過RC濾波電路和保護(hù)二極管，然后經(jīng)過光隔進(jìn)入FPGA。

5路正負(fù)脈沖信號(hào)輸入為可逆脈沖，頻率最高256KHz，每個(gè)通道加速度計(jì)輸入包括3路信號(hào)，分另0是G+(H+、I+、E+、F+)、G-(H-、 I-、E-、F-)、GND(公共地)，G+信號(hào)上有脈沖時(shí)計(jì)數(shù)值增加，G-信號(hào)上有脈沖時(shí)計(jì)數(shù)值減少，上電默認(rèn)值為滿量程的中間值，當(dāng)采樣時(shí)鐘中斷產(chǎn)生時(shí)，將計(jì)數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)5路信號(hào)分別采用32位同步可逆計(jì)數(shù)單元來實(shí)現(xiàn)，正負(fù)脈沖和鎖存信號(hào)均經(jīng)同步處理，同步時(shí)鐘為DSP1的系統(tǒng)時(shí)鐘，鎖存信號(hào)為經(jīng)分頻后的采樣時(shí)鐘S_CK。32位同步可逆計(jì)數(shù)單元結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。讀一次鎖存器內(nèi)的32位計(jì)數(shù)值需進(jìn)行兩次讀操作，分別讀出低16位和高 16位數(shù)值，然后整合。

2.3 正交方波信號(hào)處理電路

3對(duì)正交方波信號(hào)由3個(gè)通道輸入，每個(gè)通道包括A+A-、B+B-、C+C-信號(hào)和各自獨(dú)立地線。信號(hào)形式為正交方波信號(hào)(需隔離、整形)，5V TTL。

當(dāng)A+相超前A-相90度時(shí)計(jì)數(shù)值增加，當(dāng)A+相落后A-相90度時(shí)計(jì)數(shù)值減少，頻率最高1MHz。信號(hào)進(jìn)入FPGA后首先進(jìn)行數(shù)字濾波處理，濾波后的信號(hào)再進(jìn)行鑒相，產(chǎn)生四倍頻的可逆脈沖信號(hào)，然后對(duì)可逆脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)同步方波中斷產(chǎn)生時(shí)，將計(jì)數(shù)結(jié)果存入鎖存器內(nèi)。信號(hào)在濾波后鑒相，得到可逆脈沖后進(jìn)入32位同步可逆計(jì)數(shù)單元(圖2)，此時(shí)的同步時(shí)鐘為DSP1系統(tǒng)時(shí)鐘，鎖存信號(hào)為同步方波中斷。正交方波計(jì)數(shù)電路原理如圖3。

信號(hào)進(jìn)入FPGA后經(jīng)過一個(gè)4位延遲數(shù)字濾波器，數(shù)字濾波器參考了積分解碼器/計(jì)數(shù)器芯片HCTL2000的設(shè)計(jì)，原理如圖4所示。根據(jù)原理圖，數(shù)字濾波器的輸入信號(hào)必須在三個(gè)連續(xù)的時(shí)鐘上升沿保持同一電平，才能夠通過4位延遲移位寄存器，因此小于兩個(gè)時(shí)鐘周期的噪聲脈沖都被抑制掉。

每路正交方波的兩個(gè)信號(hào)經(jīng)過數(shù)字濾波器輸出后，進(jìn)入鑒相電路，經(jīng)過處理后，變?yōu)樗谋额l的可逆脈沖信號(hào)，鑒相電路原理見圖5所示。以X正交輸入為例，兩路輸入信號(hào)A、B分別經(jīng)過兩級(jí)移位寄存器，A經(jīng)過第二級(jí)的輸出信號(hào)命名為C，B輸出信號(hào)分別是D，最后輸出分別得到正、負(fù)通道信號(hào)+x和-X，(AD)(not(BC))，-X=(BC)(not(AD))。這種鑒相電路具有較強(qiáng)的抗干擾能力，即使A或B輸入上有噪聲信號(hào)通過前面的濾波電路，也會(huì)在+X和-X上產(chǎn)生對(duì)稱的脈沖而互相抵消掉，最后信號(hào)輸入至32位同步可逆計(jì)數(shù)單元(圖2)。

2.4 AD測溫電路

測溫信號(hào)包括3路測溫電阻輸入。設(shè)計(jì)中，測溫電阻、恒流源與3個(gè)高精度電阻組成電橋，如圖6所示，電橋兩臂中點(diǎn)分別接入運(yùn)算放大器，壓差信號(hào)經(jīng)同向比例放大后由AD轉(zhuǎn)換芯片采集溫度測試結(jié)果。調(diào)理放大后的電壓信號(hào)由AD轉(zhuǎn)換芯片采樣后輸入DSP1，AD轉(zhuǎn)換芯片采用串行接口(SPI)芯片，與DSP1的 McBSP0接口連接。

2.5 CAN總線接口電路

CAN總線接口電路包括CAN協(xié)議芯片和總線收發(fā)器，工作時(shí)鐘16MHz，協(xié)議芯片與收發(fā)器之間采用光隔進(jìn)行隔離。CAN協(xié)議芯片使用AD總線，需要 FPGA將DSP的地址數(shù)據(jù)總線與AD總線進(jìn)行轉(zhuǎn)換。因?yàn)楦綦x的需要，CAN總線電路需要一路隔離5V電源為收發(fā)器和光耦提供電源。CAN總線電路如圖7 所示。

3 結(jié)束語

本文介紹了一種導(dǎo)航計(jì)算機(jī)模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，此設(shè)計(jì)方法具有集成一體化、處理能力強(qiáng)和接口豐富的特點(diǎn)，并且設(shè)計(jì)中使用了雙DSP結(jié)合FPGA的架構(gòu)。所有控制通信接口實(shí)現(xiàn)光電隔離，對(duì)核心計(jì)數(shù)信號(hào)均有濾波整形處理，并配有AD測溫電路。本文對(duì)導(dǎo)航計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。