摘要：彈載計(jì)算機(jī)是導(dǎo)彈控制的核心部件,。為滿足彈載計(jì)算機(jī)對重量、功耗和可靠性等方面的要求,，提出了一種采用SoC芯片HKS6713作為處理器的彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法,。從硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行了說明，并對研制過程中程序分區(qū)設(shè)計(jì),、A/D采集結(jié)果修正和隔離保護(hù)等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述,。該計(jì)算機(jī)具有體積小、功耗低,、功能豐富和應(yīng)用簡便等特點(diǎn),，對同類彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)具有一定參考價值。文中設(shè)計(jì)的彈載計(jì)算機(jī)已經(jīng)經(jīng)過各種試驗(yàn),，并在系統(tǒng)中進(jìn)行了全面測試,，達(dá)到了系統(tǒng)要求的性能，證明此設(shè)計(jì)切實(shí)可行。

　　關(guān)鍵詞：彈載計(jì)算機(jī),；SoC,；HKS6713

0引言

　　SoC（System on Chip）是以嵌入式系統(tǒng)為核心，追求產(chǎn)品系統(tǒng)最大包容的集成芯片,。SoC固有的單芯片特征可極大提高系統(tǒng)性能,，降低系統(tǒng)成本、功耗以及重量和尺寸,，隨著電子技術(shù)的發(fā)展,，SoC芯片被廣泛應(yīng)用在嵌入式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)之中。

　　彈載計(jì)算機(jī)［1,，2］是導(dǎo)彈的核心部件,，決定著導(dǎo)彈攻擊任務(wù)的成敗。系統(tǒng)要求某型彈載計(jì)算機(jī)具備與火控系統(tǒng)配合完成發(fā)射流程控制,、采集慣性組合及舵機(jī)和導(dǎo)引頭等部件信息進(jìn)行制導(dǎo)律計(jì)算和對舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行閉環(huán)控制等功能,。對外交聯(lián)接口類型包括GJB289A總線,、RS422總線,、離散量輸入輸出和模擬量輸入輸出等,。針對對外交聯(lián)接口種類多,、模擬量采集精度要求高和強(qiáng)實(shí)時性等特點(diǎn),，本文介紹了一種以國產(chǎn)SoC芯片HKS6713為處理核心的彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)方法,，并對設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)解決方法進(jìn)行了重點(diǎn)闡述,。

1系統(tǒng)架構(gòu)

　　彈載計(jì)算機(jī)由硬件和軟件兩部分組成。其中硬件包括處理器模塊、離散量模塊,、模擬量模塊和電源模塊等4部分,。處理器模塊用于實(shí)現(xiàn)控制律計(jì)算、RS422異步串行接口通信,、GJB289A總線接口通信等功能,，采用SoC芯片+CPLD設(shè)計(jì),；離散量模塊用于實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)斗部類型識別信號,、開艙信號和供電指令等信號的采集,；模擬量模塊用于實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)鎖存、D/A轉(zhuǎn)換等功能,；電源模塊為任務(wù)計(jì)算機(jī)其他模塊和外部舵機(jī)伺服供電,。軟件包括初始化,、模擬量輸入采集和輸出控制,、離散量輸入采集和輸出控制、GJB289A總線收發(fā)控制和RS422總線收發(fā)控制等,。彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)組成見圖1。

2硬件設(shè)計(jì)

　　2.1處理器模塊設(shè)計(jì)

　　處理器模塊用于進(jìn)行制導(dǎo)律計(jì)算，實(shí)現(xiàn)GJB289A總線和RS422異步串行總線等功能,，包括SoC芯片HKS6713處理器及其外圍電路、電源轉(zhuǎn)換電路,、復(fù)位電路,、存儲器電路,、RS232和RS422異步串行接口電路,、GJB289A總線接口電路和板間互連總線接口等,。

　　HKS6713是集成了DSP內(nèi)核［3］,、GJB289A協(xié)議處理器、429總線控制器,、CAN總線控制器,、多路UART控制圖1彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)架構(gòu)

　　器、64 KB雙口存儲器,、多路中斷控制,、舵機(jī)計(jì)數(shù)器,、加速度計(jì)數(shù)器,、里程計(jì)數(shù)器,、開關(guān)量輸入輸出和ADC采集等功能的大規(guī)模SoC芯片,，封裝形式為CBGA601,，工作溫度為-55℃~+125℃。處理器模塊使用了HKS6713芯片的DSP內(nèi)核,、GJB289A協(xié)議處理器,、雙口RAM以及多路UART控制器等功能,。HKS6713的內(nèi)核與TI公司TMS320C6713兼容，包含程序存儲器,、數(shù)據(jù)存儲器,、直接存儲器訪問（DMA）,、POWER-DOWN邏輯、外部的圖2HKS6713功能結(jié)構(gòu)圖存儲器接口（EMIF）,、MCBSP、MCASP,、主機(jī)接口,、GPIO和TIMER等功能,，系統(tǒng)輸入時鐘頻率為40 MHz,，在C6713的內(nèi)部,經(jīng)倍頻后工作時鐘最高頻率為200 MHz,。片內(nèi)帶有256 KB存儲器,，可作為程序和數(shù)據(jù)存儲器使用，其中64 KB可作為高速CACHE使用,，這種結(jié)構(gòu)使得用戶程序和數(shù)據(jù)的容量小于256 KB時,，處理器無須頻繁訪問外部存儲器,，能夠提高系統(tǒng)處理速度,。HKS6713功能結(jié)構(gòu)圖見圖2。

　　設(shè)計(jì)中,，為SoC芯片配置了外部的Flash和SDRAM存儲器,，SoC芯片DSP內(nèi)核與外部存儲器通過EMIF總線直接連接， EMIF總線直接支持非同步存儲器,、SBSRAM和SDRAM等存儲器類型無需外部專用控制器，通過配置EMIF寄存器即可實(shí)現(xiàn)對這些存儲器的支持,。DSP內(nèi)核有多個外部存儲器空間［4］,，每個空間均可獨(dú)立配置，可支持不同類型存儲器,，并可通過寄存器設(shè)置讀寫信號的建立,、選通、保持時間,，以適應(yīng)各種速度的存儲器,。本設(shè)計(jì)中為SoC芯片配置了16 MB Flash芯片作為非易失存儲器,，用以存儲程序及下電后需要保留的數(shù)據(jù)信息,，SoC芯片外部地址空間最多只能直接訪問2 MB,，因此采用GPIO信號作為Flash芯片的高位地址線,，將Flash空間劃分為8個頁面,，程序區(qū)與數(shù)據(jù)區(qū)存放在不同頁面以提高存儲安全性,。考慮到DSP內(nèi)核內(nèi)部RAM空間較?。?56 KB）,，有一部分還有可能需要劃分為CACHE使用,，為SoC芯片配置了16 MB SDRAM,。

　　處理器模塊使用SoC芯片HKS6713大大簡化了電路的設(shè)計(jì),，僅需在HKS6713芯片外圍增加相應(yīng)的收發(fā)器、變壓器等芯片,，即可完成GJB289A總線,、RS422總線接口的設(shè)計(jì),；通過EMIF總線與SDRAM存儲器、Flash存儲器完成數(shù)據(jù)交互功能,。

　　2.2離散量模塊設(shè)計(jì)

　　離散量模塊包括離散量輸入和離散量輸出兩部分,，選用CPLD芯片作為模塊的控制器，負(fù)責(zé)與處理器模塊間的互聯(lián)控制,，讀取輸入離散量的狀態(tài),，確定輸出離散量的狀態(tài)。

　　為了防止與其他交聯(lián)設(shè)備接口之間相互影響［5］,，彈載計(jì)算機(jī)對離散量輸入輸出電路,、RS422串口電路采取了隔離保護(hù)設(shè)計(jì)。離散量輸入輸出電路的信號屬于28 V電源系統(tǒng),，采用光耦隔離,；RS422總線收發(fā)節(jié)點(diǎn)間對共模電壓有限制要求,，需要進(jìn)行共地處理，設(shè)計(jì)時采用五線制,，使用隔離型DC/DC電源轉(zhuǎn)換芯片輸出為總線電平轉(zhuǎn)換器供電,，總線電平轉(zhuǎn)換器與RS422總線上的其他節(jié)點(diǎn)共地，總線收發(fā)器與協(xié)議控制之間使用光耦進(jìn)行隔離,，隔離總線通路對外部的干擾,。RS422串口保護(hù)電路設(shè)計(jì)見圖3。

　　2.3模擬量模塊設(shè)計(jì)

　　模擬量模塊在處理器模塊控制下,，采集來自舵機(jī)系統(tǒng)和壓力傳感器等的模擬量信號,，輸出模擬量控制舵機(jī)舵面［6］。本設(shè)計(jì)中選用的A/D轉(zhuǎn)換器使用簡單,、可靠性高，但存在滿量程誤差較大（典型值±0.38%）的缺點(diǎn),。為了提高A/D轉(zhuǎn)換精度,，確保系統(tǒng)性能，采用軟件方法對A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行修正,。

　　A/D轉(zhuǎn)換芯片輸入與輸出的理想狀態(tài)轉(zhuǎn)換斜率為1,，如圖4實(shí)線所示，但由于增益誤差和偏移誤差的客觀存在,，輸入輸出實(shí)際轉(zhuǎn)換斜率與1存在偏差,，如圖4中虛線所示。圖4中斜率k可通過實(shí)際測量的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果計(jì)算獲得,，如式（1）：

　　k=(y1-y2)/20（1）

　　圖4A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果修正原理示意調(diào)整后的結(jié)果由式（2）計(jì)算得到：

　　Ua=(Uts/k)-y0（2）

　　其中Ua為調(diào)整后的結(jié)果,，Uts為實(shí)際測量的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果，k為A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果斜率,，y0為輸入為0時的誤差,，即轉(zhuǎn)換偏移。

　　因A/D芯片中各轉(zhuǎn)換通路相互獨(dú)立,，因此轉(zhuǎn)換斜率k值不相同,，設(shè)計(jì)中將每一路的k值計(jì)算出后保存到Flash存儲器中的指定位置，采集模擬量時由軟件調(diào)用該路對應(yīng)的轉(zhuǎn)換斜率和偏移誤差y0,，得到修正后的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果,。經(jīng)實(shí)測，修正后A/D采集誤差范圍由-50 mV~+50 mV縮小到-10 mV~+10 mV,，精度得到大幅提高,，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3軟件設(shè)計(jì)

　　彈載計(jì)算機(jī)的軟件用于實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的控制和自身的測試等功能［7］,。包括采集載機(jī)火控系統(tǒng),、慣性組件,、舵機(jī)和導(dǎo)引頭的信息，進(jìn)行制導(dǎo)率結(jié)算,，發(fā)出控制信息,，完成對導(dǎo)彈飛行姿態(tài)的控制等。設(shè)計(jì)中針對應(yīng)用程序代碼量大的特點(diǎn),，將應(yīng)用程序代碼分為兩類：一類是非時間關(guān)鍵代碼,，如地面測試、流程控制等函數(shù)代碼,，上電后搬移至SDRAM存儲器中執(zhí)行,；另一類是時間關(guān)鍵代碼，如飛行控制周期任務(wù)等函數(shù),，上電后搬移至內(nèi)部SRAM存儲器中執(zhí)行,。解決了代碼全部搬至內(nèi)部SRAM存儲器中空間不足的問題和全搬至外部SDRAM存儲器中速度不滿足控制周期要求的問題。

4總結(jié)

　　本文介紹了一種采用SoC芯片HKS6713作為處理器的彈載計(jì)算機(jī),，發(fā)揮了國產(chǎn)SoC芯片HKS6713功耗低,、接口豐富和可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，滿足了彈載計(jì)算機(jī)在性能,、體積和處理性能等方面的要求,，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)難度。根據(jù)該設(shè)計(jì)方案生產(chǎn)的彈載計(jì)算機(jī)已經(jīng)隨系統(tǒng)進(jìn)行了各種試驗(yàn),，試驗(yàn)證明,，彈載計(jì)算機(jī)能夠有效完成彈上采集、控制的計(jì)算任務(wù),。目前,，彈載控制系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，文中設(shè)計(jì)的彈載計(jì)算機(jī)具有很高的通用性,，能夠以很低的成本移植到其他類似的彈載控制系統(tǒng)中,。

參考文獻(xiàn)

　　［1］ 李方慧,，王飛,，何佩琨. TMS320C6000系列DSP原理與應(yīng)用［M］. 北京：電子工業(yè)出版社，2005.

　?。?］ 梁曉庚,王伯榮,余志峰,等.空空導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京:國防工業(yè)出版社,2006.

　?。?］ 左清清，梁爭爭,，范秀峰. 低成本火箭彈彈載計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)［J］. 電子技術(shù),，2015，44（1）：5759.

　　［4］ 許少尉,，劉碩,，景德勝. 基于TMS320C6713B的遠(yuǎn)程軟件加載設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 航空計(jì)算技術(shù)，2013,，43（4）：122123.

　?。?］ 譚志宏，景德勝,，緱麗敏. 基于DSP的高速AD采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］. 電子技術(shù),，2014，42（4）：4144.

　?。?］ 于劍超,于相斌,李清亮,等.基于嵌入式計(jì)算機(jī)的大氣數(shù)據(jù)計(jì)算機(jī)檢查儀的設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(17):9294.

　?。?］ 林盈盈,高紅,張明珊,等.嵌入式二維碼數(shù)據(jù)無線多點(diǎn)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33(21):4850,53.