低成本火箭彈彈載計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)

左清清 梁爭(zhēng)爭(zhēng) 范秀峰西安航空計(jì)算技術(shù)研究所

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低成本火箭彈彈載計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)

左清清 梁爭(zhēng)爭(zhēng) 范秀峰
西安航空計(jì)算技術(shù)研究所

摘要：低成本制導(dǎo)火箭彈是一種對(duì)點(diǎn)目標(biāo)具有較高命中概率的低成本靈巧彈藥，具有較高的作戰(zhàn)效費(fèi)比。彈載計(jì)算機(jī)是火箭彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的核心，本文從彈載計(jì)算機(jī)的運(yùn)算和接口處理要求出發(fā)，充分考慮相關(guān)電路低成本、高可靠性的實(shí)現(xiàn)方法，為火箭彈低成本、制導(dǎo)化的實(shí)施提供參考。

關(guān)鍵字：低成本 火箭彈 彈載計(jì)算機(jī)

隨著低成本微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS ）慣性器件的發(fā)展，全球定位系統(tǒng)（GPS ）成本的逐漸降低，低成本高可靠電動(dòng)舵機(jī)的逐漸成熟，為制導(dǎo)化火箭彈降低成本和提高精度提供了基礎(chǔ)條件。而彈載計(jì)算機(jī)是火箭制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航算法和控制率的核心部件，它需要與制導(dǎo)系統(tǒng)的其它設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交聯(lián)或數(shù)據(jù)傳輸。彈載計(jì)算機(jī)電路設(shè)計(jì)的成本和可靠性對(duì)火箭彈實(shí)現(xiàn)低成本制導(dǎo)化具有很重要的影響。

1　彈載計(jì)算機(jī)的功能

彈載計(jì)算機(jī)是火箭彈實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)化改造的核心部件，它融合導(dǎo)航和飛控功能，主要負(fù)責(zé)慣導(dǎo)系統(tǒng)初始對(duì)準(zhǔn)、誤差補(bǔ)償、導(dǎo)航計(jì)算、飛行控制指令的解算、姿態(tài)與位置控制的解算、制導(dǎo)率的運(yùn)算，并給舵機(jī)發(fā)送執(zhí)行指令。彈載計(jì)算機(jī)的主要功能如下：1）實(shí)現(xiàn)對(duì)彈上設(shè)備的供配電，向慣導(dǎo)、GPS 接收機(jī)、舵機(jī)控制器提供+28V工作電壓，載體與熱電池供電轉(zhuǎn)電切換過(guò)程在彈載計(jì)算機(jī)內(nèi)部完成；2）通過(guò)CAN總線(xiàn)與發(fā)射控制器通訊；3）通過(guò)串口與GPS 接收機(jī)和慣導(dǎo)通訊，接收GPS 接收機(jī)和慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)完成組合導(dǎo)航；4）輸出4路舵機(jī)控制指令，控制舵面偏轉(zhuǎn)；5）對(duì)舵面位置反饋信號(hào)檢測(cè)；6）具有脈沖輸出和檢測(cè)處理接口，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火脈沖檢測(cè)、熱電池激活等功能。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1 核心處理

彈載計(jì)算機(jī)在實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航算法時(shí)需要在短時(shí)間內(nèi)不斷地進(jìn)行慣導(dǎo)解算、誤差補(bǔ)償、信息融合等大量的計(jì)算，同時(shí)又要頻繁地進(jìn)行A/D 采樣、數(shù)字濾波、GPS 數(shù)據(jù)采集、與外部系統(tǒng)的通信、時(shí)序邏輯控制等工作。TMS320C6713是TI 公司，2008. TMS320C6000系列的芯片，性?xún)r(jià)比高，其最高主頻為300MHz ，浮點(diǎn)處理速度可達(dá)1800MFLOPS ，可以滿(mǎn)足速度要求，而其內(nèi)部高達(dá)256kB 的RAM可以滿(mǎn)足存儲(chǔ)導(dǎo)航控制軟件代碼，免于擴(kuò)展外部程序RAM。FPGA 可以實(shí)現(xiàn)接口控制，對(duì)串口數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和預(yù)處理，使DSP 專(zhuān)注于實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航和控制算法，提高工作效率。FPGA 選用Xilinx公司面向大批量、低成本應(yīng)用的SPARTAN-3AN FPGA，它采用片內(nèi)閃存的配置方式，片內(nèi)閃存可以簡(jiǎn)化PCB 設(shè)計(jì)，免除上電限制的顧慮，提高可靠性，節(jié)約成本。

2.2 導(dǎo)航信息輸入和處理

彈載計(jì)算機(jī)與MEMS 慣導(dǎo)和GPS 接收機(jī)通過(guò)異步串口連接，將它們發(fā)出的導(dǎo)航信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的融合，然后對(duì)慣性導(dǎo)航信息（位置、速度、姿態(tài)等）及慣性器件的誤差進(jìn)行重調(diào)和校正，再進(jìn)行制導(dǎo)率結(jié)算，通過(guò)控制舵面對(duì)火箭彈的飛行軌跡進(jìn)行控制。為了降低頻繁串口數(shù)據(jù)對(duì)DSP 程序的影響，需要為串口通信提供較大的FIFO長(zhǎng)度。為了提高可靠性，數(shù)據(jù)幀在通信中應(yīng)增加包頭、包尾，并進(jìn)行校驗(yàn)。彈載計(jì)算機(jī)采用FPGA 實(shí)現(xiàn)串口邏輯，可在資源保證的情況下提供滿(mǎn)足高傳輸效率的FIFO深度，并可進(jìn)行硬件解包，減少DSP 軟件解包、頻繁中斷處理、組包的工作量，提高運(yùn)算效率。

2.3 舵機(jī)控制和反饋

火箭彈舵機(jī)伺服系統(tǒng)是典型的位置隨動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)彈上舵機(jī)控制器輸出的舵面偏角信號(hào)操縱彈體舵面的偏轉(zhuǎn)，依靠彈體飛行過(guò)程中舵面偏轉(zhuǎn)產(chǎn)生的空氣動(dòng)力及氣動(dòng)力矩，穩(wěn)定和控制火箭彈彈體姿態(tài)，直至命中目標(biāo)。彈載計(jì)算機(jī)向舵機(jī)控制器輸出舵面偏轉(zhuǎn)控制信號(hào)，電動(dòng)舵機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)功率放大驅(qū)動(dòng)直流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，保證舵面在規(guī)定時(shí)間內(nèi)以一定精度給定偏角，同時(shí)將舵面偏角反饋信號(hào)送至彈載計(jì)算機(jī)。舵面偏轉(zhuǎn)控制信號(hào)和舵面偏角反饋信號(hào)的信號(hào)特性一般為PWM脈寬可調(diào)制的周期信號(hào)或-10 ～+10V范圍的模擬量。PWM接口是數(shù)字接口，便于實(shí)現(xiàn)隔離傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，與PWM信號(hào)相比，模擬量信號(hào)的處理會(huì)在數(shù)模轉(zhuǎn)換和模數(shù)轉(zhuǎn)換的過(guò)程中引入轉(zhuǎn)換誤差，而且在信號(hào)傳輸中容易受到干擾，影響控制精度。彈載計(jì)算機(jī)PWM控制信號(hào)的產(chǎn)生和PWM反饋信號(hào)的采集可由FPGA實(shí)現(xiàn)。對(duì)于PWM信號(hào)的產(chǎn)生，DSP 只需通過(guò)EMIF總線(xiàn)向FPGA 傳輸脈寬量即可，F(xiàn)PGA收到脈寬量數(shù)據(jù)后啟動(dòng)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生相應(yīng)脈寬、周期固定的PWM信號(hào)。對(duì)于PWM信號(hào)的采集，F(xiàn)PGA 在PWM脈沖的上升沿開(kāi)始計(jì)數(shù)，在下降沿結(jié)束計(jì)數(shù)，同時(shí)將計(jì)數(shù)值進(jìn)行鎖存，供DSP 讀取，單個(gè)PWM信號(hào)周期內(nèi)脈沖寬度計(jì)數(shù)值保持不變。

2.4 發(fā)射控制

發(fā)射控制器的主要功能是作為火控系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)對(duì)火箭彈的發(fā)射流程控制，同時(shí)具有監(jiān)測(cè)火箭彈狀態(tài)的功能。另外，發(fā)射控制器還要把火控計(jì)算機(jī)的命令和參數(shù)發(fā)送給火箭彈，同時(shí)把火箭彈的反饋信息轉(zhuǎn)發(fā)給火控計(jì)算機(jī)，起到通訊轉(zhuǎn)接的作用。發(fā)射控制器是火控系統(tǒng)與多個(gè)火箭彈之間互相通信的紐帶，發(fā)射控制器需要與多個(gè)火箭彈之間建立總線(xiàn)網(wǎng)路。CAN總線(xiàn)是支持分布式控制及實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以支持發(fā)射控制網(wǎng)絡(luò)的低成本、高可靠實(shí)現(xiàn)?；鸺龔椀膹椵d計(jì)算機(jī)只需設(shè)計(jì)CAN總線(xiàn)協(xié)議芯片、光電耦合器和收發(fā)器以及必要的輔助電路即可實(shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，這些元器件成本較低。彈載計(jì)算機(jī)CAN總線(xiàn)通訊的數(shù)據(jù)鏈路層由PHILIPS 公司的SJA1000 實(shí)現(xiàn)，物理層由PCA82C250 實(shí)現(xiàn)。兩個(gè)芯片之間通過(guò)光電耦合器進(jìn)行隔離，可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

2.5 熱電池激活和電壓采集

彈載計(jì)算機(jī)的供電過(guò)程可分為發(fā)射前的地面電源供電階段、發(fā)射前電池激活后的地面電源和熱電池同時(shí)供電階段、發(fā)射后的熱電池供電階段。熱電池激活信號(hào)為28V 大電流脈沖信號(hào)，電流范圍為5 ～8A，脈沖寬度為50ms。脈寬控制由FPGA實(shí)現(xiàn)，這樣可以提高脈寬精度，也可減少軟件參與。驅(qū)動(dòng)電流的產(chǎn)生依靠BTS660P大電流功率開(kāi)關(guān)高端驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)，耐壓為70V ，最大工作電流可達(dá)44A ，可以滿(mǎn)足地面電源過(guò)壓浪涌、電池激活電流的指標(biāo)要求。高端驅(qū)動(dòng)器控制簡(jiǎn)單，輸入低壓小信號(hào)控制大功率信號(hào)，占用體積小，可以很好地簡(jiǎn)化電路。

熱電池電壓監(jiān)測(cè)電路由電壓調(diào)理電路、A/D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字電路隔離電路以及輔助電源產(chǎn)生電路構(gòu)成。電壓調(diào)理電路將0～33V電壓范圍調(diào)理為A/D 轉(zhuǎn)換器可接受的0 ～3.3V 電壓范圍，此電路采用差動(dòng)比例放大電路實(shí)現(xiàn)。在運(yùn)算放大器的反饋電阻兩端并聯(lián)陶瓷電容，形成一階低通濾波器，對(duì)模擬量信號(hào)進(jìn)行濾波，這樣可在考慮節(jié)約成本的同時(shí)提高采集精度。A/D 轉(zhuǎn)換器采用SPI 數(shù)字接口的12位分辨率ADC。S PI 接口信號(hào)數(shù)量少，可以大幅減少隔離器件的使用數(shù)量。很多DSP 都具有McBSP接口或SPI接口，McBSP接口可以方便地配置為SPI接口，可以很簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)與ADC進(jìn)行互連。這種設(shè)計(jì)可以在較小增加軟件復(fù)雜程度的情況下減少元器件使用量，而且可以不會(huì)對(duì)A/D 采集精度帶來(lái)?yè)p失?？紤]熱電池電壓監(jiān)測(cè)的精度要求較低，輔助電源的產(chǎn)生由5V數(shù)字電源通過(guò)低價(jià)格小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器獲得，經(jīng)過(guò)隔離的5V電源通過(guò)LDO電源變換器LM3940 轉(zhuǎn)換為運(yùn)算放大器和ADC所需的3.3V模擬電源，通過(guò)參考電源芯片LT1461轉(zhuǎn)為3.3V參考電壓提供給ADC。

3　結(jié)束語(yǔ)

彈載計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)以DSP 作為運(yùn)算處理核心，以FPGA 作為接口處理核心，在外部信號(hào)輸入輸出處理時(shí)充分考慮低成本和高可靠設(shè)計(jì)，可以滿(mǎn)足低成本制導(dǎo)控制火箭彈的總體要求。在工程實(shí)施中，還要根據(jù)不同特性信號(hào)的傳輸路徑合理規(guī)劃模塊組成和模塊間互聯(lián)接口，避免數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬信號(hào)的干擾；考慮電源和信號(hào)的濾波方式，以高性?xún)r(jià)比提高A/D 采集精度；采用層疊結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化組裝方式，減少機(jī)箱接線(xiàn)焊接工序，提高生產(chǎn)效率；考慮可測(cè)試性設(shè)計(jì)，合理增加BIT電路。

參考文獻(xiàn)

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