低成本火箭弹弹载计算机的设计

左清清 梁争争 范秀峰西安航空计算技术研究所



低成本火箭弹弹载计算机的设计

左清清 梁争争 范秀峰
西安航空计算技术研究所

摘要：低成本制导火箭弹是一种对点目标具有较高命中概率的低成本灵巧弹药，具有较高的作战效费比。弹载计算机是火箭弹制导控制系统的核心，本文从弹载计算机的运算和接口处理要求出发，充分考虑相关电路低成本、高可靠性的实现方法，为火箭弹低成本、制导化的实施提供参考。

关键字：低成本 火箭弹 弹载计算机

随着低成本微机电系统（MEMS ）惯性器件的发展，全球定位系统（GPS ）成本的逐渐降低，低成本高可靠电动舵机的逐渐成熟，为制导化火箭弹降低成本和提高精度提供了基础条件。而弹载计算机是火箭制系统实现导航算法和控制率的核心部件，它需要与制导系统的其它设备进行信号交联或数据传输。弹载计算机电路设计的成本和可靠性对火箭弹实现低成本制导化具有很重要的影响。

1　弹载计算机的功能

弹载计算机是火箭弹实现制导化改造的核心部件，它融合导航和飞控功能，主要负责惯导系统初始对准、误差补偿、导航计算、飞行控制指令的解算、姿态与位置控制的解算、制导率的运算，并给舵机发送执行指令。弹载计算机的主要功能如下：1）实现对弹上设备的供配电，向惯导、GPS 接收机、舵机控制器提供+28V工作电压，载体与热电池供电转电切换过程在弹载计算机内部完成；2）通过CAN总线与发射控制器通讯；3）通过串口与GPS 接收机和惯导通讯，接收GPS 接收机和惯导的数据完成组合导航；4）输出4路舵机控制指令，控制舵面偏转；5）对舵面位置反馈信号检测；6）具有脉冲输出和检测处理接口，实现点火脉冲检测、热电池激活等功能。

2　硬件设计

2.1 核心处理

弹载计算机在实现组合导航算法时需要在短时间内不断地进行惯导解算、误差补偿、信息融合等大量的计算，同时又要频繁地进行A/D 采样、数字滤波、GPS 数据采集、与外部系统的通信、时序逻辑控制等工作。TMS320C6713是TI 公司，2008. TMS320C6000系列的芯片，性价比高，其最高主频为300MHz ，浮点处理速度可达1800MFLOPS ，可以满足速度要求，而其内部高达256kB 的RAM可以满足存储导航控制软件代码，免于扩展外部程序RAM。FPGA 可以实现接口控制，对串口数据进行缓存和预处理，使DSP 专注于实现导航和控制算法，提高工作效率。FPGA 选用Xilinx公司面向大批量、低成本应用的SPARTAN-3AN FPGA，它采用片内闪存的配置方式，片内闪存可以简化PCB 设计，免除上电限制的顾虑，提高可靠性，节约成本。

2.2 导航信息输入和处理

弹载计算机与MEMS 惯导和GPS 接收机通过异步串口连接，将它们发出的导航信息依据某种准则进行数据和信息的融合，然后对惯性导航信息（位置、速度、姿态等）及惯性器件的误差进行重调和校正，再进行制导率结算，通过控制舵面对火箭弹的飞行轨迹进行控制。为了降低频繁串口数据对DSP 程序的影响，需要为串口通信提供较大的FIFO长度。为了提高可靠性，数据帧在通信中应增加包头、包尾，并进行校验。弹载计算机采用FPGA 实现串口逻辑，可在资源保证的情况下提供满足高传输效率的FIFO深度，并可进行硬件解包，减少DSP 软件解包、频繁中断处理、组包的工作量，提高运算效率。

2.3 舵机控制和反馈

火箭弹舵机伺服系统是典型的位置随动系统，系统根据弹上舵机控制器输出的舵面偏角信号操纵弹体舵面的偏转，依靠弹体飞行过程中舵面偏转产生的空气动力及气动力矩，稳定和控制火箭弹弹体姿态，直至命中目标。弹载计算机向舵机控制器输出舵面偏转控制信号，电动舵机系统经过功率放大驱动直流伺服电机转动，保证舵面在规定时间内以一定精度给定偏角，同时将舵面偏角反馈信号送至弹载计算机。舵面偏转控制信号和舵面偏角反馈信号的信号特性一般为PWM脉宽可调制的周期信号或-10 ～+10V范围的模拟量。PWM接口是数字接口，便于实现隔离传输，抗干扰能力强，与PWM信号相比，模拟量信号的处理会在数模转换和模数转换的过程中引入转换误差，而且在信号传输中容易受到干扰，影响控制精度。弹载计算机PWM控制信号的产生和PWM反馈信号的采集可由FPGA实现。对于PWM信号的产生，DSP 只需通过EMIF总线向FPGA 传输脉宽量即可，FPGA收到脉宽量数据后启动计数器产生相应脉宽、周期固定的PWM信号。对于PWM信号的采集，FPGA 在PWM脉冲的上升沿开始计数，在下降沿结束计数，同时将计数值进行锁存，供DSP 读取，单个PWM信号周期内脉冲宽度计数值保持不变。

2.4 发射控制

发射控制器的主要功能是作为火控系统的执行机构，实现火控系统对火箭弹的发射流程控制，同时具有监测火箭弹状态的功能。另外，发射控制器还要把火控计算机的命令和参数发送给火箭弹，同时把火箭弹的反馈信息转发给火控计算机，起到通讯转接的作用。发射控制器是火控系统与多个火箭弹之间互相通信的纽带，发射控制器需要与多个火箭弹之间建立总线网路。CAN总线是支持分布式控制及实时控制的串行通讯网络。CAN总线网络可以支持发射控制网络的低成本、高可靠实现。火箭弹的弹载计算机只需设计CAN总线协议芯片、光电耦合器和收发器以及必要的辅助电路即可实现CAN总线网络的一个节点，这些元器件成本较低。弹载计算机CAN总线通讯的数据链路层由PHILIPS 公司的SJA1000 实现，物理层由PCA82C250 实现。两个芯片之间通过光电耦合器进行隔离，可以进一步提高系统的抗干扰能力。

2.5 热电池激活和电压采集

弹载计算机的供电过程可分为发射前的地面电源供电阶段、发射前电池激活后的地面电源和热电池同时供电阶段、发射后的热电池供电阶段。热电池激活信号为28V 大电流脉冲信号，电流范围为5 ～8A，脉冲宽度为50ms。脉宽控制由FPGA实现，这样可以提高脉宽精度，也可减少软件参与。驱动电流的产生依靠BTS660P大电流功率开关高端驱动器实现，耐压为70V ，最大工作电流可达44A ，可以满足地面电源过压浪涌、电池激活电流的指标要求。高端驱动器控制简单，输入低压小信号控制大功率信号，占用体积小，可以很好地简化电路。

热电池电压监测电路由电压调理电路、A/D 转换器、数字电路隔离电路以及辅助电源产生电路构成。电压调理电路将0～33V电压范围调理为A/D 转换器可接受的0 ～3.3V 电压范围，此电路采用差动比例放大电路实现。在运算放大器的反馈电阻两端并联陶瓷电容，形成一阶低通滤波器，对模拟量信号进行滤波，这样可在考虑节约成本的同时提高采集精度。A/D 转换器采用SPI 数字接口的12位分辨率ADC。S PI 接口信号数量少，可以大幅减少隔离器件的使用数量。很多DSP 都具有McBSP接口或SPI接口，McBSP接口可以方便地配置为SPI接口，可以很简单地实现与ADC进行互连。这种设计可以在较小增加软件复杂程度的情况下减少元器件使用量，而且可以不会对A/D 采集精度带来损失。考虑热电池电压监测的精度要求较低，辅助电源的产生由5V数字电源通过低价格小功率DC/DC转换器获得，经过隔离的5V电源通过LDO电源变换器LM3940 转换为运算放大器和ADC所需的3.3V模拟电源，通过参考电源芯片LT1461转为3.3V参考电压提供给ADC。

3　结束语

弹载计算机的设计以DSP 作为运算处理核心，以FPGA 作为接口处理核心，在外部信号输入输出处理时充分考虑低成本和高可靠设计，可以满足低成本制导控制火箭弹的总体要求。在工程实施中，还要根据不同特性信号的传输路径合理规划模块组成和模块间互联接口，避免数字信号对模拟信号的干扰；考虑电源和信号的滤波方式，以高性价比提高A/D 采集精度；采用层叠结构，简化组装方式，减少机箱接线焊接工序，提高生产效率；考虑可测试性设计，合理增加BIT电路。

参考文献

［1］梁晓庚，王伯荣，余志峰，等.空空导弹制导与控制系统设计［M］.北京：国防工业出版社，2006.

［2］李方慧，王飞，何佩琨.TMS320C6000系列DSP 原理与应用［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［3］Xilinx Inc.. Sparten-3AN FPGA Family DataSheet［R］. 2009.

［4］张坤.基于DSP+FPGA 的组合导航计算机的设计与实现［J］.航空计算技术（增刊）