基于DSP的導彈仿真器嵌入式組件設計

摘  要：設計開發(fā)“導彈仿真器嵌入式組件”是成功完成某型產品設計定型的一項核心環(huán)節(jié)。文章以介紹系統(tǒng)的設計需求為出發(fā)點，接合軟硬件開發(fā)過程中遇到的難點問題，有針對性的總結了在建立嵌入式系統(tǒng)硬件框架、ARINC429通訊接口設計、FPGA邏輯設計、以及嵌入式軟件開發(fā)與實時性優(yōu)化等過程中的一些經驗和技術途徑。特別是在設計系統(tǒng)中斷服務程序時，創(chuàng)造性的提出了在定點DSP環(huán)境下依托硬件平臺實現高效數值運算的若干方法，對于滿足系統(tǒng)實時性處理要求等方面具有一定的應用價值。
關鍵詞：導彈仿真器；DSP；嵌入式軟件；實時處理 

0        引    言

在某新型機載武器系統(tǒng)的研制過程中，作為確保戰(zhàn)備部隊盡快掌握新裝備形成戰(zhàn)斗力的關鍵因素，需要設計一種能達到測試訓練目的的導彈仿真器。而該系統(tǒng)設計的核心任務是開發(fā)一套能夠模擬產生與彈載飛行控制組件進行同步ARINC-429(HB6096-86)信息交換、發(fā)送遙測數據、模擬產生時序邏輯控制信號、設置故障代碼并能進行故障模式處理等一系列對產品進行測試訓練工作的嵌入式組件。

1        系統(tǒng)框架設計

由于該組件為典型的彈載嵌入式系統(tǒng)，使用空間有限、環(huán)境條件苛刻，既要求系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，又要求具有較強的數據運算能力。綜合考慮設計需求，決定采用“DSP+可編程邏輯器件+429通訊接口+信號匹配及調理＋故障模擬裝置”作為系統(tǒng)的硬件總體框架。限于篇幅，本文只就DSP擴展電路、429通訊接口以及FPGA的邏輯功能加以介紹。系統(tǒng)硬件原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件原理框圖

1.1     DSP及擴展電路設計

選用TI公司98年推出的軍品級SMJ320F240數字信號處理器^[1]，在高效軟件算法的配合下完全可以承擔嵌入式組件控制處理核心的任務。

SMJ320F240擴展電路包括時鐘電路、復位電路、數據存儲器擴展電路。SMJ320F240DSP的片內RAM為544字節(jié)，為滿足系統(tǒng)要求，在計算機板上外擴了32K的DRAM、DRAM采用cycrsj公司的cy7c199－25DMB，容量為32K、8位數據，讀出時間為25ns，將兩片32K、8位數據存儲器拼為32K、16位數據存儲器通過72LS00譯碼電路，將32K16位數據存儲器地址空間定為高32K，即8000～FFFF。

1.2     ARINC-429通訊接口設計

就一般的429通訊接口的設計方法而言，通常采用雙口RAM作為傳輸通道的數據緩沖器。但這種設計方法并不適用于本系統(tǒng)。因為上述設計方法只考慮了數據成批的實時傳輸，即429傳輸每幀數據均為20×32bit，一般的雙口RAM 緩沖區(qū)都很大，上下半區(qū)可以分別存放很多幀數據并成批的讀取，無法實時對每一幀數據進行處理，不符合交換信息協(xié)議對每幀數據實時處理這一要求。

針對系統(tǒng)的設計需求，采用新的設計思路，組建以F240、FPGA、DEI1016^[2]為構架的智能通訊接口模塊。FPGA選用Altera公司的EPF10K20RC208器件，利用VHDL編寫邏輯模塊來開辟適當緩沖區(qū)為數據幀提供實時傳送的平臺，數據傳輸操作靠FPGA邏輯程序在后臺完成數據的發(fā)送接收，CPU則在前臺完成數據處理^[3]。

數據通訊模塊的控制邏輯以F240提供的I/O操作信號IS和讀寫信號RD、WR以及地址A2、A1為輸入來為DEI1016產生操作信號。控制邏輯和F240同時監(jiān)視DEI1016的RX1RDY、RX2RDY、TX429RDY等3個狀態(tài)信號以供軟件查詢和由控制邏輯產生INT中斷請求。

1.3     FPGA邏輯設計

在確定了依靠FPGA大規(guī)模可編程邏輯器件作為F240與DEI1016實時通訊的傳輸環(huán)節(jié)后，將FPGA邏輯程序劃分為5部分進行設計：CPU接口模塊、429芯片接口模塊、429數據發(fā)送緩沖區(qū)模塊、429數據接口緩沖區(qū)模塊、32位精確定時計數器模塊。邏輯框圖如圖2所示。

a)       CPU接口模塊：充當FPGA內部各模塊與CPU（SMJ320F240）總線之間的橋梁。CPU把數據總線，地址總線，控制總線掛在CPU接口模塊上，CPU接口模塊通過地址譯碼分別選通FPGA內不同的模塊與CPU通訊。

b)      429芯片接口模塊：主要負責與429芯片DEI1016通訊，DEI1016的數據總線、控制總線連接到這個模塊上，該模塊根據不同的操作控制DEI1016的控制總線或者響應DEI1016的控制信號，同時通過并行數據總線發(fā)送（接收）DEI1016的數據。

c)      429數據發(fā)送緩沖區(qū)模塊：負責接收CPU傳過來的待發(fā)送的數據和發(fā)送啟動命令并把這些數據傳給429芯片接口模塊和啟動429芯片接口模塊的發(fā)送時序。該緩沖區(qū)能容納20個32位數據。

d)      429數據接收緩沖區(qū)模塊：負責響應429芯片接口模塊的接收數據中斷信號并把接收到的數據存在內部RAM中，CPU可以通過CPU接口模塊查詢429數據接收緩沖區(qū)已接收的數據個數并且可以隨時讀取緩沖區(qū)中的數據。該緩沖區(qū)能容納20個32位數。

圖2 FPGA邏輯設計框圖

由此看出，發(fā)送429數據幾乎是不占機時，將數據放入緩沖區(qū)即可。在接收429數據時，該過程完全由邏輯程序在后臺運行，不占用CPU的機時，為前后臺不同任務的并行操作提供了條件。

2        時序軟件設計

2.1     運行環(huán)境

在仿真調試階段軟件運行在CCS2000集成開發(fā)環(huán)境中，使用WinTech仿真器通過JTAG仿真接口在線仿真調試，操作系統(tǒng)為WinXP。在燒錄至FlashEEPROM后，軟件運行于F240片上系統(tǒng)。

2.2     結構及詳細設計

時序軟件是嵌入式組件乃至整個導彈仿真器的控制核心，完成對全彈邏輯時序的控制以及對故障的響應。軟件工作流程以時序控制為主線實時調度，依次完成系統(tǒng)初始化、故障識別、模擬測試信號的輸入輸出，同時調用中斷服務程序完成與飛控組件的信息交換。軟件按模塊結構劃分為時序控制、中斷服務和故障測試三個單元。

2.2.1       中斷服務單元

在中斷處理周期內完成符合導引頭與飛控組件信息交換協(xié)議的429信息傳輸控制，包括429交換信息和遙測信息的實時發(fā)送、接收，數據的打包、解包及處理，實現與飛控算法回路的閉合。

中斷處理周期是指：利用周期為30ms、占空比為1:1的同步方波信號正負電平產生中斷控制信號，來同步信息交換過程。在同步信號的正電平15ms工作周期內，模擬導引頭發(fā)送20個信息字組成的遙測信息幀。嵌入式組件向遙測系統(tǒng)發(fā)送的信息字共有60個。在同步信號的負電平15ms周期內，嵌入式組件與飛控組件完成一幀20個字的信息交換過程。

中斷服務單元處理流程如圖3所示。429數據接收、發(fā)送、數據打包、解包的相關算法模塊，限于篇幅這里不再贅述。

2.2.2       時序控制單元

完成導彈正常測試邏輯的控制，包括系統(tǒng)初始化、精確定時，利用DSP的數字I/O資源模擬與其它組件、設備的信息交聯(lián)，D/A則用來模擬舵偏角反饋信號給設備。其中初始化函數void TargetInit(void) 完成了對DSP、FPGA資源的初始化（中斷資源、系統(tǒng)時鐘/定時器資源、I/O端口資源、內存等，FPGA緩沖區(qū)的清零、寄存器的置位）。函數SetTimerCounter(0)用于系統(tǒng)定時器清零，函數void sleep(unsigned long time)用于系統(tǒng)延時，精度1us。時序測試點的狀態(tài)判讀和信號設置靠對DSP I/O端口資源的讀寫來完成，在CPLD的邏輯程序SConIO.vhd中定義了信號的端口地址和偏移量。

2.2.3       故障測試單元

完成對故障設置裝置20余種代碼的識別，該單元在流程處理上不是獨立的，而是嵌入到時序控制和中斷服務單元中，按預定的故障測試流程輸出超出設備判別指標的相關錯誤信息，處理流程如圖4所示。

       

圖3  中斷服務單元處理流程                       

圖4  故障測試單元流程       

3        問題及解決途徑

在設計調試中斷服務程序時，遇到的突出問題就是系統(tǒng)實時性要求與CPU處理能力間存在的差距。由于系統(tǒng)同步信號中斷對429數據傳輸與處理的時間要求非常嚴格，特別是15ms負半周，不但要完成數百個包括浮點參數運算在內的數據實時處理，還要管理429數據的接收與發(fā)送。象F240這樣的定點DSP運算效率顯然難以勝任。為此，在設計中斷服務程序模塊時采取了如下措施：

a)     在中斷服務流程中，合理安排CPU查詢緩沖區(qū)狀態(tài)的時間點，待CPU將接收到的上一幀數據和待發(fā)送的下一幀數據處理完畢后，再查詢緩沖區(qū)的數據個數，接滿后由CPU讀走進行處理，從而實現了接收數據與處理數據的并行操作；

b)     數據傳輸操作主要靠FPGA邏輯程序在后臺進行，CPU在前臺完成數據處理；

c)     在429參數打包、解包處理過程時，對頻繁使用的二進制加權處理方法進行改進，不再調用C標準算法庫math.h中的pow( )函數，取而代之自定義的移位運算函數，pow( )是通用的C整型/浮點型運算庫函數，F240調用它勢必會占用大量的機器周期，而移位操作在實現二進制加權功能的同時，運算速度卻能成倍提高。

為證明措施的有效性，使用DL716數字記錄儀對DSP兩個空閑I/O通道在同步信號正負半周產生的電平反轉狀態(tài)變化進行實時采集測量，得到系統(tǒng)在中斷處理過程的耗時見表1（統(tǒng)計了測量6次的數值）。測試結果表明，系統(tǒng)在同步信號中斷負半周的運行時間大幅縮短至13.5ms左右，不僅排除了中斷和數據幀丟失的可能性，而且滿足了信息交換協(xié)議對時序控制和數據的處理要求。

表1  中斷處理時間對照表

4        結    論

作為嵌入式系統(tǒng)在國防科技領域內推廣使用的典型范例，該組件目前已成功應用于某型導彈仿真器中，在各類復雜的使用環(huán)境下均顯示了良好的性能，對于用戶盡快掌握新裝備形成戰(zhàn)斗力具有非常重要的現實意義。

本文創(chuàng)新點：采用DSP+FPGA嵌入式系統(tǒng)構架，遵循彈載電子設備對于體積和性能的設計要求，同時采取并行處理和軟件算法優(yōu)化等措施，滿足了系統(tǒng)對于集成化、功能性、可靠性、實時性的要求。

參考文獻：

[1]       TMS320F/C240 DSP Controllers Reference GuidePeripheral Library and Specific Devices[M], Texas Instruments, 1999.6.

[2]       DDC Data Sheet (DEI1016 ARINC429 Transceiver) [ Z].DDC Inc, 2004

[3]       徐欣,于紅旗,易凡.基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計[M].北京：機械工業(yè)出版社,2005

[4]       繆云青,李永剛.FPGA器件在嵌入式系統(tǒng)中的配置方式探討[J].微計算機信息,2006,11:161~162