YH-7000VG型慣導(dǎo)與彈載計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)

王 亭 趙紅超

(海軍航空工程學(xué)院七系，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引言

慣導(dǎo)系統(tǒng)是測(cè)量空間參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)的慣性傳感器系統(tǒng)，它是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的重要組成部分。彈載計(jì)算機(jī)采集慣導(dǎo)系統(tǒng)的空間、運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行制導(dǎo)控制、姿態(tài)控制等控制算法的運(yùn)算，得到控制量并輸出給舵系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)，完成對(duì)導(dǎo)彈的姿態(tài)、彈道的控制。因此，彈載計(jì)算機(jī)是導(dǎo)彈控制系統(tǒng)中的控制中樞［1－2］。

本文構(gòu)建了一套超聲速導(dǎo)彈的半實(shí)物仿真系統(tǒng)［3］。其中，彈載計(jì)算機(jī)是自行研制的設(shè)備，它以DSP TMS320F240PQ 為中央處理器［4－5］;選用云海公司的YH-7000VG型慣導(dǎo)作為慣性測(cè)試設(shè)備，放置在三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上;采用德國Dspace仿真機(jī)來實(shí)時(shí)模擬導(dǎo)彈的空間位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，以帶動(dòng)慣導(dǎo)轉(zhuǎn)動(dòng)。YH-7000VG慣導(dǎo)敏感轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、角速度、加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)被送入彈載計(jì)算機(jī)。彈載計(jì)算機(jī)采集這些數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理，作為控制算法的輸入?yún)?shù)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信技術(shù)是導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為此，本文研究了慣導(dǎo)和彈載計(jì)算機(jī)之間數(shù)據(jù)通信的工程化電路設(shè)計(jì)、設(shè)備之間的線路連接、設(shè)備通信內(nèi)部配置、DSP通信軟件編程方法、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等技術(shù)內(nèi)容。

1 YH-7000VG慣導(dǎo)性能設(shè)置

YH-7000慣導(dǎo)系統(tǒng)有慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit，IMU)和垂直陀螺(vertical gyro，VG)這兩種型號(hào)，屬于高性能空間角度和運(yùn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置。

本半實(shí)物仿真系統(tǒng)采用的是YH-7000VG。

YH-7000VG的工作電源采用單一的直流供電方式，供電電壓范圍為8～24 VDC。在設(shè)備21芯插座的第6針為VDC+輸入，11、15針為Ground電源地輸入。

1.1 數(shù)據(jù)輸出方式選擇

YH-7000VG慣導(dǎo)能夠測(cè)量滾動(dòng)角和俯仰角的角度參數(shù)、XYZ三個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度以及這三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)加速度等數(shù)據(jù)。

YH-7000VG慣導(dǎo)的串行口通信的數(shù)據(jù)格式為數(shù)據(jù)包形式，一個(gè)數(shù)據(jù)包為23 B的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的輸出有兩種方式:一種是模擬量輸出，可供彈載計(jì)算機(jī)采用ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;另一種是高速串行口通信方式［6－7］，即慣導(dǎo)和彈載計(jì)算機(jī)通過 RS-232 串行口相聯(lián)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。模擬量輸出方式需要彈載計(jì)算機(jī)具備八通道同步的高速、高分辨率ADC數(shù)據(jù)采集通路，這就增加了彈載計(jì)算機(jī)的復(fù)雜性，且模擬信號(hào)易受到電磁干擾。因此，本系統(tǒng)采用第二種方式，即高速串行口通信方式。YH-7000VG的RS-232接口信號(hào)的定義如表1所示。

表1 接口信號(hào)定義Tab.1 Definition of the interfacing signals

1.2 慣導(dǎo)波特率的設(shè)置

1.2.1 通信波特率的選擇

彈載計(jì)算機(jī)的控制運(yùn)算周期定為T=10 ms，它主要包括:數(shù)據(jù)采集時(shí)間T1、控制算法運(yùn)算時(shí)間T2和控制輸出時(shí)間T3。因此，必須滿足:T1+T2+T3＜T。通過實(shí)際運(yùn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，T2+T3的最長時(shí)間為5.1 ms。因此，要求 T1不大于4.9 ms。

YH-7000VG的串行口通信協(xié)議為:一個(gè)停止位，八個(gè)有效數(shù)據(jù)位和一個(gè)停止位。默認(rèn)波特率為38400 bit/s，但傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包需要8.6 ms，數(shù)據(jù)刷新率為115 Hz，這顯然不能滿足系統(tǒng)的需要。為此，選擇其最快的數(shù)據(jù)傳輸速率，即115200 bit/s的波特率，傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包需要 4.6 ms，數(shù)據(jù)刷新率為 210 Hz，此時(shí)，T1+T2+T3=9.7 ms，滿足系統(tǒng)需要。

1.2.2 慣導(dǎo)的波特率設(shè)置

YH-7000VG慣導(dǎo)的波特率設(shè)置可以通過彈載計(jì)算機(jī)給其發(fā)送相應(yīng)的控制命令進(jìn)行設(shè)置。由于YH-7000VG的默認(rèn)波特率為38400 bit/s，因此彈載計(jì)算機(jī)也需要首先設(shè)置自己的波特率為38400 bit/s，然后在此狀態(tài)下向慣導(dǎo)發(fā)控制命令。彈載計(jì)算機(jī)向慣導(dǎo)發(fā)控制命令的步驟如下。

①復(fù)位YH-7000VG:彈載計(jì)算機(jī)發(fā)送“R”命令，復(fù)位YH-7000VG;

②暫停YH-7000VG:彈載計(jì)算機(jī)發(fā)送“P”命令，暫停YH-7000VG的數(shù)據(jù)發(fā)送;

③設(shè)置YH-7000VG新的波特率:彈載計(jì)算機(jī)發(fā)送“B2”命令，設(shè)置 YH-7000VG的通信波特率為115200 bit/s;

④彈載計(jì)算機(jī)設(shè)置本身的波特率為115200 bit/s，這和YH-7000VG的波特率一致，就可以控制慣導(dǎo)設(shè)備，與其進(jìn)行數(shù)據(jù)通信;

⑤啟動(dòng)YH-7000VG發(fā)送測(cè)試數(shù)據(jù)，彈載計(jì)算機(jī)發(fā)送“C”命令，啟動(dòng)YH-7000VG按115200 bit/s的波特率、210 Hz的數(shù)據(jù)刷新頻率連續(xù)發(fā)送運(yùn)動(dòng)參數(shù)數(shù)據(jù)包。

2 基于DSP的彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)

2.1 彈載計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)

我們研制的超聲速導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 半實(shí)物仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of half-practicality simulation

圖1中，彈載計(jì)算機(jī)的功能是用來實(shí)時(shí)接收YH-7000VG慣導(dǎo)輸出的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并以此進(jìn)行相關(guān)控制算法的計(jì)算，計(jì)算的結(jié)果通過DAC輸出送給Dspace仿真機(jī)。彈載計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 彈載計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of missile-borne computer

圖2中，JTAG接口是 DSP的仿真接口;DSP TMS320F240PQ由高效率的CMOS技術(shù)所研制，具有運(yùn)算速度快的特點(diǎn)。

為實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算速度，采用定點(diǎn)式的運(yùn)算方式。TMS320F240PQ內(nèi)部具有程序存儲(chǔ)器Flash 32 kB，作為用戶程序代碼固化;544 b的內(nèi)部RAM，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器［8］。

設(shè)計(jì)過程中，系統(tǒng)另擴(kuò)展兩片高速RAM CY7C1021-15ZC，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和調(diào)試期間用戶程序運(yùn)行區(qū)域。DAC轉(zhuǎn)換器件采用BB公司的12位轉(zhuǎn)換器DAC7545。為了使模擬輸出具有雙極性，還設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)制電路。

2.2 RS-232串行口驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

由于DSP的串行口信號(hào)是TTL電平，而本文采用的YH-7000VG的串行口信號(hào)是標(biāo)準(zhǔn)的RS-232電平。為了使這兩種信號(hào)兼容，設(shè)計(jì)了RS-232串行口電平驅(qū)動(dòng)電路。串行口的電平驅(qū)動(dòng)采用MAXIM的MAX232CPE，其最大信號(hào)傳輸速率為120 kB/s，因此能滿足波特率為115200 bit/s的信號(hào)傳輸要求。RS-232串行口電平驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

圖3 串行口電平驅(qū)動(dòng)電路Fig.3 Electronic driving circuit of serial port

3 彈載計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

彈載計(jì)算機(jī)的軟件功能是結(jié)合系統(tǒng)的硬件完成對(duì)YH-7000VG慣導(dǎo)的工作方式設(shè)置，并與其進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通信，接收其運(yùn)動(dòng)參數(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)行控制算法的計(jì)算和結(jié)果輸出。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)流程圖Fig.4 Flowchart of software design

彈載計(jì)算機(jī)軟件程序分為DSP工作初始化程序、YH-7000VG的工作方式設(shè)置程序、慣性運(yùn)動(dòng)參數(shù)接收程序、三個(gè)通道控制算法解算程序和解算結(jié)果輸出程序。DSP控制算法程序的功能是結(jié)合硬件電路實(shí)現(xiàn)從仿真機(jī)接收控制算法需要的參數(shù)，然后進(jìn)行導(dǎo)彈控制算法的解算，并將解算的結(jié)果輸出，完成一個(gè)控制周期的運(yùn)算，直到飛行仿真結(jié)束。此部分程序采用DSP-C語言編寫，結(jié)構(gòu)、語句和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)C語言。通過DSP仿真器對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)試。DSP仿真器利用計(jì)算機(jī)的USB接口和仿真器連接，仿真器通過JTAG接口與彈載計(jì)算機(jī)的DSP仿真口連接。

3.1 串行口初始化

DSP的工作電路采用11.0592 MHz的外頻晶振，設(shè)置DSP的時(shí)鐘寄存器 CLKCR0=0XC3，CLKCR1=0XCA，則彈載計(jì)算機(jī) DSP的系統(tǒng)工作時(shí)鐘 clksys=DSP的SCI波特率設(shè)置寄存器，其中，BAUD為擬設(shè)置的波特率。由于系統(tǒng)要用到兩個(gè)波特率:38400 bit/s和115200 bit/s，因此對(duì)應(yīng)的BRR分別為26和8。系統(tǒng)程序調(diào)用子程序INIT_RSINT來設(shè)置波特率，程序語句如下:

3.2 YH-7000VG慣導(dǎo)的設(shè)置

在上電復(fù)位的狀態(tài)下，彈載計(jì)算機(jī)按以下順序向YH-7000VG慣導(dǎo)發(fā)送設(shè)置命令，編程如下:① DSP設(shè)置本身的波特率38400 bit/s:INIT_RSINT(38400);② 向YH-7000VG發(fā)復(fù)位命令:SCITXBUF=‘R’;longwait(1);③ 發(fā)暫停數(shù)據(jù)輸出命令:SCITXBUF=‘P’;longwait(1);④設(shè)置YH-7000VG新的波特率:SCITXBUF=‘B’;while((SCICTL2 ＆ 0x80)!=0x80){};SCITXBUF=‘2’;longwait(1);⑤ 設(shè)置 DSP新的通信波特率:INIT_RSINT(115200);⑥ 發(fā)連續(xù)數(shù)據(jù)輸出命令:SCITXBUF=‘C’;longwait(1)。此時(shí)，YH-7000VG慣導(dǎo)就連續(xù)以115200 bit/s的波特率、210 Hz的數(shù)據(jù)刷新率向彈載計(jì)算機(jī)發(fā)送導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)接收與變換

彈載計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)接收與變換的程序如下:

4 結(jié)束語

本文簡單介紹了YH-7000VG慣導(dǎo)的應(yīng)用性能設(shè)置，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于DSP TMS320F240PQ的彈載計(jì)算機(jī)和YH-7000VG慣導(dǎo)系統(tǒng)之間的高速數(shù)據(jù)通信。試驗(yàn)運(yùn)行表明，彈載計(jì)算機(jī)采集YH-7000VG慣導(dǎo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)準(zhǔn)確完整、可靠性高，數(shù)據(jù)通信的傳輸無誤碼，完全滿足某超聲速導(dǎo)彈半實(shí)物仿真系統(tǒng)的需要。

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