一种导弹惯性测量前端系统的制作方法

1.本新型涉及导弹惯性测量技术领域，特别是涉及一种导弹惯性测量前端系统。


背景技术：

2.随着航天技术的发展，新型航天飞行器不断涌现，各种用途的导弹正不断地走向高精度和小型化的道路。要求导弹的制导控制精度高、稳定性好，能够适应复杂的外界环境，因此导弹的控制算法比较复杂、计算速度快、精度高。小型化则要求导弹的体积小、机动性好，在同等有效载荷的情况下，对控制系统的重量和体积提出了更高的要求，要求控制系统性能越高越好，体积越小越好，重量越轻越好。由于性能指标和体积限制，使得现有技术迫切需要研制一种体积更小、重量更轻、性能指标更好的一体化惯性测量前端产品。


技术实现要素：

3.为解决现有技术中存在的上述问题，本新型提供了一种导弹惯性测量前端系统。
4.为实现上述目的，本新型提供了如下方案：
5.一种导弹惯性测量前端系统，包括：光纤陀螺、加速度计、数字信号处理器、现场可编程门阵列和通讯接口；
6.所述光纤陀螺分别与所述数字信号处理器和所述现场可编程门阵列连接；所述加速度计分别与所述数字信号处理器和所述现场可编程门阵列连接；所述数字信号处理器与所述现场可编程门阵列连接；所述现场可编程门阵列和所述通讯接口连接。
7.优选地，所述通讯接口包括：同步半双工rs-485数据接口、同步单工rs-485数据接口和全双工rs-485数据接口；
8.所述同步半双工rs-485数据接口、所述同步单工rs-485数据接口和所述全双工 rs-485数据接口均与所述现场可编程门阵列连接。
9.优选地，所述同步半双工rs-485数据接口包括：第一光耦、第二光耦、第一差分芯片、第二差分芯片；
10.所述第一光耦分别与所述第一差分芯片和所述第二差分芯片连接；所述第二光耦分别与所述第一差分芯片和所述第二差分芯片连接；
11.优选地，所述第一差分芯片的第一差分信号输出端口和第二差分信号输出端口间均设置有第一上拉电阻、第一下拉电阻和第一匹配电阻；
12.所述第二差分芯片的第一差分信号输出端口和第二差分信号输出端口间均设置有第三上拉电阻、第四下拉电阻和第二匹配电阻。
13.优选地，所述第一上拉电阻、所述第一下拉电阻、所述第三上拉电阻和所述第四下拉电阻的阻值均为510ω。
14.优选地，所述第一匹配电阻和所述第二匹配电阻的阻值均为120ω。
15.优选地，还包括晶体振荡器；
16.所述晶体振荡器分别与所述数字信号处理器和所述现场可编程门阵列连接。
17.优选地，所述数字信号处理器的型号为tms320f28335。
18.优选地，所述现场可编程门阵列的型号为a3p1000。
19.优选地，所述数字信号处理器、所述现场可编程门阵列和所述通讯接口均集成化设置在pcb板上。
20.根据本新型提供的具体实施例，本新型公开了以下技术效果：
21.本新型提供的导弹惯性测量前端系统，创新性采用数字信号处理器和现场可编程门阵列(即dsp+fpga)协同处理技术，实现了dsp对外围设备的透明操作，提高了dsp的运行效率和运行可靠性，从而也减少了cpu模板的复杂程度，所有的外围设备都通过fpga软件编程实现，减少了cpu模板的设计难度和开发周期，进而使得系统性能指标得到优化，提高工程实用价值。
22.以上的总体描述和下文中的描述仅是示例性和解释性的，不用于限制本技术。
附图说明
23.一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明和附图并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件示为类似的元件，附图不构成比例限制，并且其中：
24.图1为本新型提供的导弹惯性测量前端系统的原理框图；
25.图2为本新型实施例提供的dsp和fpga接口示意图；
26.图3为本新型实施例提供的同步半双工rs485数据接口示意图；
27.图4为本新型实施例提供的同步半双工rs485数据接口电路原理图；
28.图5为本新型实施例提供的同步单工rs485数据接口示意图；
29.图6为本新型实施例提供的同步单工rs485数据接口电路原理图；
30.图7为本新型实施例提供的dsp工作软件工作流程图；
31.图8为本新型实施例提供的fpga软件结构框图。
具体实施方式
32.为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。
33.如图1所示，本新型提供的导弹惯性测量前端系统，包括：光纤陀螺、加速度计、数字信号处理器、现场可编程门阵列和通讯接口。
34.光纤陀螺分别与数字信号处理器和现场可编程门阵列连接。加速度计分别与数字信号处理器和现场可编程门阵列连接。数字信号处理器与现场可编程门阵列连接。现场可编程门阵列和通讯接口连接。
35.其中，数字信号处理器(dsp)采用的是ti公司生产的tms320f28335，是高性能低功耗32位浮点型数字信号处理器，主时钟工作频率150mhz，单周期指令执行时间6.67ns。其电路集成了多种增强的控制外设和支持单精度ieee-754标准的浮点运算单元，为高精度复杂
数据的分析处理、电机其他运动控制领域应用的实现提供了良好的平台。dsp内部处理器集成了256k*16的flash存储器，8k*16的引导rom，数字运算表以及1k*16的otprom，适用于导弹飞行制导控制高速运算的场合。在应用过程中，dsp基于光纤陀螺采集的角速度信息和加速度计采集的飞行加速度信息叠加拟合得到惯性飞行航迹和飞行距离。因计算过程为现有技术，在此不再进行赘述。
36.同时考虑到dsp芯片虽有高速、高精度的数据处理能力，但外围控制接口较少。中央处理系统采用dsp+fpga组合模式，由dsp芯片作为中央处理模块，fpga作为双口ram模块、fifo模块、rs485通信模块，并且担任时序控制任务，接收和发送数据和指令。fpga 采用的是actel公司基于flash构架的第三代、100万门的a3p1000。fpga工作时钟与dsp 共用同一外部晶体振荡器，其工作时钟为40m，以确保工作的精密性。dsp与fpga的接口原理设计如图2。在本新型中，fpga的作用主要是对采集数据进行时序控制，进而将数据按照时序控制结果传输给dsp。
37.rs-485同步半双工/单工通讯是一种基于hdlc协议控制为基础的总线通讯方式，同时 hdlc也是一个同步网上传输数据、面向位的数据链路层协议，hdlc被广泛用作数据链路层的控制协议。但是，目前中国并没有hdlc自主产品，其中，hdlc的asic芯片有motorola 公司的mc92460、st公司的mk5025、zarlink公司的mt8952b等。innocor、xinlinx公司推出了能在fpga中实现hdlc功能的ipcore(intellectualpropertycore)，而这些ip 核需要付费购买许可证才能使用。另外，购买的asic芯片和ip核，在应用中受到各种限制，如总体要求的crc生成多项式与所购买产品的crc生成多项式有可能不同，以及起始位/停止位不同。因此，为了解决现有技术存在的这一难题，降低通信成本，本新型采用的通讯接口设置为包括同步半双工rs-485数据接口、同步单工rs-485数据接口和全双工 rs-485数据接口的接口模块。
38.同步半双工rs-485数据接口、同步单工rs-485数据接口和全双工rs-485数据接口均与现场可编程门阵列连接。
39.其中，为了提高通讯速率，使得这个系统具有较高的数据吞吐率，本新型上述采用的同步半双工rs-485数据接口包括：第一光耦、第二光耦、第一差分芯片、第二差分芯片。
40.第一光耦分别与第一差分芯片和第二差分芯片连接。第二光耦分别与第一差分芯片和第二差分芯片连接。
41.优选地，第一差分芯片的第一差分信号输出端口和第二差分信号输出端口间均设置有第一上拉电阻、第一下拉电阻和第一匹配电阻。
42.第二差分芯片的第一差分信号输出端口和第二差分信号输出端口间均设置有第三上拉电阻、第四下拉电阻和第二匹配电阻。
43.优选地，第一上拉电阻、第一下拉电阻、第三上拉电阻和第四下拉电阻的阻值均为510 ω，以防止发送空闲或开路时造成接收端输出状态不确定的问题出现。
44.优选地，第一匹配电阻和第二匹配电阻的阻值均为120ω，以抑制传输线终端形成的反射现象。
45.例如，在实际设计过程中，同步半双工rs-485接口设计要求为：
46.a)通讯速率4mbps。
47.b)在data、sclk两组差分信号高低端加匹配电阻，阻值120ω，以抑制传输线终端
形成的反射现象。
48.c)在data、sclk两组差分信号高、低端分别使用上、下拉电阻，阻值510ω。
49.d)空闲时，惯测前端处于接收状态。当发送数据时使能输出，发送数据。
50.e)光耦采用中电44所的gh6651j，rs-485驱动器采用maxim公司的max3088esa。
51.同步半双工rs-485接口的设计原理和电路设计原理如图3和图4所示。
52.同步单工rs-485用于与导弹的遥测装置通讯，因此，惯测前端为数据发送方，遥测装置为数据接收方，通讯接口电路示意图如图5所示，原理图设计如图6所示。惯性测量前端通过同步单工rs-485接口，把产品敏感姿态信息及工作状态发送到弹上遥测装置。
53.基于以上描述的导弹惯性测量前端系统的具体结构，在实施时，可以直接敏感导弹的运动参数，与弹上其它设备进行信息通信与交互。并且只需要4根线，即完成弹上总线通讯，结构简单，使用方便。
54.本新型设置的这种基于hdlc协议的rs-485同步半双工单工通讯的惯性测量前端系统设计技术，能够实现弹上所有设备信息四线制通讯，即整弹所有设备通讯信息都挂在rs-485 同步总线上，接线简单可靠，通讯速率高达4mbps，具有较高的数据吞吐率。同时采用crc 校验技术对数据传输的正确性进行检测，保证信号的可靠传输。在工程应用中可任意配置 crc校验，灵活可靠，拥有自主知识产权，满足多个型号rs-485通讯要求，具有较高的工程实用价值。
55.进一步，为了减小导弹惯性测量前端系统的体积，本新型将数字信号处理器、现场可编程门阵列和通讯接口均集成化设置在pcb板上。例如，可以将惯测前端核心信号处理板采用6层pcb板一体化设计，具有高速、高密、高可靠性等特点。同时保证产品重量小于 3.0kg，体积小于90mm
×
90mm
×
50mm。
56.在具体实施过程中，dsp和fpga中的软件程序可以依据实际需求进行设置，下面以一个具体实施例结合软件设计程序实现的功能的具体过程对本新型上述提供的技术方案进行说明。
57.惯测前端由dsp软件和fpga软件两部分组成。dsp软件主要包括上电初始化模块、自检模块、同步rs-485接收中断程序、上传模块、惯性测量数据采集与补偿模块四部分。为了保密需求，dsp芯片jtag接口不引出，惯测前端dsp软件的上传采用串口引导方式上传方案，取消jtag接口，能有效防止第三方通过调试模式获取软件核心程序。惯测前端dsp 软件工作流程图如图7所示。
58.惯测前端fpga软件包括a\d同步数据采集模块、异步串口通讯、同步串口通讯、并行总线模块、fifo及逻辑控制等，fpga软件采用模块化设计，使用veriloghdl语言实现，通过仿真、综合、布局布线后，写入信息处理电路fpga中即完成设计，操作简单方便。惯性测量前端fpga软件设计结构框图见图8。
59.rs485数据链路层协议根据数据帧控制的格式可以分为：面向字符的数据链路层协议和面向比特的数据链路层协议。惯性测量前端系统用的hdlc协议是一种面向比特的数据链路协议，在面向比特的数据链路协议中，帧头和帧尾都是特定的8位二进制码01111110 (0x7e)，通过控制字段来实现对链路的监控，可以采用多种编码方式实现高效的、可靠的透明传输。如表1所示，可以得到基于hdlc协议的rs-485通讯帧格式。
60.表1基于hdlc协议的rs-485通讯帧格式设计表
[0061][0062]
其中：
[0063]
flag：帧开始/结束标志，8位二进制码01111110(0x7e)，帧开始/结束标志个数为 4个。
[0064]
ar：从站地址，8位二进制整数，0x45。可按需求配置。
[0065]
at：主站地址，8位二进制整数，0x52。可按需求配置。
[0066]
co：命令码，8位二进制整数。
[0067]
st：应答状态码，从站回送给主站的应答状态，8位二进制整数范围0～255。
[0068]
cp：主站发送给从站的控制参数，二进制码，长度为8位二进制码的整数倍。
[0069]
sp：从站回送给主站的应答参数，二进制码，长度为八位二进制码的整数倍。
[0070]
crc：校验码，采用16位循环冗余校验码，ccitt-crc，生成多项式为x
16
+x
12
+x5+1，除了flag标志位与crc以外的其它数据均参与crc计算(站地址+st+sp)。crc初值为 0xffff。crc最终结果为数据计算结果与0xffff异或结果。16位crc发送按低位在前，高位在后的顺序传输。
[0071]
所有的数据包括crc校验码按照hdlc规程进行发送“插零”和接收“删零”操作，实现收发数据的透明传输。
[0072]
零比特插入的具体实现是：在数据发送端，待发送帧的有效数据字段，即除去帧头和帧尾的其他字段，每检测到连续的5个“1”后立即填充一个“0”。经过这样处理后，有效数据字段就不会出现6个连续的“1”的情况。在数据接收端，先检测到帧头f标志后对后面的比特流进行扫描，每当发现5个连续的“1”时，将5个连续“1”后面的“0”删掉恢复原来的比特流。这就保证了帧定界错误不会出现。
[0073]
基于上述软件设置的具体过程，惯性测量前端系统中的rs-485同步半双工/单工通讯不依赖于任何的字符编码集，采用比特填充法可以很容易地实现数据的透明传输，且可以传输任意长度的二进制比特串。hdlc采用统一的帧格式来实现数据、命令和响应的传输，而且它通过改变一帧中控制字段的比特模式来完成各种规定的链路操作功能，这种rs-485 同步半双工/单工设计非常方便快捷。
[0074]
那么，基于上述提供的导弹惯性测量前端系统的具体结构，本新型具有以下优点：
[0075]
1、本新型提供的这种基于hdlc协议的同步rs485半双工单工通讯的惯性测量前端系统设计技术，创新性采用dsp+fpga协同处理技术，实现一种rs-485同步半双工/单工可靠通讯。这种同步rs-485通讯，突破hdlcip核自主设计关键技术，无需购买专用asic芯片或者付费ip核，在工程应用中可任意配置crc校验，灵活可靠，拥有自主知识产权，满足多个型号rs-485通讯要求，具有较高的工程实用价值。
[0076]
2、为满足xx-17ae惯性测量前端通讯要求，本新型设计采用基于hdlc协议的rs-485 同步半双工单工通讯的惯性测量前端系统设计技术，这种hdlc通讯实现弹上所有设备
信息四线制通讯，即整弹所有设备通讯信息都挂在rs-485同步总线上，接线简单可靠，通讯速率高达4mbps，具有较高的数据吞吐率。同时采用crc校验技术对数据传输的正确性进行检测，保证信号的可靠传输。
[0077]
以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本公开实施例的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。当用于本技术中时，虽然术语“第一”、“第二”等可能会在本技术中使用以描述各元件，但这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区别开。比如，在不改变描述的含义的情况下，第一元件可以叫做第二元件，并且同样第，第二元件可以叫做第一元件，只要所有出现的“第一元件”一致重命名并且所有出现的“第二元件”一致重命名即可。第一元件和第二元件都是元件，但可以不是相同的元件。而且，本技术中使用的用词仅用于描述实施例并且不用于限制权利要求。如在实施例以及权利要求的描述中使用的，除非上下文清楚地表明，否则单数形式的“一个”(a)、“一个”(an)和
“”
(the) 旨在同样包括复数形式。类似地，如在本技术中所使用的术语“和/或”是指包含一个或一个以上相关联的列出的任何以及所有可能的组合。另外，当用于本技术中时，术语“包括
”ꢀ
(comprise)及其变型“包括”(comprises)和/或包括(comprising)等指陈述的特征、整体、步骤、操作、元素，和/或组件的存在，但不排除一个或一个以上其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或这些的分组的存在或添加。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
…”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法或者设备中还存在另外的相同要素。本文中，每个实施例重点说明的可以是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分可以互相参见。对于实施例公开的方法、产品等而言，如果其与实施例公开的方法部分相对应，那么相关之处可以参见方法部分的描述。
[0078]
本领域技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，可以取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法以实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本公开实施例的范围。技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0079]
本文所披露的实施例中，所揭露的方法、产品(包括但不限于装置、设备等)，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，单元的划分，可以仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例。另外，在本公开实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元
中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
[0080]
附图中的流程图和框图显示了根据本公开实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。在附图中的流程图和框图所对应的描述中，不同的方框所对应的操作或步骤也可以以不同于描述中所披露的顺序发生，有时不同的操作或步骤之间不存在特定的顺序。例如，两个连续的操作或步骤实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这可以依所涉及的功能而定。框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。