飞行控制计算机的设计及其接口仿真

1 引言
    从近十年战争来看，精确制导武器的威力和打击精度不断提高，且在战争中得到愈来愈广泛的应用。各军事大国一方面加大力度研发高精度、摧毁力更强的制导武器。另一方面为现有的非智能弹增装制导系统来提高其作战效能，所以大力发展制导武器是现代战争的趋势。
    制导系统由多个子系统组成，而飞行控制系统是众多子系统之一，其可靠性和稳定性直接关系到制导系统能否正常工作。针对非智能弹增装制导系统的项目，设计了飞行控制计算机，并对其接口进行静态仿真。

2 飞行控制计算机工作原理
    通过侦察手段或电子地图，测量出目标点的坐标。飞机上的火控计算机根据目标点的信息计算出可攻击区，并计算出投弹点区域距离目标点之间的弹道簇表，把该弹道簇表下传至飞行控制计算机。
    飞机起飞后，按照预先设定的方案飞至投弹区域，启动弹载导航计算机和GPS组合导航仪进行初始化对准和标定，并输出开关量，启动热电池。
    投弹后，钻地弹进入自由飞行区。此时弹载导航计算机根据惯导系统和GPS信息，实时计算出钻地弹的位置和姿态，传至飞行控制计算机。飞机控制计算机根据自由飞行初始阶段的参数在弹道簇表中选择一条方案弹道，飞机控制计算机将其与真实弹道、姿态进行比对，计算出控制律。根据控制律调整方向舵，使得炸弹沿方案弹道飞行。图l给出飞行控制计算机的工作原理。

3 飞行控制计算机硬件设计
    飞行控制计算机的硬件设计主要包括：外围接口设计、存储器、开关量、电源、CPU、D／A转换、A／D转换等部分。因为弹载计算机要求具备运算速度快，外围接口丰富，功耗低等特点，而TI公司设计的TMS320F2812型DSP广泛用于系统控制，且能较好地适用于飞行控制计算机的设计，所以该系统设计采用TMS320F2812作为控制计算机的CPU。图2给出弹载控制计算机的系统框图。

    需说明的是，TMS320F2812内部有一个可编程锁相环(PLL)，它可配置为：

   
式中：XCLKIN为晶体时钟频率；n为锁相环控制寄存器(PLLCR)低4位数值，n=(PLLCR)＆0x000F。
    这里，PLLCR寄存器中的值为Ox000A，所以据上所述，DSP复位后的工作频率为150 MHz。
 

4 飞行控制计算机软件设计
    飞机控制计算机的运行程序采用C语言编写。在编写该程序过程中，应充分考虑程序的可靠性。尤其是在编写通信程序时，采用环形缓冲区的数据存储方式，既可提高硬件存储器的利用效率，也可提高数据快速检索、纠错的能力。在连接其他设备的过程中，飞机控制计算机的程序运行比较稳定，能够达到系统设计的要求。另外，采用结合看门狗电路的设计、查询和中断方式进行编程的方法也可以成为提高程序可靠性的重要手段。
    主程序中设置了DSP程序的入口和运行框架，在主程序中通过调用初始化设置程序进行硬件设置，通过判断串口缓冲区的状态进行数据解析，通过查询状态寄存器进行数据计算和流程控制。图3给出飞行控制计算机的主程序流程图。

5 飞行控制计算机接口仿真及设计指标
    飞机控制计算机的软硬件设计完成后，要想调试飞机控制计算机，必须与导航计算机、火控计算机、D／A输出板连接，接收并处理控制计算机外围的设备数据。但在静态环境下，导航计算机无法输出弹体高速飞行时的姿态信息和位置信息(主要是GPS数据)。所以只能设想编一个程序，利用数字仿真的方法实现电路的调试及系统的联调。该程序既要能实现与导航计算机、火控计算机、D／A输出板和控制计算机接口的链接功能，又要能给控制计算机提供用于仿真的方案弹道和真实弹道，并且具有良好的人机界面，使其能够实时观测各点的仿真结果。
    通过计算钻地弹的运动学方程，并将其保存于一个dandao．txt的文件可得到方案弹道。实际弹道是在方案弹道的基础上叠加一个误差信号e(k)，将其存于弹道txt文件中。所以方案弹道与实际弹道的差值即是误差信号e(k)。该信号是人为控制的，所以在计算控制律时，一个已知的输入信号必然有一个确定的输出，这样选取的目的就是便于检验计算控制律的准确性。
    该程序偏重于利用控制计算机以外的设备接口仿真和校验控制计算机的设计功能，检验它与系统连接的可靠性。利用仿真计算机的两个串行口分别仿真火控计算机、导航计算机与控制计算机相连的接口，并按照数据协议给飞机控制计算机传送弹体飞行时的仿真数据，根据这些数据计算控制变量，并实时显示解算结果。该程序经过编译，并与控制计算机联调，能够较好地仿真控制计算机的外部接口和设备性能。图4给出其仿真界面。

    经过多次仿真和测定，系统接口和功能已基本满足弹载控制计算机的技术要求，且达到以下性能指标：①控制变量精度为0．01°；②单点控制律的输出时间小于1 ms；③弹道装订的时间为5 s／1 000点；④弹道装订容量为256 000点；⑤功耗小于8 W。

6 结语
    为了满足现代化战争的军事需要，着重研究某航弹控制计算机的设计原理，并对系统的电路特性进行仿真，使得模拟钻地航弹的飞行控制原理有了一个可操控的实现平台。实践证明，该设计方法具有通用性，且系统工作可靠，能够有效地仿真弹载计算机的功能，并能方便地检验弹载计算机的工作状态。