CN113467506B - 一种基于核心板设计的国产化飞行控制器及设计方法 - Google Patents

一种基于核心板设计的国产化飞行控制器及设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于核心板设计的国产化飞行控制器，核心板主要包括DSP+FPGA主控芯片、配置芯片和二次电源转换电路，核心板对外只引出与外围电路连接的接口及核心板供电接口，底板提供核心板的供电以及部分接口功能模块，接口和供配电管理板实现控制器供电转换及其余接口功能模块，该飞行控制器可实施串口通信、1553B总线、GPIO、舵机驱动控制、采集电路、供电系统、设备激活控制、GPS信号采集和惯组数据采集等功能。本发明选用高性能国产化的DSP+FPGA主控芯片架构，提升了控制器运行速度和数据处理能力，充分利用FPGA逻辑资源实现了接口功能最大化的设计，大幅度提高了控制器的通用性，具有设计简单、调试方便、接口功能丰富、研制周期自主可控等特点。

Description

一种基于核心板设计的国产化飞行控制器及设计方法
技术领域
本发明属于飞行控制技术领域，尤其涉及一种基于核心板设计的国产化飞行控制器及其设计方法，可用于各类飞行器及制导炸弹的导航与控制。
背景技术
目前我国现有的制导炸弹所用的飞行控制器普遍采用一体化的设计方法，主控系统和外围功能接口均融合在一起，根据型号需求不同需全部重新进行控制器硬件设计，同时软件也需要根据硬件设计情况进行改进，这样就造成控制器的通用性差，改版设计工作量增多，电路调试难度增大，生产效率降低等问题。同时受进口元器件的限制，单机生产周期难以得到保障。不符合飞行控制器低成本、通用型、自足可控的生产需求。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种基于核心板设计的国产化飞行控制器及设计方法，通过设计核心板实现主控系统与外围接口功能模块分开设计，可根据型号的不同需求单独进行主控电路或外围接口电路的改进设计，减小了硬件设计工作量，提高了单机适应性。核心板由DSP+FPGA主控芯片、配置芯片和二次电源转换电路组成，核心板对外接口功能均由FPGA逻辑扩展实现，外围接口功能模块电路改进时，软件只需更改逻辑程序即可实现核心板与外围接口功能模块板之间的匹配，主控系统也可进行单独验证与调试，大幅度降低了电路调试难度和软件设计复杂度。飞行控制所用元器件均为国产化器件，保障了生产研制周期自主可控。
本发明的技术方案如下：
第一方面，一种基于核心板设计的国产化飞行控制器，包括核心板1、底板2以及接口和供电配置管理板3，核心板1与底板2、底板2与接口和供电配置管理板3通过板对板接插件对接；
所述核心板1是实现主控电路的最小系统，包括主控芯片、配置芯片和二次电源转换电路，所述主控芯片运行飞行器控制程序并引出对外电路连接接口，所述配置芯片用于存储主控芯片运行所需的应用程序，所述二次电源转换电路提供供电接口；核心板1的主控芯片引出的对外电路连接接口均采用逻辑扩展实现，根据硬件设计需求及板上走线情况确定核心板1对外电路连接接口的点号定义，控制器的外围接口功能优化或更改时，无需更改核心板1硬件设计，只需更改逻辑程序和对外电路连接接口的点号定义即可实现控制器功能的改进，控制器需要改进主控芯片时，只需更改核心板1的硬件设计；
所述底板2与所述接口和供配电管理板3提供外围接口功能，所述底板2用于实施RS232/RS422通信、1553B总线信号电平转换、输入/输出电平信号及GPS导航信号的接收，并与核心板1实施数据交互；
所述接口和供电配置管理板3用于实施整个控制器上各部件所需供电的转换、外部设备激活控制、舵机驱动控制、电源状态的监控以及惯组数据的采集。
在一种实施方式中，所述核心板1的主控芯片选取DSP+FPGA的组合架构，所述DSP芯片作为主芯片完成包括导航、制导、姿控解算算法、闭环实时控制的飞行控制程序；所述FPGA芯片通过外部存储器接口EMIF连接DSP芯片，作为从芯片完成外设接口的逻辑扩展。
在一种实施方式中，所述DSP芯片的飞行控制程序通过串口烧写。
在一种实施方式中，所述DSP芯片内部集成有大容量的片上SRAM和FLASH，满足用户对程序和数据存储空间的需求，无需外接存储芯片，集成的FLASH作为其配置芯片，履行应用程序存储功能，用于主控芯片的DSP芯片上电后预定程序的自动加载，无需额外连接独立的配置芯片。
在一种实施方式中，所述FPGA芯片连接有独立的配置芯片，所述配置芯片履行应用程序存储功能，用于主控芯片的FPGA芯片上电后预定程序的自动加载。
在一种实施方式中，所述核心板1的二次电源转换电路将接口和供电配置管理板3向核心板1输入的电源电压转换为主控芯片所需的供电电压。
在一种实施方式中，所述接口和供电配置管理板3设置有电源转换模块，用于对电源滤波，将电源电压转换为整个控制器上各部件所需的供电电压；设置有激活信号接口，用于接收FPGA芯片发送的激活控制信号，实现对外接设备的开关激活控制，激活信号接口的输出端接入有不同阻值的功率电阻，实现外接设备对激活电流的不同需求；设置有模拟信号采集模块，用于对电源信号进行采集，实现对电源状态的监控；设置有全N型MOS管的H桥舵机驱动控制电路和反馈信号采集电路，用于实现舵机的闭环控制；设置有惯组数据接收及供电接口，实现与外部惯组的数据通信及惯组供电。
在一种实施方式中，所述DSP芯片选用HD-S3070P型号；所述FPGA芯片选用EQ6HL130型号；所述底板2与接口和供电配置管理板3对接用板对板接插件为直插型，核心板1与底板2之间的板对板接插件选用FMH-40-1.00-L-D-T型号。
第二方面，一种基于核心板设计的国产化飞行控制器的设计方法，包括：设计核心板1、底板2以及接口和供电配置管理板3，核心板1与底板2、底板2与接口和供电配置管理板3通过板对板接插件对接4；
将所述核心板1作为实现主控电路的最小系统，核心板1上布置主控芯片、配置芯片和二次电源转换电路，通过主控芯片完成飞行器控制程序并引出对外电路连接接口，将配置芯片作为主控芯片的辅助芯片，存储主控芯片运行所需的应用程序，用于支持主控芯片程序的运行，通过二次电源转换电路为主控芯片提供供电接口；
利用所述底板2与所述接口和供配电管理板3实现外围接口功能，通过所述底板2实施RS232/RS422通信、1553B总线信号电平转换、输入/输入电平信号及GPS导航信号的接收，与并与核心板1实现数据交互；通过所述接口和供电配置管理板3实施整个控制器上各部件所需供电的转换、外部设备激活控制、舵机驱动控制、电源状态的监控以及惯组数据的采集；
优选地，在所述接口和供电配置管理板3设置电源转换模块，用于对电源滤波，将电源电压转换为整个控制器上各部件所需的供电电压；设置激活信号接口，用于接收主控芯片发送的激活控制信号，实施对外接设备的开关激活控制，激活信号接口的输出端接入有不同阻值的功率电阻，实现外接设备对激活电流的不同需求；设置模拟信号采集模块，用于对电源信号进行采集，实现对电源状态的监控；设置H桥舵机驱动控制电路和反馈信号采集电路，用于实现舵机的闭环控制；设置惯组数据接收及供电接口，实现与外部惯组的数据通信及惯组供电。
在一种实施方式中，设置所述核心板1的主控芯片选取DSP+FPGA的组合架构，核心板1对外接口均采用逻辑扩展实现，核心板1引出的对外电路连接接口即为FPGA芯片的对外引脚，根据硬件设计需求及板上走线情况确定核心板1引出的对外电路连接接口的点号定义；控制器外围接口功能优化或更改时，无需更改核心板1硬件设计，只需更改FPGA芯片逻辑程序和对外引脚定义即可实现控制器功能的改进；控制器需要改进主控芯片时，只需更改核心板1的硬件设计。
根据本发明提供的一种基于核心板设计的国产化飞行控制器及设计方法，具有以下有益效果：
(1)本发明采取主控系统与外围接口功能模块(底板+接口和供配电管理板)分开设计，主控系统与外围接口功能模块利用板间接插件连接，根据型号需求可灵活更改主控系统或外围接口功能模块，减少了设计的工作量，提升了单机的通用性，未更改的控制器板可重复用于其它型号，降低了单机生产成本；
(2)本发明采取的主控系统为DSP+FPGA的架构，核心板对外接口均利用FPGA逻辑扩展完成，通过更改逻辑程序即可实现核心板与不同外围接口电路之间的匹配，且可实现接口功能的灵活裁减和扩展，大幅度降低了电路调试难度和软件设计复杂度，提升产品设计生产效率；
(3)本发明控制器所选用器件100％国产化，提升了单机研制生产的自主可控性。
附图说明
图1是飞行控制器印制电路板的结构示意图；
图2是飞行控制器的功能模块示意图。
具体实施方式
下面通过对本发明进行详细说明，本发明的特点和优点将随着这些说明而变得更为清楚、明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
如图1所示，一种基于核心板设计的国产化飞行控制器包括核心板1、底板2、接口和供电配置管理板3、以及板对板接插件4；其中板对板接插件4均为直插型，当然还可为其他形式，基于对板对板接插件的可靠性要求，优选为直插型。核心板1是实现主控电路的最小系统，底板2与接口和供配电管理板3实现供电转换和外围接口功能。
如图2所示，核心板1主要由主控芯片、配置芯片和二次电源转换电路组成，主控芯片运行飞行器控制程序并引出对外电路连接接口，配置芯片用于存储主控芯片运行所需的应用程序，二次电源转换电路为主控芯片提供供电接口。主控芯片选取DSP+FPGA的组合架构。示例性的，所示DSP芯片型号为HD-S3070P，FPGA芯片型号为EQ6HL130，但不限于该型号。DSP芯片作为主芯片完成外围接口控制、导航、制导、姿控解算算法、闭环实时控制等飞行控制程序，DSP程序可通过串口烧写，简化程序烧写过程，该DSP芯片的最高主频为400MHz，控制器运行速度得到明显提升，其内部集成了2MB的SRAM和4MB的FLASH满足用户对程序和数据存储空间的需求，无需外接存储芯片，减小了核心板的大小需求。
FPGA芯片作为从芯片完成外设接口的逻辑扩展，充分利用FPGA逻辑资源达到了接口最大化的设计。FPGA芯片通过外部存储器接口EMIF连接DSP芯片，并通过FRST管脚接收DSP芯片发送的复位指令。FPGA芯片与底板2实现多路RS232/RS422通信、1553B总线通信、2路GPIO和GPS数据通信；FPGA芯片根据DSP芯片的运算处理结果，生成并输出PWM脉冲驱动控制信号，控制伺服电机的运转状态；与接口和供电配置管理板3实现惯组数据通信，并向供电配置管理板3发送激活控制信号，实施外设激活控制。
同时，主控芯片中DSP芯片连接核心板1上的NRST复位芯片及晶振(OSC，20MHz)，用于接收复位及时钟信号；FPGA芯片连接核心板1上的晶振(OSC，20MHz)，用于接收时钟信号。
所述的配置芯片为非易失性数据存储器如FLASH芯片，用于存储主控芯片所需的应用程序，主控芯片上电后均从配置芯片中自动加载预定程序。DSP芯片为内部集成有FLASH的芯片如HD-S3070P芯片时，集成的FLASH模块作为其配置芯片，履行应用程序存储功能，无需额外安装配置芯片；DSP芯片内部未集成有FLASH时，与FPGA相同，均独立分配有各自的配置芯片。
一般的，所述的二次电源转换电路将接口和供电配置管理板3向核心板1输出的5V供电转换为主控芯片中DSP芯片所需的3.3V、1.2V，以及FPGA芯片所需的3.3V和1.1V。
本发明所述的核心板对外接口均采用逻辑扩展实现，核心板1引出的对外电路连接接口即为FPGA的对外引脚，根据硬件设计需求及板上走线情况确定核心板对外电路连接接口的点号定义。控制器的外围接口功能优化或更改时，无需更改核心板的硬件设计，只需更改FPGA逻辑程序和对外引脚定义即可实现相应功能的改进。控制器需要改进主控芯片时，只需更改核心板的硬件设计即可。核心板1与底板2之间选用高速高密度板对板接插件用于板间信号的传输。示例性的，所示核心板与底板间接插件型号为FMH-40-1.00-L-D-T，但不限于该型号。
如图1、2所示，控制器底板2实现与核心板的对接、多路RS232/RS422通信、1553B总线信号电平转换、2路GPIO和GPS导航信号接收。
接口和供电配置管理板3设置有电源转换模块，如可对28V电源滤波，将28V电源电压转换为整个控制器上各部件所需的供电电压；设置有激活信号接口，接收FPGA芯片发送的激活控制信号，利用二级串联P型MOS管等形式实现设备开关激活控制，激活信号接口的输出端接入有不同阻值的功率电阻实现外接设备对激活电流的不同需求；设置有模拟信号采集模块，对接口和供电配置管理板3上28V电源信号进行采集，实现对电源状态的监控；设置有全N型MOS管等形式的H桥舵机驱动控制电路和反馈信号采集电路，实现舵机的闭环控制；设置有惯组数据接收及供电接口，与FPGA芯片共同实现与外部惯组的数据通信及惯组供电。控制器上所用器件均为国产化器件。
以上结合具体实施方式和范例性实例对本发明进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本发明的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本发明精神和范围的情况下，可以对本发明技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本发明的范围内。本发明的保护范围以所附权利要求为准。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种基于核心板设计的国产化飞行控制器，其特征在于：包括核心板（1）、底板（2）以及接口和供电配置管理板（3），核心板（1）与底板（2）、底板（2）与接口和供电配置管理板（3）通过板对板接插件（4）对接；
所述核心板（1）是实现主控电路的最小系统，包括主控芯片、配置芯片和二次电源转换电路，所述主控芯片运行飞行器控制程序并引出对外电路连接接口，所述配置芯片用于存储主控芯片运行所需的应用程序，所述二次电源转换电路提供供电接口；设置所述核心板（1）的主控芯片选取DSP+FPGA的组合架构，核心板（1）对外接口均采用逻辑扩展实现，核心板（1）引出的对外电路连接接口为FPGA芯片的对外引脚，根据硬件设计需求及板上走线情况确定核心板（1）引出的对外电路连接接口的点号定义；控制器外围接口功能优化或更改时，无需更改核心板（1）硬件设计，只需更改FPGA芯片逻辑程序和对外引脚定义即可实现控制器功能的改进；控制器需要改进主控芯片时，只需更改核心板（1）的硬件设计；核心板（1）的主控芯片引出的对外电路连接接口均采用逻辑扩展实现，根据硬件设计需求及板上走线情况确定核心板（1）对外电路连接接口的点号定义，控制器的外围接口功能优化或更改时，无需更改核心板（1）的硬件设计，只需更改逻辑程序和对外电路连接接口的点号定义即可实现控制器功能的改进，控制器需要改进主控芯片时，只需更改核心板（1）的硬件设计；
所述底板（2）与所述接口和供配电管理板（3）提供外围接口功能，所述底板（2）用于实施RS232/RS422通信、1553B总线信号电平转换、输入/输出电平信号及GPS导航信号的接收，并与核心板（1）实施数据交互；
所述接口和供电配置管理板（3）用于实施整个控制器上各部件所需供电的转换、外部设备激活控制、舵机驱动控制、电源状态的监控以及惯组数据的采集。
2.根据权利要求1所述的基于核心板设计的国产化飞行控制器，其特征在于：DSP芯片的飞行控制程序通过串口烧写。
3.根据权利要求1所述的基于核心板设计的国产化飞行控制器，其特征在于：DSP芯片内部集成有大容量的片上SRAM和FLASH，满足用户对程序和数据存储空间的需求，无需外接存储芯片，集成的FLASH作为其配置芯片，履行应用程序存储功能，用于主控芯片的DSP芯片上电后预定程序的自动加载，无需额外连接独立的配置芯片。
4.根据权利要求3所述的基于核心板设计的国产化飞行控制器，其特征在于：所述FPGA芯片连接有独立的配置芯片，所述配置芯片履行应用程序存储功能，用于主控芯片的FPGA芯片上电后预定程序的自动加载。
5.根据权利要求1所述的基于核心板设计的国产化飞行控制器，其特征在于：所述核心板（1）的二次电源转换电路将接口和供电配置管理板（3）向核心板（1）输入的电源电压转换为主控芯片所需的供电电压。
6.根据权利要求1所述的基于核心板设计的国产化飞行控制器，其特征在于：所述接口和供电配置管理板（3）设置有电源转换模块，用于对电源滤波，将电源电压转换为整个控制器上各部件所需的供电电压；设置有激活信号接口，用于接收FPGA芯片发送的激活控制信号，实现对外接设备的开关激活控制，激活信号接口的输出端接入有不同阻值的功率电阻，实现外接设备对激活电流的不同需求；设置有模拟信号采集模块，用于对电源信号进行采集，实现对电源状态的监控；设置有全N型MOS管的H桥舵机驱动控制电路和反馈信号采集电路，用于实现舵机的闭环控制；设置有惯组数据接收及供电接口，实现与外部惯组的数据通信及惯组供电。
7.根据权利要求1所述的基于核心板设计的国产化飞行控制器，其特征在于：DSP芯片选用HD-S3070P型号；
所述FPGA芯片选用EQ6HL130型号；
所述底板（2）与接口和供电配置管理板（3）对接用板对板接插件为直插型，核心板（1）与底板（2）之间板对板接插件选用FMH-40-1.00-L-D-T型号。
8.一种基于核心板设计的国产化飞行控制器的设计方法，其特征在于，包括：设计核心板（1）、底板（2）以及接口和供电配置管理板（3），核心板（1）与底板（2）、底板（2）与接口和供电配置管理板（3）通过板对板接插件（4）对接；
将所述核心板（1）作为实现主控电路的最小系统，核心板（1）上布置主控芯片、配置芯片和二次电源转换电路，通过主控芯片运行飞行器控制程序并引出对外电路连接接口，将配置芯片作为主控芯片的辅助芯片，存储主控芯片运行所需的应用程序，用于支持主控芯片程序的运行，通过二次电源转换电路为主控芯片提供供电接口；设置所述核心板（1）的主控芯片选取DSP+FPGA的组合架构，核心板（1）对外接口均采用逻辑扩展实现，核心板（1）引出的对外电路连接接口为FPGA芯片的对外引脚，根据硬件设计需求及板上走线情况确定核心板（1）引出的对外电路连接接口的点号定义；控制器外围接口功能优化或更改时，无需更改核心板（1）硬件设计，只需更改FPGA芯片逻辑程序和对外引脚定义即可实现控制器功能的改进；控制器需要改进主控芯片时，只需更改核心板（1）的硬件设计；
利用所述底板（2）与所述接口和供配电管理板（3）实现外围接口功能，通过所述底板（2）实施RS232/RS422通信、1553B总线信号电平转换、输入/输出电平信号及GPS导航信号的接收，与并与核心板（1）实现数据交互；通过所述接口和供电配置管理板（3）实施整个控制器上各部件所需供电的转换、外部设备激活控制、舵机驱动控制、电源状态的监控以及惯组数据的采集。
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