嵌入式1553B总线开发板的应用

@TOC摘要
本文针对某型装备用的MMW/IR双导引头数据融合装置性能指标及其特殊需求，设计了整体性能最优的数据融合平台的软、硬件设计方案，制定了数据融合平台的测试评估准则。最后，通过测试平台的测试软件对数据融合平台硬件系统进行了测试，测试结果证明了硬件设计的正确性与可靠性，也有效的验证了数据验证算法的有效性。

关键字：数据融合、毫米波/红外、总线控制器、远程终端
Abstract
Aimed at the performance index and special requirement for the information fusion device of millimeter-wave/infrared (MMW/IR) dual-mode composite seeker, which is equipped by a certain type, the software and hardware design plan of the information fusion system which is best for the whole performance is designed and the testing and evaluating rule is set down for information fusion system. Finally, the hardware of information fusion system is tested through the testing software for the testing system, and the results for this system prove the correctness and reliability for the hardware system, and the validity of data validating arithmetic is also validated effectively.

Keywords：information fusion; MMW/IR; bus controller; remote terminal
1 引言
现代化战争给人们更多的启示：精确制导武器成为打击对手的主要手段。作为多模制导技术的重要研究分支，毫米波/红外（MMW/IR）复合制导技术也在不断的改进和完善，其关键技术包括：双模导引头的一体化技术，传感器技术，高速信号处理技术。其中最重要的就是信息融合（Information Fusion，IF）技术，它是双模寻的制导中精确跟踪目标的关键研究内容。该技术是将来自多个传感器或多源的异类信息进行综合处理，从而得出更为准确、可靠的结论。
本文简要介绍了基于毫米波/红外双模制导技术的数据融合系统的组成及工作原理。作为数据融合系统的子系统—数据融合平台，是整个系统的核心，本文以实际需求为目标，重点设计了数据融合平台的硬件实施方案，并研究了融合算法软件的总体流程。最后，通过测试仿真系统对该融合系统的软硬件进行测试，验证，得到了较好的测试结果。
2 MMW/IR双导引头数据融合系统组成
毫米波/红外数据融合系统主要包括MMW/IR双模寻的数据融合平台、MMW/IR双模寻的数据融合测试平台两部分，整个系统的组成如图2-1所示。

图1 数据融合系统组成逻辑图
MMW/IR双模制导数据融合平台主要是指数据融合板级系统，主要负责完成双模寻的系统之间的数据融合处理、数据转换以及系统补偿等任务，有效提高双模导引头的制导精度和抗干扰能力；数据融合平台有两路对外的通信接口，一路是1553B接口，另外一路是RS232接口。数据融合平台作为总线控制器BC（Bus Controller）通过1553B总线与远程终端RT（Remote Terminal）相连，完成与MMW/IR寻的制导与控制数字仿真PC（RT）的数据传送；通过串行总线与测试平台的控制PC进行通信，接受来自于控制PC的控制指令。
MMW/IR双模寻的数据融合测试平台主要由MMW/IR寻的制导与控制数字仿真PC以及控制PC构成，仿真PC是用于数字仿真毫米波/红外双模导引头的工作状态、导弹导航与制导全过程，数字仿真系统作为RT，仿真导弹的状态信息以及控制信息通过1553B总线传递给数据融合平台，进而对数据融合平台的性能进行测试评估。控制PC主要负责发出控制指令来控制数据融合平台和仿真PC。数据融合测试平台只是为了测试数据融合平台的性能而设计的，数据融合平台是整个数据融合系统的核心，因此本文重点研究数据融合平台，数据融合测试平台不做重点研究。
3 数据融合系统验证平台设计
3.1 验证平台硬件设计
根据融合系统需要完成的任务以及所需的通信接口，选择TI公司的TMS320F2812和TMS320C6713双DSP实现融合平台的设计，融合平台的详细硬件结构图如图2所示，共分为两部分：① 基于DSP阵列的数据融合板；② 数据融合系统接口板（BC模式）。

图2 融合平台硬件结构图
3.1.1基于DSP阵列的数据融合板结构设计
DSP阵列板上采用两块DSP作为处理芯片，TMS320F2812和TMS320C6713，TMS320F2812主要完成预处理的任务，而TMS320C6713用来进行数据融合。TMS320F2812有片上128K×16位的FLASH存储器用来引导程序，而TMS320C6713片上没有存放引导程序的存储器，所以外扩了128K×16位的FLASH存储器SST39VF200，用于存放需加载的程序。采用了两片16K×16位的双口RAM IDT70V26，一片用来DSP之间的数据交换缓冲处理，另外一片用来实现TMS320F2812与1553B总线接口板的数据通讯。为了与测试设备进行通信，TMS320F2812外扩了RS232和RS422。

图3 数据融合板硬件构成图
电源部分采用了27V转5V的DC-DC模块，然后通过电源模块TPS73HD318将5V转换成3.3V和1.8V，给TMS320F2812、两片双口RAM以及1553B接口板供电，通过电源模块TPS70345将5V转换为3.3V和1.2V，给TMS320C6713供电。
3.1.2数据融合平台的1553B接口板设计
1553B接口板主要完成融合平台数据的高可靠、高速的双向传输。该部分主要由Altera FPGA和1553B协议转换芯片构成。其中Altera FPGA 内部定制了NIOS II 微处理器软核，作为1553B协议管理CPU。另外，该FPGA还定制了SDRAM控制器接口、PIO内核三态桥、UART、定时器、双口RAM接口以及自定义的1553B协议芯片接口。其中：SDRAM控制器接口用于连接外部SDRAM作为接口板系统的内存；PIO内核控制通用I/O口，协助1553协议芯片接口完成1553B接口逻辑，同时协助双口RAM接口控制外部双口RAM芯片；三态桥用于连接外部Flash作为程序存储器以及数据存储器；定时器用于1553B消息管理时，实现精确定时；用户自定义的1553B协议芯片接口主要实现外部1553B协议芯片接口逻辑，实现NIOS II CPU对1553B芯片的控制；而UART 作为串口调试接口板时备用。

图4 1553B接口板硬件构成图
1553B协议芯片拟采用型号为B61580的多功能芯片，它除了具有远程终端（RT）功能外，还可以用作总线控制器（BC）、总线监控器（MT）。其内部功能极强，接口灵活、便于控制，有各种封装形式和供电电压供用户选择，是1553A／B等总线标准应用中较常用的接口芯片。该芯片的工作模式由初始化软件设定。
3.2 数据融合软件系统框架研究
数据融合系统软件总体框架如图5所示。该软件系统主要完成两方面的工作：一是数据融合板软件系统主要负责数据调理以及数据融合跟踪；二是1553B接口板软件系统，主要负责处理、打包发自数据融合板的数据以及处理、解包来自1553B总线的的数据。

图5数据融合软件总流程图
3.2.1数据融合算法功能模块
该部分包括数据调理和数据融合跟踪两部分。数据调理部分包括进程控制软件，数据收发软件，控制帧形成软件和数据打解包软件，这部分软件将放在F2812上实现。数据融合跟踪部分软件将放在C6713上实现，主要包括融合模式判断软件，数据置信度判断软件，协方差计算软件，时空对准软件，数据关联软件，数据融合跟踪软件，随动信号计算软件等。
在F2812平台上，进程管理软件主要负责F2812与外界（控制计算机、仿真计算机和C6713）交换数据的调度管理，包括定时中断程序，串口程序，外部中断程序等。数据收发软件负责读写控制命令（来自控制计算机）、数据帧（雷达数据帧，红外数据帧和融合控制帧）、控制帧和状态帧。控制帧是F2812根据接到的控制命令形成的。最后，数据打解包软件对接收到得雷达红外输出数据帧解包，同时对读取的融合控制帧打包。进程控制软件是核心，其他软件都是作为子函数通过进程管理软件调用实现的。
在C6713平台上，进程管理软件同样是核心，调用其他软件完成数据融合跟踪任务。融合模式判断软件判断当前融合应该切换至哪种模式（点迹融合模式或航迹融合模式）；然后，数据置信度判断利用信噪比或阈值判断导引头数据是否可信；如果可信就利用信噪比和阈值推算数据融合所需要的协方差值；数据融合跟踪算法包括点迹融合和航迹融合，随动信号计算软件则利用融合跟踪得到的目标估计位置计算出双模导引头光轴和电轴的随动大小值，最后，生成融合控制帧数据。
3.2.2 1553B接口板软件系统
1553B总线系统的软件设计针对于OSI模型中的传输层，传输层在整个模型系统中占有非常重要的地位，传输层是整个协议层次结构的核心，是唯一负责总体数据传输和控制的一层。因此传输层软件设计在整个1553B总线系统设计中占有相当重要地位。针对传输层的功能特点，进行1553B总线系统软件设计。
1553B接口板主要功能是作为BC 对1553B协议进行转换以及对控制与数据信息进行无误的、可靠的中转，通过主程序设计来完成这两面的功能。而本设计采用先进的SOPC技术，因此软件设计又包括FPGA的配置以及相应的启动程序等。整个软件系统的构成如图2-8所示。概括来讲，1553B总线系统软件设计主要包括三个过程：Bootloader设计、主程序设计以及中断子程序设计。

图 61553B总线系统软件设计流程
 Bootloader：主要包括FPGA本身的初始化配置以及Nios II 本身的引导过程。FPGA 器件在自身携带的配置控制器的控制下配置FPGA 的内部逻辑，同时内部逻辑里已经包含了NIOS II软核到；FPGA 配置成功后，Nios II 就被逻辑中的复位电路复位，从reset 地址开始执行代码，在应用程序开始执行之间，执行一小段代码负责从Flash中加载应用程序到内存SDRAM中，在SDRAM中运行应用程序，从而提高了运行速度。
 主程序运行：主程序主要包括B61580的初始化配置以及一个无限循环程序。对于B61580的初始化主要把B61580配置成总线控制器（BC），对1553B总线系统的消息进行处理，初始化后，进入无限循环，等待中断的发生，处理中断。
 中断子程序：中断子程序主要包括两个：一个是来自于B61580的中断，另一个是来自于与数据融合板接口的双口RAM的中断。这两个中断子程序是1553B总线系统软件设计的核心，这两个子程序共同完成了1553B消息转换与处理功能。
4 数据融合平台的测试评估
4.1 评估准则
双模导引头数据融合平台验证的指标有三个：双模导引头数据融合能够提高导引头截获目标距离，提高导引头跟踪目标的精度和提高导引头的抗干扰能力。因此，制定了如下的系统评估准则。
4.1.1 导引头截获目标的距离评估
当导引头转入稳定跟踪目标时刻，弹-目之间的距离就是导引头截获距离。评估准则：与单模数据处理相比，双模导引头能够提前截获目标，进入稳定跟踪。
4.1.2 导引头跟踪目标精度评估
跟踪目标精度主要从两个方面来体现，位置跟踪精度和角度跟踪精度。一般情况下，精度大小主要从两个方面表现：跟踪误差的大小和误差方差大小。由于导引头的观测误差设置为时变量，所以误差的方差不具有可比性，所以方案只采取跟踪误差评估。
评估准则：与单模数据处理相比，双模导引头融合跟踪误差和误差方差都相应的减小。
4.1.3 导引头的抗干扰能力评估
双模导引头抗干扰能力主要体现两方面：第一个方面，当其中一种导引头被干扰时，双模导引头可以采用一种导引头管理机制，降低这个导引头在数据融合中心的权值，或是利用另外一个导引头的观测数据帮助其去除干扰，或是切换成单模状态，继续跟踪目标；并且当干扰消除后，又能及时切换成双模跟踪状态，实现对目标精确稳定的跟踪。
评估准则：红外导引头的干扰主要体现在多目标（一种干扰类型），雷达导引头是否可以帮助其及时分别出真目标；毫米波雷达的干扰主要体现在阻塞式干扰（强功率干扰），不能正确检测到目标，此时双模导引头是否可以工作在红外单模式跟踪，并当毫米波雷达干扰消失后，系统能否继续切换至双模融合模式。
4.2 系统仿真与测试
基于以上的评估准则，采用蒙特卡洛方法对主要性能进行了仿真。为了目标选择的典型性，我们选择目标运动类型为：机动曲线运动，初速度为（340，100，0）m/s；目标加速度为（0，AY，0）m/s2，目标状态噪声为（100，100，100）m/s2，其中；Number为雷达数据帧次序编号，Time_step为仿真步长，仿真中Time_step取5ms。数据处理采用当前统计模型进行预测。如图7，图8和图9为三种模式下的航迹动态显示。

图 7 单模运行三维航迹显示图

图8 双模运行三维航迹显示图图9 抗干扰融合三维航迹显示图
如图7所示，雷达单模模式下，目标截获距离为11154.2米，双模融合模式和抗干扰双模融合模式同为13737.4米，在目标曲线运动情况下，双模导引头数据融合处理相对单模模式将目标截获距离提高了2583.2米。另外，由图8，图12，图13和图14可以看出，目标在机动飞行时，双模导引头数据融合处理可以明显的提高跟踪精度，位置和角度精度都提高了2~3倍。

图10 截获距离

图11 目标估计位置误差图

图12 目标估计位置误差局部放大图

图13 估计视线角度误差

图14 估计视线角度误差局部放大图

图15 干扰情况下拦截航迹局部放大图
如图15可以看出，双模导引头数据融合处理基本适应红外导引头多目标、雷达导引头强功率干扰。
5 结论
本文针对某型装备MMW/IR双导引头数据融合装置性能指标及其特殊需求，提出了基于1553B总线传输的毫米波/红外双模数据融合系统的硬件结构方案，设计了数据融合验证平台的软硬件结构，研究了该系统的核心部分——算法整体框架，制定了数据融合平台的测试评估准则。另外，根据系统的评估准则，利用测试平台进行了仿真与测试。验证结果表明：所设计的系统既满足了实际系统的需求，体现了全系统的最优性，也验证了数据验证算法的有效性。对工程实践具有很好的借鉴意义。

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