飞行控制计算机（FCC）作为飞行器自主导航与控制的核心，其性能直接关系到飞行任务的成败与安全性。随着数字信号处理器（DSP）技术的飞速发展，以其为核心构建高实时性、高可靠性的飞行控制计算机已成为主流技术路线。本文旨在探讨基于TI公司高性能TMS320F2812型DSP，实现飞行控制计算机的软硬件协同设计、关键技术开发与系统仿真的完整流程。
一、 硬件系统设计与关键技术开发
硬件平台是飞行控制计算机的物理基础，其设计需满足严苛的机载环境要求。
- 核心处理器选型与最小系统设计：TMS320F2812是一款32位定点DSP，主频高达150MHz，具备强大的数字信号处理与实时控制能力。其片上集成了丰富的资源，如128K×16位的Flash存储器、18K×16位的SRAM、两个事件管理器（EVA、EVB）以及多种通信接口（SCI、SPI、CAN、McBSP）。最小系统设计围绕DSP核心展开，包括电源电路、时钟电路、复位电路及JTAG调试接口，确保处理器稳定可靠运行。
- 关键外围接口电路设计：
- 传感器接口：设计高精度、多通道的模数转换（ADC）电路，用于采集陀螺仪、加速度计等模拟传感器信号。F2812内部集成了12位16通道ADC，需配合外部信号调理电路（如滤波、放大）以确保采样精度。设计数字接口（如SPI、UART）用于接收GPS、磁航向等数字传感器数据。
- 执行机构接口：利用DSP的事件管理器模块，设计脉宽调制（PWM）输出电路，精确控制舵机、电机等执行机构。PWM信号的频率、占空比需根据控制算法实时计算并输出。
- 通信接口：设计RS-422/485、CAN总线等工业级串行通信接口，实现与机载其他子系统（如导航、任务计算机）以及地面测控站之间的可靠数据交换。CAN总线因其高可靠性和多主特性，在航空电子系统中应用广泛。
- 存储扩展：根据任务需求，可能需外扩非易失性存储器（如FRAM、Flash）用于存储飞行程序、关键参数及飞行数据。
- 可靠性设计：采用多层PCB板设计，优化电源与地线布局以降低噪声。关键信号线进行阻抗匹配与屏蔽处理。加入看门狗电路、电源监控电路以及必要的冗余设计，提升系统在复杂电磁环境与振动冲击下的鲁棒性。
二、 软件系统设计与关键技术开发
软件是飞行控制计算机的“大脑”，负责实现复杂的控制律与任务管理。
- 软件开发环境与架构：基于TI的Code Composer Studio（CCS）集成开发环境，使用C语言与汇编语言混合编程。软件采用分层、模块化架构，通常可分为：
- 硬件抽象层（HAL）：封装对DSP片内外设（ADC、PWM、CAN等）的底层驱动操作，为上层层提供统一的接口。
- 实时操作系统（RTOS）或前后台系统：对于复杂多任务系统，可移植μC/OS-II等轻量级RTOS进行任务调度与管理；对于相对简单的控制回路，也可采用基于定时器中断的前后台系统。
- 应用层：包含核心控制算法模块、导航解算模块、通信协议解析模块、故障诊断与处理模块等。
- 核心控制算法实现：将飞行控制律（如PID控制、模糊控制、自适应控制等）在DSP上数字化实现。重点优化算法代码，利用DSP的硬件乘法器、快速中断响应等特点，确保控制回路满足严格的实时性要求（通常控制周期为毫秒级）。对于浮点运算，需注意F2812为定点处理器，需进行定标（Q格式）处理或使用IQmath库以提高运算效率与精度。
- 通信协议实现：根据系统定义，在软件中实现相应的点对点串口协议或CAN总线协议（如CANopen、自定义应用层协议）的收发、解析与封装功能。
- 软件可靠性措施：实施严格的代码规范，进行充分的单元测试与集成测试。加入软件看门狗、数据校验（如CRC）、关键数据备份与恢复机制，并设计故障安全模式。
三、 系统集成与仿真验证
在软硬件分别开发调试完成后，需进行系统集成与全面的仿真验证。
- 硬件在环（HIL）仿真：搭建硬件在环仿真平台。将设计好的飞行控制计算机硬件（原型机）作为核心，与工控机（运行飞行器动力学模型、传感器模型、环境模型）通过实际的物理接口（ADC、PWM、CAN等）连接。工控机模拟飞行器的状态变化和传感器输出，DSP控制计算机根据这些输入运行控制软件，输出控制量驱动模拟的执行机构模型。此过程可以在实验室环境下，安全、低成本地全面验证控制计算机的硬件接口功能、软件控制逻辑以及整个系统的动态响应性能，覆盖各种正常与边界飞行条件，甚至故障注入测试。
- 集成测试与调试：利用CCS的仿真器与调试工具，结合示波器、逻辑分析仪等仪器，对集成后的系统进行联合调试。监测关键变量的实时变化，分析控制时序，优化代码性能，确保系统稳定可靠。
结论
基于TMS320F2812型DSP构建飞行控制计算机，充分发挥了其高实时处理能力和丰富的外设资源。通过精心设计的硬件电路、模块化分层的软件架构以及严格的硬件在环仿真验证，能够开发出满足小型无人机、导弹等飞行器要求的高性能、高可靠性飞行控制计算机。该技术开发流程强调了软硬件协同设计与仿真验证的重要性，为同类嵌入式控制系统的开发提供了有益的参考。随着更高性能DSP（如C2000系列后续型号）及SoC的出现，飞行控制计算机的性能与集成度将得到进一步提升。
