采用有限状态机的飞行器自毁系统时序控制设计.docVIP

O 引 言??? 飞行器自毁系统是飞行器的重要组成部分，它具有非常重要的军事及民用价值。飞行器自毁系统主要是实现飞行器在非正常飞行状态时的可靠自毁。飞行器按正常状态飞行，如果出现异常可以通过外部的飞行状态参数传感器及自毁电路控制自身自毁。随着飞行器研制技术的不断发展，对飞行器自毁系统小型化、模块化、通用化的要求越来越迫切，CPLD的出现可以满足这一要求。由于CPLD硬件电路的特点，必须研究适合CPLD硬件架构的设计方法，以达到系统在运行速度与资源消耗上的平衡。有限状态机及其技术是实用数字系统设计中实现高效率高可靠逻辑控制的重要途径，有限状态机是一种简单、结构清晰、设计灵活的方法，它易于建立、理解和维护，特别应用在具有大量状态转移和复杂时序控制的系统中，更显其优势。这里针对自毁系统的特点，提出一种符合CPLD结构、基于有限状态机的设计方法。 l 自毁系统硬件设计??? 硬件设计采用以高性能CPLD芯片为核心的数字电路和高性能运算放大器及飞行参数传感器组为主要元件的模拟电路相结合的方案。系统主要由系统时钟、CPLD控制芯片、飞行参数传感器组、传感器组输出判断与产生电路、自毁控制逻辑、测试模块和电源等模块组成。该设计使用Altera公司的EPM7064SLC44-10芯片，其内部包含有64个宏单元，1 250个可用的系统门，引脚到引脚的逻辑延迟时间为5．0 ns，计数器工作频率可达175．4 MHz。??? 用CPLD实现上述自毁条件的时序控制逻辑的核心电路及其外围电路如图1所示。CPLD芯片为整个系统的核心，它用来实现计时以及整个系统的时序控制。直流电压变换电路用于将输入的直流电压转换成EPM7064S所需的电压，以及外围电路所需的工作电压。系统时钟电路为计时装置提供稳定的时钟信号及后续分频使用的时钟基准；电平转换电路将飞行器上输入信号进行调理后转换为芯片可识别的TTL／CMOS电平标准；复位电路在系统上电后给控制芯片提供复位信号。 ??? 飞行参数传感器组电路用来实时监控飞行器的各项指标，当飞行状态出现异常时则由传感器组产生相应模拟值到由高性能运算放大器及比较器为主要元件的模拟电路。模拟电路对传感器的输入值进行处理后送到CPLD时序控制模块中。可控开关能通过对CPLD编程实现多路转换，从而使被监控的飞行参数传感器改变，进而改变飞行器的自毁条件。通过CPLD进行飞行器内部时序控制，最后输出的自毁指令输入到飞行控制信号模块中，从而改变飞行器的飞行状态，使之自毁。2 有限状态机模型及选择2．1 有限状态机模型??? 有限状态机(Finite State Machine，FSM)可以用下面包含5种元素的集合来表示{X，Y，S，f，g}，这里S={S1，S2，…，Sk}是FSM中状态的集合；X={X1，X2，…，Xn}是FSM中输入的集合；Y={Y1，Y2，…，Ym)是FSM中输出的集合；f为状态转移函数，表示由输入信号变量X和当前状态S决定下一个状态，即：XY;→S；g为输出函数，表示由输入信号变量X和状态S决定状态机的输出变量Y，即：XS→Y。从上面定义可以看出，有限状态机包含5类基本要素：即状态、输入、输出、转移函数及输出函数。它们分别用矢量函数表示如下： ??? ??? 不用的分类规则，状态机分类也不同。在实际的应用中，根据有限状态机是否使用输入信号，设计人员经常将其划分为Moore有限状态机和Mealy型有限状态机两种类型。Moore型状态机的输出只与当前的状态有关而与输入无关，而Mealy型状态机的输出不仅与当前状态有关，还与当前的输入有关，它们共同决定Mealy状态机的输出。图2和图3分别表示了Moore，Mealy状态机的结构图。 ??? 有限状态机还有很多分类方法，比如根据复位信号的不同可以分为同步复位状态机和异步复位状态机。根据输出是否寄存分为直接输出、寄存输出、根据状态编码输出等类型。??? 对于Moore型有限状态机，输出信号将在时钟信号的触发沿到的几个门时延后得到输出值，同时在该时钟周期的剩余时间内保持不变，即使输入信号在该时钟周期内发生变化，输出信号的值也不会改变。由于Moore型有限状态机的输出与当前的输入部分无关，因此当前输入产生的任何效果将会延迟到下一个时钟周期。可见，Moore型状态机的最大优点就是可以将输入部分与输出部分隔离开。??? 对于Mealy型有限状态机，由于它的输出是输入信号的函数，因此如果输入信号发生变化，则输出可以在1个时钟周期的中间发生改变。与Moore型有限状态机相比，它对输入信号的变化相应要早1个时钟周期。但它也会将输入端口的噪声传递给输出信号。??? 综合以上几点的考虑，该设计采用Moore型有限状态机实现飞行器自毁系统的时序控制。2．2 毛刺和信号时延