基于PC104總線的導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)研究＊

閆淑群，母勇民，羅宇輝，黎玉剛，袁國鋼

（中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065）

0 引言

導(dǎo)彈陣地測試是通過箱裝導(dǎo)彈的對外接口對導(dǎo)彈加電、模擬導(dǎo)彈的發(fā)射過程，記錄導(dǎo)彈模擬發(fā)射中的相關(guān)信號并進行分析，判斷導(dǎo)彈現(xiàn)場狀態(tài)是否正常。導(dǎo)彈陣地測試是確保導(dǎo)彈正常使用的重要手段，作為導(dǎo)彈飛行過程中的重要環(huán)節(jié)，導(dǎo)彈陣地測試非常重要。針對導(dǎo)彈項目，根據(jù)導(dǎo)彈保障裝備需求，基于PC104總線嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并利用Microsoft Windows CE為系統(tǒng)平臺，Embedded Visual C＋＋為開發(fā)工具［1－2］，設(shè)計了導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)，該測試儀能夠?qū)?dǎo)彈多路多種信號并發(fā)采集，滿足實時性要求，并保證了導(dǎo)彈測試時的安全。

1 測試系統(tǒng)的基本原理

導(dǎo)彈陣地測試的目的是檢查導(dǎo)彈在經(jīng)過長途運輸或長期存貯后，其制導(dǎo)控制系統(tǒng)部件的工作狀態(tài)，幫助判斷導(dǎo)彈是否可以繼續(xù)使用。導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)使用外部直流電源進行工作，該電源輸出電壓（＋26±4）V，額定功率大于等于500W。導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)通過光電混裝電纜和CAN總線（1）接收彈上計算機的數(shù)據(jù)信號，CAN總線（2）和地面光纖組件通訊。RS422串行接口（1）接收彈載計算機發(fā)給遙測裝置的測試信息，RS422串行接口（2）接收彈載計算機通過光纖發(fā)給地面光纖組件的測試信息。綜合接口板用于部分信號的生成、調(diào)理和轉(zhuǎn)接。接口轉(zhuǎn)換電路主要由繼電器組以及相應(yīng)的驅(qū)動芯片組成。在自檢過程中，接收主控系統(tǒng)的指令，接口轉(zhuǎn)換電路輸出26V，則驅(qū)動控制繼電器吸合，給導(dǎo)彈上電，否則繼電器斷開，控制被測對象斷電。接口轉(zhuǎn)換電路并完成各通訊端口的交聯(lián)和切換。同步信號生成電路將生成的方波信號通過轉(zhuǎn)換為差分形式提供給地面光纖組件。模擬信號調(diào)理電路將超過A／D板采集的信號調(diào)理到采集范圍以內(nèi)。

2 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計

圖1 導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)原理框圖

PC104總線是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，具有低成本、高可靠性、系統(tǒng)組建方便等優(yōu)點。基于PC104總線的硬件模塊具有超小尺寸、超低功耗、寬溫特性、功能強大、擴展方便等諸多優(yōu)點，因此以PC104技術(shù)為基礎(chǔ)的軍用測試設(shè)備具有便攜方便、適應(yīng)戰(zhàn)場的特點，在軍用測試領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)由主控單元、綜合接口板、人機接口、地面光纖組件、機箱及附件組成，如圖2所示。導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)的測試對象為導(dǎo)彈，導(dǎo)彈被測信號主要為模擬量信號、同步信號、串口數(shù)據(jù)信號、CAN數(shù)據(jù)信號。

圖2 導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)硬件組成

考慮到系統(tǒng)的工作溫度要求及可靠性、穩(wěn)定性方面的性能等其它因素，控制通訊系統(tǒng)采用PC104總線，選用以下PC104總線模塊：

1）LX 3072-X高性能CPU模塊，為測試系統(tǒng)主控計算機，采用AMD GeodeLX 800CPU與PC／AT標準完全兼容。一個TYPEⅡ型CF卡插槽。

2）ADT700A高性能數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，可采集單端16路／差分8路輸入模擬量、精度12位，200kHz最大采樣率，四路D／A，1024個數(shù)據(jù)深度的FIFO，帶24路DI／O。

3）MSP -4S為4串口I／O采集卡，4個16C550兼容16byteFIFO串口；RS232、RS422、RS485可選；波特率最高可達921.6Kbit／s。

4）A3-CSD提供2個光電隔離的非智能CAN接口，1個8255兼容I／O口。在系統(tǒng)中它用于CAN Bus信號測試。

圖3 信號調(diào)理電路

主控系統(tǒng)主要包括CPU模塊和所有功能模塊，CPU模塊調(diào)度上述各功能模塊運行，完成導(dǎo)彈被測信號的采集、接收及分析。綜合接口板用于部分信號的生成、調(diào)理和轉(zhuǎn)接。綜合接口板包括以下組成部分：同步信號生成電路、模擬信號調(diào)理電路和接口轉(zhuǎn)換電路。同步信號生成電路主要由簡易單片機系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)上電后，由89C51單片機生成50Hz、占空比為5%的方波信號。再通過MAX488芯片將該信號轉(zhuǎn)換為差分形式，提供給地面光纖組件。模擬信號調(diào)理電路主要由放大器芯片LM124組成，信號采集電路采用差分放大電路，將信號的共模干擾減少到最低，同時該電路具有極高的輸入阻抗，如圖3所示。完成對模擬信號的調(diào)理，將超過A／D板采集范圍的電壓信號26V調(diào)理到采集范圍內(nèi)；同時，對模擬信號進行隔離，確保測試板卡不對被測對象產(chǎn)生影響。輸入電壓和輸出電壓關(guān)系表示為：

接口轉(zhuǎn)換電路主要由繼電器組以及相應(yīng)的驅(qū)動芯片組成。在自檢過程中，接收主控系統(tǒng)的I／O指令，完成各通訊端口的交聯(lián)和切換。同時控制被測對象的上電和斷電。總線信號及RS422采集模塊已內(nèi)置了專用隔離電路，采集的模擬信號通過隔離電路進行隔離處理，測試系統(tǒng)和被測對象間避免了相互干擾。

3 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計

導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動和應(yīng)用程序三部分構(gòu)成，具體架構(gòu)及組成如圖4所示。

圖4 導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.1 操作系統(tǒng)

考慮到系統(tǒng)的實時性要求以及開發(fā)的難度，導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)的操作系統(tǒng)選用了Windows CE 5.0。Windows CE擁有多線程、多任務(wù)、實時、完全搶先式優(yōu)先級的操作系統(tǒng)環(huán)境，專門面向有限資源的硬件系統(tǒng)。Windows CE是一個實時操作系統(tǒng)，可以滿足應(yīng)用程序所需要的實時性要求，其實時性支持嵌套的中斷，這可以讓高優(yōu)先級的中斷立即被響應(yīng)，而不需要等待低優(yōu)先級的中斷服務(wù)例程［3］。Windows CE面向只有有限資源的硬件系統(tǒng)，它不需要標準硬件，它提供了一個操作系統(tǒng)所能提供的最大柔性，并具有緊湊高效可伸縮的特性［4］。

3.2 應(yīng)用程序

導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)應(yīng)用程序采用面向?qū)ο蟮腤inCE程序可視化開發(fā)工具EVC進行開發(fā)，擁有簡潔、友好的主界面，如圖5所示。導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)的功能包括自檢（供電電源檢測，RS422通訊自檢，CAN總線通訊自檢）、檢測導(dǎo)彈存在信號、導(dǎo)彈上電（分別控制3路電源按時序上電，保證導(dǎo)彈各部件正常工作）、設(shè)置導(dǎo)彈測試狀態(tài)、與導(dǎo)彈通訊（通過CAN總線和RS422串口對導(dǎo)彈發(fā)送各類信息、指令等數(shù)據(jù)，并接收各類數(shù)據(jù)）、判斷導(dǎo)彈現(xiàn)場狀態(tài)（按照流程對導(dǎo)彈返回的所有信息和響應(yīng)時間進行判斷）、數(shù)據(jù)保存、顯示功能。導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)的基本配置項包括主控類、系統(tǒng)類、人機界面類、模擬量類、CAN類、串口類、監(jiān)控類、數(shù)據(jù)處理類、計量類等8個模塊。

3.3 多線程程序設(shè)計

導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是一個多任務(wù)系統(tǒng)，且對實時性要求很高。多線程技術(shù)應(yīng)用于軟件系統(tǒng)可以滿足測試的實時性要求，提高測試的效率。軟件設(shè)計時，利用WinCE操作系統(tǒng)多線程的特點將不同的任務(wù)分布到各個線程中，使各個任務(wù)同步而協(xié)調(diào)的進行。主線程為用戶界面接口線程，主要負責(zé)人機交互和對輔助線程的調(diào)度。分別創(chuàng)建3個輔助線程分別實現(xiàn)后臺3個數(shù)據(jù)采集任務(wù)，包括在進行導(dǎo)彈檢測時導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)需要對查詢有無彈和導(dǎo)彈上電的模擬量采集；在進行系統(tǒng)計量時需要對各路模擬量采集；在進行自檢時需要對三路電源和同步信號采集。

為了滿足系統(tǒng)的實時性要求及提高整個系統(tǒng)的運行效率，考慮到動作時間必須在毫秒以內(nèi)完成動作，而且時間精度要求很高，操作系統(tǒng)的多媒體時鐘精度不夠高，不能滿足要求。軟件設(shè)計在設(shè)計過程中采用多線程技術(shù)并配合采集板卡上的硬件時鐘，實現(xiàn)毫秒時間內(nèi)的精確數(shù)據(jù)采集、計算和存儲，解決了多路多種信號并行數(shù)據(jù)采集、存儲、實時顯示的問題。

圖6 導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)主程序流程

針對系統(tǒng)的實時性，采用中斷方式進行突發(fā)事件的管理，以提高系統(tǒng)性能。通過試驗驗證，按導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)設(shè)計工作負荷使所搭建的硬件系統(tǒng)平臺滿負荷運行，對系統(tǒng)實時性要求最高的加載時標功能，其絕對時間誤差不超過毫秒級，已能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。

4 結(jié)束語

基于PC104總線技術(shù)和Embedded Visual C＋＋開發(fā)平臺研制的導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)，利用了這兩項技術(shù)的優(yōu)點，提高了導(dǎo)彈測試的準確性、可靠性、穩(wěn)定性和快捷性。系統(tǒng)模塊化、通用化的設(shè)計思想，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可擴展性。系統(tǒng)采用的多線程技術(shù)和線程同步等關(guān)鍵技術(shù)提高了系統(tǒng)的運行效率，滿足系統(tǒng)的實時性要求。導(dǎo)彈陣地檢測系統(tǒng)為導(dǎo)彈的陣地檢測發(fā)揮了重要作用，對導(dǎo)彈的作戰(zhàn)效能提供了有力支持。

［1］葉宏材.WindowsCE.NET嵌入式工業(yè)用控制器及自動控制系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005.

［2］劉劍鋒，牟麗君，楊利斌，等.某型導(dǎo)彈發(fā)控信號檢測系統(tǒng)的設(shè)計［J］.計算機測量與控制，2007，15（8）：1036－1041.

［3］汪兵.EVC高級編程及其應(yīng)用開發(fā)［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［4］田東風(fēng).WindowsCE應(yīng)用程序設(shè)計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.