彈上信息處理器閉環模飛系統的研制*

龐業勇，劉德龍，王曉龍，彭喜元

(哈爾濱工業大學自動化測試與控制研究所，黑龍江哈爾濱 150080)

0 引言

導彈的“模飛”測試是利用慣性測量組合(包括加速度計和陀螺)模擬彈載信息處理系統真實飛行時的輸出信號，從而實現對加速度和角速度的模擬［1］。由于模擬飛行測試是在地面實驗室條件下完成的，因此其具有安全、可靠、可多次重復、不受氣候氣象條件和場地空間限制等優點，特別是可以無風險地對彈載信息處理系統進行故障測試［2］。

目前“模飛”系統普遍采用的設計方法是通過電纜與彈載信息處理系統相連，模擬飛行時各個設備與彈載信息處理器的信息交互過程。測試過程中模飛系統向彈載信息處理系統實時發送模擬飛行控制信號，彈載信息處理系統據此完成飛行時的各狀態控制，從而實現彈載信息處理系統所有硬件同路和功能模塊工作狀態正確性檢查。檢查項目包括硬件連接、電氣接口連接、功能模塊、設備組合、軟件流程、系統整體性能等功能的檢查，同時檢查整個軟件系統工作的正確性和穩定性。

隨著導彈向小型化、精確化、軟件化和智能化方向發展，彈載信息處理系統性能也不斷發展，在彈載信息處理系統研制過程中的閉環模飛測試是一項十分重要的工作，貫穿整個研制過程。本文針對研制體積輕便于運輸、運行可靠、易于操作、閉環實時測試性能較好的模飛系統展開相關設計工作。

1 閉環模飛系統總體方案設計

如圖1所示，閉環模飛系統工作平臺為便攜式計算機和測試計算機，通過AC-DC電源模塊為彈載信息處理系統供電，便攜計算機的功能模塊A、功能模塊B、功能模塊C、功能模塊D、功能模塊E設備插入便攜機的PCI插槽，功能模塊F設備插入測試計算機中的PCI插槽，按時序和幀格式約定與彈載信息處理系統進行數據和控制量的通訊，并在通用計算機上進行數據和控制量的保存與顯示，其結構如圖1所示。閉環模飛系統采用PCI總線作為I/O總線，PCI總線具有較高的傳輸速率(理論傳輸速度可以達到132 MByte/s)，支持32位處理器，支持DMA，即插即用等優勢［3］。PCI總線為在測試系統中應用便攜式計算機和測試計算機以實現測試系統輕小化提供了很好的途徑。

供電系統為彈載信息處理系統提供+27 V電源供電，輸出3路電源，采用同一電源按照時序為不同部件提供電源。

通訊模塊A，硬件電路采用同步半雙工穿行RS-485接口，傳輸速率為2 Mbit/s，采用FPGA作為主控制器實現HDLC通訊協議，控制功能模塊A向彈上信息處理器發送控制命令，接受彈上信息處理器回送的應答命令和相關參數，并對應答命令進行處理，對下傳數據進行處理，在特定時間內再送給彈載信息處理系統。

圖1 閉環模飛系統組成框圖Fig.1 Block diagram of closed loop flight system

數據采集模塊B，采用FPGA+AD芯片模式，在此模塊上加入遙測量部分。在FPGA內實現AD控制邏輯，實現4路舵指令的接收并在液晶數碼顯示器上顯示，遙測量部分實現彈載信息處理系統敏感元件組合的溫度補償和誤差補償。

輸入輸出開關量模塊C，采用FPGA+集成芯片模式，實現彈載信息處理系統所有I/O脈沖開關量進行模擬和測試，并對內部計算機組合輸出的備份點火進行測試。

1553B模塊D，符合GJB289A－1997數字式時分指令響應型多路傳輸數據總線標準，實現總線控制器(BC)和總線監視器(MT)功能，此時彈上信息處理器實現遠程終端(RT)功能。

數據傳輸模塊E和F用于數據通信，硬件電路采用LVDS接口，傳送速率為100 Mbit/s，采用FPGA作為主控制器實現UART通訊協議，實現便攜式計算機和測試計算機之間的通訊，用來傳輸實現閉環模飛測試的控制命令實現閉環模飛的測試和系統下傳的用于顯示在測試計算機上的數據。

為了保證便攜式計算機對模飛系統輸入輸出數據處理在閉環系統的高實時性，在便攜式計算機內采用VxWorks實時操作系統，并且各個功能模塊均采用PCI總線DMA方式實現控制計算機與各個功能模塊之間的高速數據交互。

2 閉環模飛系統硬件電路設計

根據閉環模飛系統設計需求，其硬件電路主要應包括PCI總線接口電路、RS－485通訊接口電路、LVDS通訊接口電路、1553B通訊接口電路、數據采集電路、存儲電路和輸入輸出開關量電路幾個部分組成。

在閉環模飛系統設計中，各個PCI總線功能模塊設備均采用IP核在FPGA內部實現PCI總線控制器的功能。IP核采用ALTERA公司Quartus II提供的PCI Components核，它支持PCI雙地址周期，地址空間高達4 GB;2個獨立的DMA通道;本地總線采用的工作模式為C模式，支持非復用的32位局部總線操作。另外，還能通過PCI的DMA方式實現計算機與閉環模飛系統各個功能模塊之間的高速數據傳輸。DMA讀寫速度均可達到100 Mbyte/s，這為閉環模飛系統實現實時高效地數據處理、存儲和處理結果顯示提供了有效地保證。

2.1 RS－485串行通訊接口電路

閉環模飛系統中，RS－485串行通訊接口電路設計如圖2所示。RS－485串行通訊接口電路包括隔離電路，實現通訊接口和內部電器接口的隔離;DC－DC轉換器，實現為通訊接口和內部的功能電路提供所需的隔離供電電源;RS－485電氣接口芯片驅動電路，實現TTL邏輯電平和RS－485電平之間的轉換。

圖2 RS－485串行通訊接口電路原理框圖Fig．2 RS －485 serial communication circuit diagram

RS－485串行通訊接口電路設計中采用IL485作為RS－485接口的電平轉換芯片。該芯片內部集成磁耦，隔離電壓2 500 V(1min)，最快傳輸速率為35 Mbit/s，能夠很好地滿足設計需求分析中提到的2 Mbit/s的串行通訊速率。此外，在RS－485串行通訊接口電路的設計中為了抑制電路中的信號反射，采用在通訊線纜的開始端和末端各并接一個120 Ω的電阻。另外，在RS－485串行通訊接口電路的設計中還采用了總線偏置方案對RS－485通訊接口進行失效保護，即在差分傳輸線上各增加一個l kΩ電阻，將差分正端信號上拉到電源，將差分負端信號下拉到信號地，使總線在空閑或開路時穩定［4］。

2.2 LVDS高速串行通訊接口電路

數據傳輸模塊是為測試計算機與便攜式機箱通訊所設計的特殊通訊接口，為了保證通訊的高速和實時性，通訊接口的選擇是至關重要的，這里采用LVDS(low voltage differential signal)通訊接口，LVDS最初應用于視頻信號傳輸，并逐漸成為工業標準，單路數據傳輸速度可達655 Mbit/s，理論上，在一個無衰耗的傳輸線上，LVDS的最高傳輸速率可達1．932 Gbit/s［5］。

本測試系統采用多路并行的LVDS接口實現測試計算機與專用測試接口的數據交互，同時采用專用傳輸 LVDS信號的電纜和接口，可以實現90 Mbyte/s數據傳輸的技術指標。LVDS數據傳輸與控制模塊在硬件實現上分為PCI接口、數據傳輸邏輯控制、片上緩存、LVDS驅動接口電路幾個部分，如圖3所示。

圖3 LVDS數據傳輸與控制模塊原理框圖Fig.3 LVDS data transmission and control module

2．3 1553B 通訊接口

1553B總線是在20世紀70年代末為適應飛機的發展由美國提出的飛機內部電子系統聯網的標準，由于它的高可靠性和靈活性，使其在航空航天以及軍事工業中得到廣泛的應用［6］。

1553B總線具有高的可靠性和較好的實時性，對于一些數據通信種類多、數據量大、實時性要求較高、網絡節點少的系統，1553B總線比現有的絕大多數總線更具有性能優勢。

本設計中采用外購1553B板卡實現設計需求中的1553B通訊。外購板卡為Alta公司的多通道PCI－1553B板卡，其主要特性有:具有雙冗余MIL－STD－1553的通道;雙通道(BC/MT或RT/MT)或者全部功能(BC/RT/MT)等。

2．4 數據采集接口

測試系統數據采集接口包括信號隔離電路信號采集電路。信號隔離電路實現被測模擬信號和ADC采樣信號的隔離，輸入信號在差分端接入，AD202實現輸入信號、電源、輸出信號三者相互隔離，在輸出端重現輸入信號。

數據采集電路采用AD7864，該芯片典型功耗為90 mW，積分非線性誤差為±1 LSB，最大滿量程誤差為±0．024%，在－40～85℃的溫度范圍內具有12位分辨率，最高采樣率可達500 000次/s，具有4個模擬通道，輸入電壓范圍為－5～5 V，0～10 V和－10～10 V 3種可選。整個數據采集系統框圖如圖4所示。

圖4 數據采集接口電路原理框圖Fig．4 Data acquisition module function diagram

2.5 存儲電路設計

閉環模飛系統的所有功能板卡都要通過存儲電路實現對接受數據和發送數據的存儲。在本次設計中采用SDRAM作為存儲器。SDRAM是利用場效應管的柵極對其襯底間的分布電容來保存信息，以電容端電壓的高低來表示“1”和“0”。它具有功耗低，集成度高，存儲容量大，工作速度較快，價格較低等優點。

2.6 開關量I/O電路設計

PCI總線開關量模塊在硬件設計上包括PCI總線接口電路、開關量輸入電路、開關量輸出電路，如圖5所示。

圖5 開關量接口電路框圖Fig.5 IO function interface circuit diagram

在光耦的正輸入端加一個限流電阻，將外部信號的輸入接口與內部電氣接口進行隔離，增強其內部抗干擾能力。輸出開關量采用FPGA控制其輸出時序，然后通過大功率達靈頓管MCl413將FPGA輸出的信號進行放大，使輸出開關量能夠產生足夠大的驅動電流，其中MCl413的輸出端與電源之間要接一個上拉電阻。

3 閉環模飛系統軟件的設計與實現

測試系統軟件設計方面，采用WinDriver開發測試計算機PCI設備的驅動程序，在便攜式計算機內VxWorks提供了對PCI設備的驅動程序，從而實現對PCI總線功能模塊設備的操作。便攜式計算機內部各部分功能模塊的功能軟件和測試計算機模飛系統的綜合測試軟件分別采用Tornado和VC++作為開發平臺，設計模飛系統的操作界面而實現對模飛系統與彈載信息處理系統交互信息的處理、存儲和顯示，完成對彈載信息處理系統控制軟件的驗證。

3.1 驅動層軟件設計

閉環模飛系統的驅動層軟件包含Windows操作系統驅動和VxWorks系統驅動兩部分。Windows操作系統下的驅動開發使用WinDriver工具，極大的簡化了驅動程序的編制［7］，驅動程序包括設備的初始化、端口操作、內存操作、DMA傳輸和中斷管理［8］。這些功能共同實現了設備插入后上電枚舉初始化;配置PCI設備所需的內存、輸入輸出和中斷等資源;處理用戶控制代碼，包括控制PCI設備啟動，停止，寄存器讀寫;處理其他的PNP(plug-andplay)事件。特別地，VxWorks操作系統下，驅動層軟件要完成系統上電之后對各PCI功能模塊的初始化操作，檢測個功能板卡是否存在，并將各板卡的狀態信息返回給測試計算機進行打印輸出。

3.2 專用測試接口裝置軟件設計

專用測試接口裝置的功能軟件采用風河公司Tornado2．2作為開發環境，其包括各模塊自檢功能軟件和實現各個模塊功能操作軟件。自檢功能軟件完成各個模塊的自檢并返回自檢結果。自檢功能軟件實現對專用接口組合即便攜式計算機內部的全部PCI板卡進行硬件上的檢查，在便攜式計算機的顯示屏上顯示已有板卡和缺少的板卡的名字，并顯示已有板卡的設備號和版本號，用于確定各個模塊是正確的。

各模塊的功能操作軟件是實現各個功能模塊功能的啟動，其中包括AD采樣的開始、結束和數據的傳送，實現4路舵指令的采集，顯示在便攜式計算機前面板的LCD上;遙測量的發送;1553B的BC和MT;2路RS－485總線的發送和接收，實現對彈上信息處理系統的數據交互;輸入輸出開關量控制是否正常，其包括開關最輸出控制、開關量接收顯示和開關量周期接收。開關量輸出控制程序實現單周期工作模式下開關量的輸出控制。開關量接收顯示程序實現在單周期工作模式下開關最的輸入顯示。開關量周期接收程序是以一定周期讀取周期輸入的開關量，并顯示接收開關量的波形。

3.3 測試計算機軟件設計

閉環模飛系統測試計算機軟件采用Visual C++作為開發環境，通過調用驅動程序的動態鏈接庫，實現對閉環模飛系統各部分的任務調度。

測試軟件主要實現控制命令的發送和應答信息的接收，實現各個功能模塊自檢的啟動和發送文件的加載，接收數據的讀取、存儲和處理，開關量的輸入輸出控制，讀取接收開關量、處理及顯示。其中，RS－485模塊2路總線進行數據的發送和接收，系統軟件采用定時查詢的方式，以規定的周期按順序對各個功能模塊的接收緩沖進行查詢，采用DMA方式對接收緩沖中的數據進行讀取。并在數據的讀取過程中對讀取的數據進行處理、存儲和顯示。

系統軟件主要完成對6種測試模式的流程控制，如圖6所示，閉環模飛系統的系統軟件在點火發射流程測試中，首先通過控制繼電器接通供電1，然后立即通過1553B板卡的BC通道獲取自檢結果和武器類型碼。確定自檢結果和武器類型碼正確后開始接通供電2，并通知導彈供電2已經啟動和斷開供電1。在供電2起作用后，1553B再讀回其他設備的自檢結果，若自檢結果正確，則往彈上信息處理器裝訂測試所需要的參數并發出模擬要測量來測定導彈的真實工作狀態，接收和檢測PCM碼流，之后接通彈上電池并告知弾上處理器，待彈上信息處理器確認后斷開供電2，并有1553B取回激活結果，根據結果進入模擬飛行測試模式，在模擬完一次發射流程后，彈上信息處理器發出脫落信號，軟件檢測之后結束整個測試流程。

圖6 閉環模飛系統軟件流程圖Fig.6 Software flow of the closed loop system

4 閉環模飛系統功能驗證

閉環模飛系統與彈上信息處理器進行頻繁的大數據量數據交互，實現對彈上信息處理器控制軟件正確性的驗證，因此其通訊誤碼率是否滿足指標要求是衡量閉環模飛系統可靠性的重要指標。

在誤碼率的測試中，利用已檢定的通訊測試模塊發送器對閉環模飛系統中通訊模塊接收口進行誤碼率測試，利用通訊測試模塊的接收器對閉環模飛系統中通訊模塊的發送接口進行誤碼率測試。誤碼率測試大多采用統計的方法，即在大量通訊的基礎上以錯誤碼數與總通訊碼數的比值作為誤碼率的值［9］。誤碼率測試中采用計算機產生一個固定的偽隨機序列，其位數為512，即64字節。表1給出了不同置信度及不同誤碼數時的總通訊碼數經驗值［10］。其中，E為測到的誤碼數，N為傳輸的總比特數，R為給定的誤碼率值，CL為置信度。

測試系統中通訊板卡的誤碼率為10－6，即R=10－6，取 CL=99%，E=2，所以通訊總比特數 N=8.4×106bits，即在通訊總比特數為8．4 ×106時，若錯誤的比特數不大于3個，通訊卡的誤碼率優于10－6的置信度是99%。這樣經過反復多次測試均滿足要求，證明模塊通訊穩定，滿足閉環模飛系統規定的誤碼率指標。

表190 %，95%，99%置信度時NR數Table 1 NR number with 90%，95%，99%confidence

閉環模飛系統中第2個重要的指標是舵偏角的指示精度是否滿足要求，在測試過程中模擬多路電壓輸入，進行多組數據的采集和記錄，精度滿足了0.1°的要求。

閉環模飛系統的第3個重要技術指標是輸出開關量的脈寬是否滿足要求。首先，利用開關量功能軟件輸出一個高電平脈寬為2．5 ms，峰值為12 V的開關量。然后，通過示波器測量該輸出開關量的實際脈寬為(2．5+0．000 01)ms，輸出高電平的電壓值為11．98 V，證明該設計滿足要求。

5 結束語

本文根據彈上信息處理器的實際測試需求，綜合應用VxWorks實時操作系統技術、基于FPGA的可編程片上系統技術，實現了基于多個PCI總線功能模塊的實時閉環模飛系統。模飛系統軟件功能齊全、性能可靠，能夠對彈上信息處理器的工作狀態進行正確性檢查，并能配合彈上信息處理器完成模擬飛行地面試驗。其硬件系統運行穩定，能滿足彈上信息處理器不同研制階段的測試需求。模塊化的PCI插卡式設計模式，有較高的通用性，為后續開發通用化的彈上信息處理器模飛系統提供了基礎。

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