基于PC/104的武裝直升機觀瞄裝置檢測系統設計和實現?

竹武林,范惠林,劉成亮,侯滿義

(空軍航空大學航空軍械系,吉林長春 130022)

某型武裝直升機裝備了第三代觀瞄裝置,實現對目標的搜索、探測、捕獲、跟蹤、瞄準,觀瞄裝置的性能決定了武器系統的跟蹤性能、瞄準精度和命中精度.對觀瞄裝置的工作性能進行檢測,將有助于提高觀瞄裝置和整個武器系統的工作可靠性,保證武器正常發射和精確命中.本文研究實現了基于PC/104的觀瞄裝置檢測系統.

1 檢測原理與需求分析

觀瞄裝置是光、機、電一體化系統,裝有多種精密光電器件,各種信號交織復雜.觀瞄裝置的光電吊艙內部安裝有紅外熱像儀、電視觀瞄儀、激光測距機等光電組件和加速度、角度位置傳感器、陀螺儀等,此外還有力矩電機、伺服電路和驅動電路.其系統組成如圖1所示.電子箱接收光電吊艙的狀態數據、火控信息、圖像信息,以及武器控制單元的火控參數等,經過轉換后傳輸給綜合顯示器、火控計算機和武器控制單元,同時將外部操作命令和火控計算機命令進行處理,轉換成指令,控制瞄準線運動和操作系統各組件[1].

光電吊艙與電子箱之間的通信接口采用的是RS-422標準.因此檢測系統與光電吊艙進行RS422通信,采用主從通信方式獲取吊艙內紅外、電視和激光等部件傳感器的自檢信息、狀態信息和參數信息,以確定各部件的工作狀態.

火控計算機與武器控制單元之間通過ARINC429總線進行數據通信.檢測系統模擬火控計算機,預存火控解算結果,轉換成429編碼數據,與武器管理單元通信[2],針對檢測任務項將命令數據發送到武器控制單元;并接收武器控制單元上傳的響應、數據和狀態指示等.檢測系統數據信號關系如圖2所示.

圖1 觀瞄裝置組成Fig.1 The structure of observing and aiming equipment

圖2 檢測系統數據信號關系圖Fig.2 Relations between data flows in the test system

觀瞄裝置各機構部件的供電均為直流電,共有+28 V,+15 V,-15 V,+12 V,-12 V,+5 V 6種電壓提供給各組件.檢測系統測量經過電子箱后提供給光電吊艙的6路電壓信號,檢測電壓變化情況及對觀瞄裝置性能的影響.

由于PC/104模塊體積小、結構緊湊、可靠性高,將PC/104嵌入式工業測控平臺應用到檢測系統的開發中,其模塊化的堆棧結構,使得系統易于配置,能顯著提高在復雜環境下的檢測性能.因此檢測系統以PC/104嵌入式系統為控制核心,實現檢測任務的調度管理、數據通信、數據的采集處理和顯示等功能[3].

檢測軟件主要實現以下功能:①管理通信接口卡和數據采集卡的硬件資源;②運行檢測軟件,管理調度檢測任務;③實現串行通信協議和ARINC429協議;④實時收發和處理數據.

檢測軟件平臺選擇Windows XP,軟件開發環境選擇VisualC++6.0.

2 硬件設計

系統硬件主要由PC104計算機、串行通信卡、ARINC429總線接口卡、數據采集卡、信號調理電路板、LCD顯示器、電源及鍵盤鼠標組成,如圖3所示.系統擴展板卡共占用68個8 b IO空間地址,避開主板已占用的地址,在BIOS設置了3個板卡的基地址和地址空間大小.

觀瞄光電吊艙的組件OCU、TV、LR、FLR與檢測系統之間通信的速率、數據幀長度、數據內容不同,因此將串行通信卡提供的4個端口分別對應4個部件,每個通道單獨接收,降低了軟件處理數據的復雜性[4].每個通道16Bytes的FIFO緩沖區,使得系統忙的時候,避免了因不能快速處理中斷而導致的數據丟失,降低了CPU的負載.

檢測系統通過ARINC429總線與武器管理單元和光電吊艙通信,每個通道配有獨立的256 b×16 b的FIFO.

在檢測6路電壓信號時,設計了信號調理電路,將各路電壓變換到A/D卡模擬量輸入的范圍內.同時檢測儀的數據通信避開電源信號,防止干擾.

圖3 硬件系統組成框圖Fig.3 The framework of hardware system

3 軟件設計及關鍵技術

3.1 檢測軟件結構和功能

檢測軟件采用模塊化設計[5],分為觀瞄自檢、傳感器功能檢測、火控信息檢測、數據文件管理和用戶管理5個模塊.軟件的邏輯結構如圖4所示.

圖4 檢測軟件邏輯結構圖Fig.4 The logical structure of the software

軟件初始化包括軟件界面庫和驅動程序接口函數庫的加載,板卡的參數設置,通信參數設置,通信板卡的上電自檢,用戶界面線程、數據接收線程和數據處理線程的創建.

自檢模塊在觀瞄上電后檢測系統向觀瞄發送強制自檢命令,觀瞄向檢測系統回復自檢信息,完成觀瞄的自檢;傳感器檢測模塊和火控信息檢測模塊分別對各自部件的檢測進行控制,向檢測部件發送控制命令,接收響應信息并進行處理,確定各部件的狀態;數據文件管理模塊實現檢測結果的自動保存、調閱,Excel文件的管理等;用戶管理模塊負責用戶目錄的創建,提供登錄檢測軟件、更改用戶和密碼等服務.

3.2 多線程處理

檢測系統需要實時接收和處理觀瞄發送的命令響應信息,而Windows XP操作系統是非實時操作系統,為了保證系統檢測的實時性,軟件采用了多線程技術.在軟件初始化時,創建了用戶界面線程和兩個數據接收線程.用戶界面線程負責界面處理,包括響應用戶的輸入和各種事件消息[6].對于實時性要求不高的電壓量數據,軟件初始化時創建定時器,在消息響應函數中實現定時采集電壓量信號,并進行處理和顯示.

串口數據接收線程通過查詢方式循環檢測各通道的FIFO,當FIFO里有數據并且判斷數據量大于等于數據幀長度時,接收數據;而ARINC429數據接收線程一直檢測通道的FIFO,FIFO不為空時接收數據.串口數據接收控制流程如圖5所示.

圖5 串口數據接收控制流程Fig.5 The control flow of receiving serial data

3.3 串行通信差錯控制

串行通信通常采用主從式結構.本文設計的檢測系統工作在主站模式,負責數據結構的組成、數據的發送接收和處理,觀瞄工作在從站模式,響應主站的命令并回復相應的狀態信息[7].

觀瞄收到檢測系統的控制命令后作出響應,向檢測系統回復相應的狀態信息,數據幀格式包括兩方面的內容:即檢測系統下發給觀瞄控制命令和觀瞄上傳給檢測系統的狀態響應數據.圖6所示為狀態信息編碼格式[8].

直升機上有多種電子設備,電磁環境復雜,數據通信過程中會受到多種噪聲信號的干擾,為了保證數據傳輸的可靠性,數據通信必須有差錯控制功能.串行通信采用限定時間接收和計算校驗兩種方法來判斷數據傳輸錯誤,并進行差錯處理[9].

當接收到一幀數據后,首先計算各字節的校驗和,與數據幀的校驗字節比較,若不相同即接收信息無效,檢測系統不對接收數據進行處理,并顯示錯誤信息.而觀瞄則不執行錯誤的控制命令.

在主從式通信方式中,通信由主站發起,當檢測系統發出一幀數據后,檢測軟件啟動一個定時器,如果在定時器設定的時間內,檢測系統沒有收到觀瞄的應答幀(即狀態數據信息),檢測系統則作出超時響應,并重發數據[10],若超出規定的發送次數仍無響應,檢測軟件報告通信錯誤.串行通信控制流程如圖7所示.

圖6 狀態信息編碼格式Fig.6 The format of coding status information data

圖7 串行通信控制流程Fig.7 The control flow of serial communication

4 結束語

PC/104嵌入式計算機作為控制核心的觀瞄裝置檢測系統,采用多線程,提高了檢測的實時性,采用差錯控制技術,提高了數據通信的可靠性.應用結果表明,整個系統設計合理,工作可靠,檢測精度高,操作維護方便,在功能上完全滿足對直升機觀瞄裝置的測試需求,提高了故障檢測與診斷效率,提高了武裝直升機的維護保障能力.

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