嵌入式彈載計算機檢測系統研究與實現

摘 要： 針對航空制導炸彈的自動檢測系統，按照自頂向下的設計思路，提出了檢測系統設計方案，論證了自動檢測系統方案的可行性。重點闡述了CPCI的系統框架、CPCI通信技術、嵌入式智能接口技術以及其基本實現思路。通過硬件設計、嵌入式軟件開發以及應用程序開發，實現了彈載計算機內嵌測試模塊與自動檢測系統的通信和交互操作。進一步完成了針對彈載計算機硬件接口和軟件的測試，經試驗驗證，該自動檢測系統有利于加快彈載計算機研發的試驗進程，實現了開發目的。

關鍵詞： 檢測自動化； 彈載計算機； 智能接口； 嵌入式系統； CPCI

中圖分類號： TN919?34； TP274+.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）17?0102?04

0 引 言

彈載計算機檢測系統是保障武器系統研制質量、戰斗威力的關鍵設備，它的戰術、技術性能對提高彈載計算機研制水平、研制進度以及提高裝備水平和作戰能力均有重要意義[1]。然而，對于彈載計算機，傳統的檢測方法已經無法滿足其檢測需求，而且在現在的軍用武器裝備中，檢測成本已經大大超過了武器的價格，耗時耗費人力的傳統檢測已經無法滿足目前快速信息戰的要求[2]。目前，以微處理器為核心的數字式儀器能大大提高檢測系統的精度、速度、檢測能力和工作效率，且有較高的性價比及可靠性。本文研究了基于嵌入式的高可靠性、便攜性和模塊化程度高的彈載計算機自動檢測系統設計的相關技術，對于我國的彈載計算機檢測設備的發展具有重要的理論意義和較大的工程價值。

1 檢測系統方案設計

檢測系統是彈載計算機在研發階段的必要設備之一，為了保障彈載計算機的性能質量，檢測系統需要具備以下方面的功能。

（1） 檢測系統需要實現制導炸彈各個分系統接口的電氣特性及輸入輸出信號的模擬功能。需要模擬的彈載分系統有以下幾個方面[3]：載機發射平臺火控系統模擬、IMU慣性測量單元模擬、GPS信號模擬、舵機系統模擬和引信及導引頭模擬等。

（2） 能夠實現與彈載計算機的通信，完成測試指令的下發，完成軟件各功能模塊的測試，將測試結果進行記錄、分析和顯示。

（3） 能夠通過仿真測試手段，對彈載計算機進行動態測試，對彈載計算機硬件接口和軟件性能給出綜合評價。

（4） 利用檢測系統完成彈載計算機半實物仿真測試，實現各個條件的仿真，以檢測彈載計算機的綜合性能。

在滿足測試需求的同時，檢測系統要能夠實現人機交互功能，對檢測的數據進行記錄，方便對數據做進一步的分析。

檢測系統的設計包括檢測設備硬件接口和軟件功能兩個方面。其中硬件方面，要能兼容被測對象——彈載計算機的硬件接口以及足夠的數據采集通道[4]。在軟件方面，要能夠完成基本的測試流程，能準確判斷出被測對象的功能完整性和可靠性。而檢測設備的設計，正是這個硬件接口和軟件功能的結合，整合成一個完整的測試系統。在充分了解彈載計算機檢測需求的基礎上，確定檢測系統的設計方案，然后進行硬件、軟件設計，并在研制的過程中不斷根據被測對象改進和完善檢測系統功能和性能設計，直到最終設計定型。

檢測系統要模擬除彈載計算機以外的全部制導控制系統，使其能夠全面地檢測彈載計算機。檢測系統模塊結構與彈載計算機的連接情況如圖1所示，兩模塊的連接部分由檢測系統的接口板實現，詳細接口見表1。

根據表1，檢測系統需要10路串口、10路開關量輸入、9路開關量輸出、4 路模擬量輸入、4路模擬量輸出。將圖1和表1的功能結構對應起來，完成檢測系統接口類型和數量的確定。

2 檢測系統接口模塊設計

該系統以CPCI作為系統架構，以CPCI主板、CPCI電源、CPCI測試板以及CPCI主機構建出系統結構。作為便攜式檢測設備，需要能與通用計算機緊密連接，因此選用CPCI接口作為檢測系統與上位機連接的方式。在CPCI檢測板中，使用了嵌入式接口技術與基于FPGA的智能接口技術。其中使用FPGA完成HPI接口以及CPCI接口協議是該系統的重點及難點。

表1 檢測系統接口列表

[檢測設備功能＼接口數量及類型＼火控系統模擬＼1路1553，6路炸彈控制信號，2路電源輸入＼模擬IMU＼1路A/D采集28 V供電電壓，1路RS 422＼模擬GPS＼1路I/O脈沖信號，1路RS 232＼模擬舵機＼4路A/D舵控信號，4路D/A舵反饋信號＼導航數據監控＼1路RS 422＼模擬引信＼1路RS 485＼翼張機構＼6路開關量＼模擬導引頭＼1路RS 422＼仿真檢測＼1路RS 232＼檢測注入＼1路RS 422加速度信息仿真注入，1路RS 232飛控檢測注入＼遙測＼1路RS 422飛控信息遙測，1路 RS 422導航信息遙測＼熱電池＼4路熱電池電壓模擬注入，由開關量控制繼電器實現＼]

檢測系統接口模塊的功能是完成彈載計算機以及外設與檢測系統之間的連接，該模塊的設計是以HPI主機接口為內部通信方式，A/D，D/A以及開關量輸入輸出為數據采集功能，由UART串口通信、CPCI接口作為外部通信方式，并將數據采集功能轉換為彈載計算機專用航空接口，實現檢測系統的采集功能及基本操作。

接口模塊的主要功能包括：上電自檢、對彈載計算機各個接口進行通信檢測及其內部電源檢測、對彈載計算機進行功能性檢測。接口模塊屬于被主板控制的一個功能模塊，由Windows下應用程序進行控制。其包括處理器單元、功能單元、電源單元和接口轉換單元四部分。根據檢測系統的功能要求以及彈載計算機的時序要求，由于檢測系統的接口模塊中可以使用多塊CPCI檢測板，因此在單塊板卡的接口數量上可以少于彈載計算機接口總量。

2.1 DSP與FPGA之間的通信方案

DSP與FPGA之間的通信有許多方法能夠實現，其中DSP與FPGA共用一個SDRAM的方案能夠高速完成數據傳輸。但容易出現多種復雜的意外情況[5]，對于總線仲裁的編程要求較高，需要FPGA有著完善的處理系統才能完成DSP對FPGA外設的操作。

另外，DSP與FPGA共用一個雙口RAM的方案具有兩套完全獨立的中斷邏輯和忙邏輯，可實現兩個系統的握手控制和對同一單元的讀/寫，且具有較強的兼容性，能很好地解決需要獨自處理總線仲裁的問題，降低了開發難度。但增加了一個雙口RAM芯片，并且增加了非常多的數據、地址總線，給PCB布局帶來了很大的困難。

第三種方案是FPGA通過DSP的HPI接口訪問其內部存儲空間，該方法不僅能直接訪問DSP內部存儲空間，無需復雜的總線操作，而且操作時序也非常寬松，很容易滿足要求，對于DSP與FPGA的數據傳輸是一個非常好的選擇。但該方案的傳輸速度有限，對于大數據量的傳輸無法滿足。

第四種方案是讓FPGA作為DSP的外設芯片，該方法使得FPGA容易操控，完全由DSP進行控制。不足之處也在于此，由于太過依賴于DSP，導致消耗DSP的運算量比較大，造成了較大的資源浪費。

如圖2所示，本系統的最終方案為上述方案三與方案四的結合，該方案能最大限度地靈活利用FPGA與DSP的通信，使用HPI接口能有效降低硬件開銷，將FPGA作為外設使得DSP更加靈活地控制FPGA，能簡化程序的復雜性，對于初次開發是一個很好的選擇[6]。

2.2 接口模塊電源單元的實現

由于CPCI提供3.3 V，5 V和±12 V四種電壓，因此本設計采用的電源單元工作電壓由CPCI提供。DSP和FPGA電源供電采用TI公司的專用電源管理芯片TPS70445，保證了最小系統的正常工作。為了防止干擾芯片電源電路，應與芯片電源隔離，因此使用了LTM8047DC?DC電源轉換芯片，將CPCI提供的12 V電壓轉換為5 V。

如圖3所示，電源芯片輸入端直接連接CPCI的5 V電源，由于EN1，EN2直接接地，因此芯片上電后，VOUT1，VOUT2會同時輸出電壓。由于PG1與MR相連且與一個開關串連到地，因此當PG1監測到VOUT1輸出電壓后，會變為高電平，而RESET經過120 ms后也被拉到高電平，達到DSP上電復位的功能。FPGA的電源電路與DSP完全一致，在電源輸出端增加一個發光二極管表示FPGA供電狀態。

由于UART與外界直接相連，容易受到外界的干擾，因此串口芯片的供電電源需要單獨隔離，以防板卡內部受到不必要的干擾。串口電源選擇了LTM8048 DCDC電源芯片，通過電容[C249]和電阻[R594]的數值來改變輸出電壓的大小。電源芯片的輸入電壓為12 V，輸出電壓為3.3 V。A/D電路同樣容易受到外界干擾，因此使用了同樣的電源隔離。由于D/A芯片的上電順序有要求，為了保障芯片能在上電時正常初始化，D/A芯片的IOVDD和數字引腳要與DVDD同時或者更早上電。為了滿足上電順序，設計時使用了MOS管，使得上電產生延遲，完成上電順序的設計。

2.3 處理器及其他單元設計

DSP能提供特殊的數字信號處理指令，可以用來快速地實現各種數字信號處理算法。DSP分為定點產品和浮點產品兩大類。而浮點器件的優點是精度高，不需要進行定標和考慮有限字長效應，本設計最終使用浮點數字信號處理器TMS320C6713。接口模塊的主處理器單元主要由DSP芯片、數據存儲器（SDRAM）、程序存儲器（FLASH）、JTAG接口、時鐘電路、鎖相環濾波電路、復位管理電路、電源電路組成，其最小系統框圖如圖4所示。

另外，FPGA是協處理器單元的核心，主要實現接口邏輯控制，主要控制的接口有UART，AD/DA，開關量輸入輸出，1553B，PCI。在該設計中，A/D芯片選用AD7609，A/D芯片的接口控制信號以及數據總線全部連接到FPGA的I/O口，由FPGA控制。模擬量輸入端經過雙端差分電平轉換電路后連接到A/D芯片輸入端。

本系統選用PLX9054作為CPCI的協議芯片。由于在CPCI檢測板中，外設的接口引到CPCI的J3插槽中，為了能與彈載計算機接口相連接，需要一一對應把CPCI接口轉換為彈載計算機專用的航空接口。因此對于不同的彈載計算機，可以使用不同的轉換接口單元相配合，增加了檢測系統的通用性。外部電源與繼電器的常開端相連接，電源輸出端與公共端連接，當繼電器開時，電源輸出端便會輸出外部電源值。因此彈載計算機的電源開關便可通過繼電器由CPCI檢測板的輸出口進行控制。

3 軟件設計與實現

彈載計算機檢測系統軟件基于Windows平臺進行搭建，它主要由人機交互界面、各個測試模塊程序和低層驅動三個部分組成[7?8]。圖5為彈載計算機檢測系統工作流程。首先載機火控系統給彈載計算機、組合導航系統、導引頭上電。上電后三個部件分別自檢。在彈載計算機自檢完后，載機通過1553B總線向彈載計算機發送包含載機信息的數據塊，彈載計算機成功接收到該信息后回發彈藥信息數據塊。之后，載機火控系統便依次進行星歷裝訂、傳遞對準、任務裝訂指令，并根據返回狀態確定系統是否正常運行。當彈載計算機收到所有部件準備好及工作正常的信號后，向載機上報系統準備好信號，并開始離機，進入自主飛行階段，開始通過導航信息進行控制解算，最后給出舵控指令進行導彈姿態控制。當制導炸彈擊中目標后，檢測結束。

3.1 DSP軟件設計

該軟件中，使用BIOS初始化DSP的內存管理、中斷向量以及定時器，免去了復雜中斷向量表的編寫。除了硬件配置和啟動模式是由系統啟動時就已經被設定好之外，其他所有的軟件配置都由設備配置寄存器（DEVCFG）進行配置，其寄存器地址為0x019C0200。該系統的外設使用的是內部時鐘，使用了定時器1和2，以及McBSP的功能，因此可以配置該寄存器。開關量由FPGA的I/O口進行控制，當需要DSP對I/O口進行操作時，則對FPGA的地址寫入一個操作數，FPGA判斷收到的數據后，改變其對應I/O口的狀態，完成開關量的控制操作。另外，DSP對A/D的操作通過FPGA完成，對D/A的操作則是通過DSP的McBSP接口完成。

3.2 FPGA軟件設計

在FPGA的軟件設計中，選擇Verilog HDL作為編程語言，該系統利用狀態機實現UART，UART的波特率由FPGA的時鐘分頻實現，使得串口的波特率可以從9 600～230 400 b/s可調。主機訪問接口（HPI）是DSP的一種并行接口，外部主機能通過該接口直接訪問DSP的內部存儲空間[9]。外部主機與DSP的數據交換是通過直接訪問內存（DMA）完成的。由于硬件上A/D的CONVSTA和CONVSTB引腳連接在一起，因此在軟件上可以看成一個引腳。

3.3 檢測軟件設計

檢測軟件可分為半實物仿真和實物仿真。當對應的模擬器件高亮時，代表對應的模擬器件被選中，此時需要設置該模擬器件的通信端口及參數，該模擬器件會在仿真時自動運行。測試模塊是檢測系統的重要組成部分，包括IMU模擬、GPS模擬、引信模擬和導引頭模擬。每個模擬部分都是對彈載計算機的一個功能的測試。因此要能完整地測試彈載計算機的功能，每一個模擬的功能都必須完備。

此處不再贅述其他細節，對系統軟件進行測試，其測試結果如表2所示。

表2 系統軟件測試結果

[開關量＼結果＼開關量輸出＼正常＼開關量輸入＼正常＼串口接收＼發送1 MB＼9 600 b/s＼實收1 MB，誤碼率為0＼19 200 b/s＼實收1 MB，誤碼率為0＼38 400 b/s＼實收1 MB，誤碼率為0＼115 200 b/s＼實收1 MB，誤碼率為0＼230 400 b/s＼實收1 023 B，誤碼率為0.09%＼HPI讀寫＼地址有效范圍為0x80000000～0x8FFFFFFF＼CPCI讀寫＼正常運行＼A/D＼正常運行，零點電壓為100 mV，最大誤差為710 μV＼D/A＼正常運行，最大輸出范圍為12 V＼]

4 結 論

以航空制導炸彈檢測系統為工程應用背景，從具體的DSP和FPGA的處理能力和管理資源入手，提出了檢測系統的組成方案，論證了系統設計方案的可行性。對CPCI架構下的系統進行搭建，對檢測系統的架構進行分析，給出了檢測系統的關鍵部分——檢測系統接口模塊的硬件設計方案。并根據該硬件電路完成了DSP和FPGA接口模塊的設計。在已完成的接口模塊的基礎上，設計了Windows平臺下彈載計算機檢測系統的應用程序，實現了檢測系統的檢測功能，證明了檢測系統設計的合理性。然而該系統在硬件配置的合理程度和軟件功能的運行效率方面還不夠優化，在下一步的研究中可以考慮通過進一步完善系統的集成度，以及完善DSP與FPGA之間的通信方式來提高系統的性能。

參考文獻

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