面向GJB 1188A接口的通用武器模擬器設計

(中國空空導彈研究院,河南 洛陽 471009)

在作戰飛機航電綜合試驗中，需要進行武器/懸掛物綜合試驗，測試飛機對武器/懸掛物進行控制管理的功能和性能。武器/電子艙段參與試驗是一個必不可少的環節，可以真實地檢測飛機與武器/懸掛物的適應性。但由于操作和成本上的限制，在實驗室使用武器/電子艙段很不方便，或者實驗室不具備試驗條件，如考核飛機的武器發射/投放功能試驗，并且在試驗過程中需要檢測飛機對武器/懸掛物各種故障模式的處理能力，武器/電子艙段也不具備模擬故障的能力，因此需要研制武器模擬器，實現對武器/懸掛物的半實物模擬，參與航電綜合試驗。隨著武器種類越來越多，需要的武器模擬器種類也越來越多，如果針對每一型武器都研制獨立的模擬設備，會導致模擬設備的數量越來越多、試驗成本越來越大，因此需要研制一套通用武器模擬設備，以適應不同類型武器掛載模擬的需求。

GJB 1188A規定了飛機與懸掛物之間的電氣接口，標準化了全部的總線、供電、離散線、高帶寬、低帶寬等信號的特性和部分使用邏輯，使得通用化武器模擬器的研制成為可能。本文針對GJB 1188A接口的武器，設計了一套通用型的武器模擬器，不更換或更換少量的硬件，通過增加不同類型的武器模擬軟件模塊，實現同時模擬多型武器的目的。

1 設計需求

模擬器模擬武器和發射裝置，主要設計需求包括：

(1) 同時模擬武器數量：12個。

(2) 對外接口為飛機與懸掛物間的接口，基本符合GJB 1188A，每個武器模擬接口包括：

① 總線信號：符合GJB 289A要求，單通道雙余度。

② 供電輸入信號：

直流28 V電源，包括電源1、直流電源2、輔助直流；

直流270 V，1路；

交流115 V，4路。

③ 離散線信號：

輸入信號，6個地址線，與地址回線構成通/斷；投放允許，信號特性為28 V/斷；

輸出信號：聯鎖和聯鎖回線，信號特性為通/斷。

④ 高、低帶寬信號,包括GPS輸入信號、視頻輸出信號、脈沖輸出信號等。

⑤ 其他非GJB 1188A中規定的接口信號，包括2路CAN總線、1路投放信號(輸出，28 V/斷)、1路應急投放信號(輸出，28 V/斷)等。

(3) 武器工作邏輯應符合專用規范的要求。

通過聯鎖和聯鎖回線做為掛載飛機的狀態；通過地址線識別掛點號；作為RT，通過GJB 289A總線與飛機進行數字通信；使用來自飛機的直流電源、交流電源作為武器用電；通過高、低帶寬信號傳輸GPS、復合視頻等信號。

2 系統概述

2.1 系統功能

武器模擬器采用物理手段模擬武器及其發射裝置的全部功能，主要功能如下：

① 提供模擬武器的所有對外電氣接口；

② 其電氣接口、通信接口、工作邏輯和時序符合武器專用接口控制文件、規范等頂層要求，工作過程主要包括掛載、上電、識別、參數裝訂、準備、發射和離機等各階段；

③ 運行可配置：通過操作人員對武器掛載方案的設置，包括武器類型、武器掛載情況等配置，重構運行任務，可以同時模擬多種類、多數量武器，目前暫定為可同時模擬12枚武器；

④ 具有故障模擬的功能，通過操作人員對各類型武器故障模式的設置，武器模擬器在運行過程中插入對應的故障；

⑤ 為保證通用性，不模擬電氣負載，當有電氣負載試驗要求時，可在外部接入電子負載直接與飛機相連。

2.2 工作原理

為完成武器的半實物模擬，將武器模擬器從邏輯上劃分為兩個部分：對外接口模塊和武器仿真模塊，原理框圖如圖1所示。

對外接口模塊為物理仿真[1]，實現之前所描述的與飛機交聯的各類型電氣接口，完成與飛機的總線通信與電氣信號交聯。武器仿真模塊是武器模擬器的核心部分，采用數字仿真的方式，模擬各型武器的工作邏輯和工作過程，通過運行駐留在CPU中的軟件完成，它從對外接口模塊中獲取飛機對武器的操作信息，經綜合處理后，將武器的行為狀態通過對外接口模塊進行輸出，反饋給飛機。

圖1 武器模擬器原理框圖

3 系統設計方案

3.1 總體設計

采用嵌入式計算機的架構方式，由嵌入式計算機內置的功能板卡實現對外接口，由武器仿真軟件實現武器發控邏輯。嵌入式計算機和功能板卡盡量采用COTS產品[2]，以提高設備的標準化設計程度。除高、低帶寬信號外，其他信號的特性在GJB 1188A中已經非常明確，面向一般使用，高帶寬信號接口設計為GPS信號、復合視頻信號，低帶寬信號接口為脈沖信號。對外接口留出足夠的余度，以方便擴展。

在嵌入式計算機內部對各個功能板卡信號進行梳理，形成N組掛點信號接口，對應N個武器，分別接入到設備的后面板航空插座上，通過后面板航空插座與飛機的N個掛點接口相連。

操作系統采用WindowsXP，采用C++語言進行編程，提供圖形化人機操作界面。

3.2 硬件設計

武器模擬器對外接口復雜，交聯信號類型和數量多，特別是飛機與武器間信號的邏輯和時序關系有嚴格的要求，必須滿足實時性要求，因此選用PXI[3]架構的嵌入式計算機。PXI在PCI的基礎上，增加了專用的的系統參考時鐘、觸發總線、星形觸發等機制，滿足武器模擬器所需的高精度定時、同步和數據通信的要求。在PXI機箱內配置多塊功能板卡，以PXI控制器為核心，組建硬件系統，如圖2所示。

機箱采用NI公司的PXIe-1082機箱，每插槽具有2 GB/s的專用帶寬和8 GB/s的系統帶寬。PXI控制器是武器模擬器的核心控制部分，采用NI公司的PXIe-8840控制器，四核處理器，2.6 GHz頻率，包括CPU、內存和硬盤等，軟件駐留在硬盤中，在CPU中運行，實現武器的數字仿真，通過其他功能板卡獲取外部輸入信息，將武器的實時行為通過其他功能板卡對外輸出。

圖2 硬件組成圖

GJB 289A總線通信卡具有單通道雙余度，模擬多個RT，實現與飛機的通信，通信協議符合GJB 289A。CAN總線具有多路獨立通道，通信速率為0～1 Mbit/s可調，支持CAN2.0A/B協議。視頻卡對外輸出多路復合視頻，視頻圖像可以受程序控制進行圖像縮放、平移、字符疊加等處理，以滿足高度寬信號的需求。GPS接收卡具有多路GPS接收模塊，接收GPS射頻信號，對NMEA協議進行解析，通過RS232總線發送給PXI控制器，以滿足高帶寬信號的需求。脈沖卡以FPGA+驅動/放大電路構成，在PXI控制器的控制下，對外輸出脈沖波形，滿足低帶寬的需求。離散量輸入輸出卡采用光電隔離的方式，采集外部的28V/斷開、地/斷開、通/斷信號，采用繼電器控制，對外輸出地/斷開、通/斷信號。交直流檢測卡由信號調理電路和采集電路組成，直流270 V、交流115 V信號經信號調理電路調理后，通過采集電路變換為數字信號，供PXI控制器讀取。

功能板卡數量的選取應以武器模擬器對外接口的類型和數量為依據，計算方法為同時模擬武器的數量×單枚武器最大的信號數量，并在此基礎上，保證適當的預留。為避免由于信號需求變更而引起硬件資源的不滿足，可以提前預留一些其他類型的信號接口。

3.3 軟件設計

3.3.1 軟件框架

為了降低軟件復雜程度、減少軟件間的耦合程度，軟件采用分層設計的架構方式，將復雜的系統功能分解為不同邏輯層次的簡單功能。將軟件進行分類，功能相似的封裝在同一層，相鄰層之間通過數據封裝進行信息傳遞，層與層之間相對獨立，每一層執行一個特定的任務，下一層為上一層提供服務，并屏蔽低層任務執行的細節。通過這種體系結構，整個系統劃分為若干個服務層次，上一層不需要知道下一層的服務是如何執行的，只需將服務的內容以數據交換的形式傳遞給下一層，由下一層執行。每一層任務分工明確，層層調用，這樣就把一個大問題劃分為若干個小問題，并為每個小問題設計一個單獨的協議，使問題的解決較為容易[4]，并且每一層內部的修改和功能擴展都不會對其他層有影響[5]。按照這種思路將武器模擬器軟件分為4個邏輯層次：系統功能層、武器仿真層、系統服務層和物理介質層，軟件架構如圖3所示[6]。

圖3 軟件架構

系統功能層負責人機交互界面顯示與控制、武器配掛方案管理、工作模式切換和任務調度，完成武器模擬功能。系統功能層依據武器服務描述信息和武器配掛方案，通過任務調度使用武器仿真層提供的武器仿真服務，實現武器模擬功能，并在顯示界面上顯示武器狀態信息。系統功能層與武器仿真層之間的接口包括武器通用接口參數和通用武器模擬函數，不涉及具體的武器特征。

武器仿真層封裝了多類型武器的具體行為特征、功能和邏輯，由一系列武器仿真模塊組成，接收系統功能層的調用、任務數據和指令，按照具體武器特征進行執行，形成特定的任務數據和發控邏輯，調用系統服務層功能，完成對外信息交互。

系統服務層主要包括操作系統和各個功能板卡的接口驅動函數，為武器仿真層提供系統時鐘、硬件信號訪問與控制等服務，封裝了具體的硬件特征，通過物理層實現對外接口的電氣信號交聯。

物理介質層封裝了武器模擬器與飛機之間的物理交聯介質和硬件接口，負責獲取外部電氣接口信息、將控制指令形成電氣信號輸出，實現了兩個設備之間電氣信號的交聯。

3.3.2 軟件通用化設計

按照圖3建立的軟件，層與層之間相互獨立，通過調用和數據傳遞可以獲取下層的服務，每一層內部的修改對其他層不影響。系統功能層按照不同的武器配掛方案調度不同類型的武器仿真模塊，武器仿真模塊通過系統服務層獲取外部輸入信號，依據觸發條件和武器工作邏輯，模擬武器的全部工作過程，并將武器工作過程中產生的外部行為特征，通過系統服務層發送給飛機。因此當仿真武器類型增加時，只需增加新的武器仿真模塊，并建立新增武器類型與新武器仿真模塊的映射關系，供系統功能層調用即可，其他層不需要改動，或僅需少量的特殊性改動。按照這一思路，標準化武器仿真軟件模塊對外接口參數，個性化不同類型的武器仿真邏輯過程，按照統一規范進行封裝和調用，以通過嵌入采用類似軟件插件[7]技術的武器仿真插件的方法，在系統功能層和系統服務層中間運行，達到軟件通用化設計的目標。

武器仿真模塊采用C++方法進行設計，系統功能層根據武器配掛方案生成實例進行調用。武器仿真模塊定義如下：

class Weapon_XXX_SIM

{

public:

void Begin_SIM();

virtual ～ Weapon_XXX_SIM ();

Weapon_XXX_SIM();

STRUCT_SMSMSG SMS_message;

STRUCT_IO_1188A SMS_IO_interface;

……

private:

……

};

類型為STRUCT_SMSMSG的結構體包含了所有的飛機與武器的GJB 289A消息，包括接收消息、發送消息等，結構定義與具體的ICD無關，STRUCT_IO_1188A包含了所有的非總線信號。外部任務負責將收到的總線消息、非總線信息傳遞給武器仿真模塊，由武器仿真模塊內部進行解析執行，并將執行結果和狀態按照ICD格式通過STRUCT_SMSMSG、STRUCT_IO_1188A傳遞給系統服務層，向外發送。

3.3.3 軟件主要流程

軟件主要分為3個部分，管理和調度、武器仿真和對外接口處理。

管理和調度軟件負責完成系統的初始化、自檢測、人機交互界面及各項任務的調度執行。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 管理和調度軟件流程圖

管理和調度軟件建立了武器類型與武器仿真模塊的映射關系，根據選擇的武器配掛方案，調用武器仿真模塊，設置仿真參數，生成武器仿真運行實例，根據武器仿真模塊輸出結果更新顯示畫面。

武器仿真軟件實現武器的數字仿真，每型武器仿真為一個C++類。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 武器仿真軟件流程圖

武器仿真軟件首先判斷武器供電是否是首次上電，如果是，則依據地址線，對GJB 289A模塊進行RT地址設置，建立與BC的總線通信，開始武器的數字仿真過程，依據其他任務傳遞過來的對外接口數據仿真武器階段的功能。

對外接口處理軟件中建立了基于XML格式的硬件資源配置文件[2]，此配置文件建立了物理的武器接口與邏輯的武器接口的映射關系，按照此映射關系，調用硬件驅動函數，實現對外接口的輸入和輸出。

3.4 實時性設計

Windows系統具有良好的人機界面，使用方式已經被廣大用戶所接受，同時提供了大量基于圖形的類，極大地簡化了軟件的工作量，但由于其基于消息和非搶占性的特點，不能滿足高實時性要求的使用需求[8]，而武器模擬器的時間精度控制一般要求在1 ms左右，因此采用Windows+RTX的方式[9]，在確保本系統的實時性的基礎上，保留了Windows環境下的編程習慣。RTX體系結構原理如圖6所示。

RTX對Windows系統不做任何封裝和修改[2]，只在Windows下進行安裝，擴展整個硬件抽象層HAL，通過獨立的內核驅動形成與Windows并列的實時系統。

RTX采用基于優先級的線程調度隊列，實現搶占式實時任務的管理和調度[8]，將中斷處理也賦予優先級，與處于準備就緒的任務進行統一調度。在本文所設計的武器模擬器軟件中，將軟件按照實時性要求進行分類，將具有實時性特征的軟件模塊做為RTSS進程運行在實時子系統中，如武器仿真軟件、硬件控制軟件，其他非實時性軟件，如界面顯示與操作、武器配掛管理、參數設置等顯示與管理類軟件，作為傳統的Win32進程運行在Win32子系統中。

圖6 RTX實時擴展原理

4 試驗驗證

在綜合試驗環境中進行武器模擬器的試驗，試驗構型如圖7所示。

圖7 試驗構型

陪試設備為某型懸掛物管理系統和綜合航電系統，使用監控設備，采集并記錄武器模擬器的所有輸入輸出信號，可以對試驗結果進行分析，在整個試驗過程中，武器模擬器同時模擬12枚多類型武器。

試驗按照武器流程，分別完成了武器的上電過程、自檢測、傳遞對準、任務準備和參數裝訂、投放/發射等步驟。試驗結束后，使用Origin軟件對監控設備記錄的數據進行分析，判斷武器模擬的邏輯、時間關系、實時性是否滿足設計要求。模擬某型武器的主要邏輯時序關系及數據分析如圖8、表1所示。

圖8 武器上電過程時序

表1 時間特性數據分析

從表1可以看出，雖然硬件信號的輸出具有一定的滯后，但軟件執行的響應時間滿足實時性的設計要求。從分析的試驗數據中可以得出結論：該武器模擬器的武器仿真邏輯、時間關系、實時性滿足設計要求，電氣接口通信正常。該武器模擬器已經用于實際應用。

5 結束語

本文從硬件構成、軟件框架設計和基于Windows的實時性設計等方面開展了分析和研究，采用了基于COTS的模塊實現硬件架構設計，提高了硬件標準化、通用化程度，實現硬件資源覆蓋武器接口的需求，并預留足夠的資源以滿足升級的需要；采用Windwos+RTX架構，提高了系統的實時處理性能；軟件設計采用分層架構，使用基于插件技術的武器仿真軟件模塊，保證了軟件設計的靈活性和擴展性，通過增加武器仿真插件，即可實現軟件的升級。該設備的研究，在GJB 1188A標準的貫徹執行、機載武器種類不斷快速更新等情況下，可以實現軟件的快速升級、減少試驗設備的重復投入，具有很大的現實意義和應用價值。