基于嵌入式系統(tǒng)的多管火箭彈檢測設(shè)備*

劉航航,馬 驥,李曉穎,郭彥辰,于岳辰

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

目前制導(dǎo)火箭彈主要運用了彈道修正技術(shù)和制導(dǎo)技術(shù),加裝改進了制導(dǎo)控制系統(tǒng)及部件,這些部件涉及到機械、電子、計算機、自動控制、信息處理等領(lǐng)域,組成復(fù)雜,系統(tǒng)性強[1-2],一個關(guān)鍵器件或部件發(fā)生故障會導(dǎo)致整個武器系統(tǒng)不能工作或制導(dǎo)精度、作戰(zhàn)效能大大降低,因此非常有必要對經(jīng)過貯存或運輸后的火箭彈進行狀態(tài)確認。國內(nèi)已有相關(guān)單位對導(dǎo)彈展開了檢測設(shè)備的研發(fā)[3-4],也有單位對火箭彈發(fā)控系統(tǒng)或彈上某些部件展開了檢測研究工作[5],但未見對火箭彈檢測方案的研究報導(dǎo)。文中提出的基于嵌入式系統(tǒng)的多管火箭彈道修正彈檢測設(shè)備,適用于箱裝狀態(tài)下多管火箭彈的檢測,可在廠房、倉庫、技術(shù)陣地等場合快速完成檢測工作,具有很大的應(yīng)用潛力。

1 總體方案

總體測試方案如圖1所示,火箭彈是在箱裝狀態(tài)下進行檢測,檢測設(shè)備通過信息交換單元配合完成對火箭彈的檢測。為節(jié)約成本和簡化硬件系統(tǒng),設(shè)計檢測設(shè)備一次只能檢測一發(fā)火箭彈,信息交換單元主要完成對指定火箭彈供電電源和控制信號的切換。如要對整箱火箭彈進行檢測,可按照次序控制信息交換單元進行切換。

圖1 檢測設(shè)備系統(tǒng)框圖

火箭彈檢測系統(tǒng)主要由供電組件、檢測設(shè)備主機組成,供電組件為檢測設(shè)備主機、信息交換單元及火箭彈提供能源；主機主要功能是控制供電組件為信息交換單元及儲運發(fā)箱內(nèi)的火箭彈供電,并輸出激勵信號、完成時序控制、數(shù)據(jù)采集分析、檢測結(jié)果輸出,數(shù)據(jù)存儲與導(dǎo)出等功能。

將檢測設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)及結(jié)果導(dǎo)出進行統(tǒng)一管理,進行長期的跟蹤與監(jiān)測,可以完整了解火箭彈在貯存、運輸過程中狀態(tài)的變化情況,為火箭彈的保養(yǎng)維修、貯存管理、可靠使用奠定良好的基礎(chǔ)。

2 硬件設(shè)計方案

硬件功能框圖如圖2所示,主要包括主控模塊、存儲模塊、供電控制模塊、通訊接口、電源控制接口以及人機交互等模塊。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 主控模塊

檢測設(shè)備的硬件電路是基于NXP公司的ARM控制器LPC2294設(shè)計的,該芯片是一款具有極高集成度并以ARM7TDMI-S為內(nèi)核的微控制器, CPU可以高達72 MHz的系統(tǒng)時鐘運行,集成豐富的片內(nèi)資源,此外可通過總線外擴控制器。主控模塊還包括晶振、復(fù)位電路、外擴SRAM,復(fù)位信號通過MAX708控制輸出,外擴SRAM通過數(shù)據(jù)總線和控制總線訪問,其容量為512 KB。

2.2 以太網(wǎng)接口模塊

設(shè)計有2路以太網(wǎng)接口,微控制器通過一路以太網(wǎng)接口與信息交換單元進行數(shù)據(jù)交互,通過另一路接口向上位機導(dǎo)出存儲的數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)接口設(shè)計方案如圖3所示,微控制器通過數(shù)據(jù)總線、讀使能信號、寫使能信號和指令信號、復(fù)位信號、片選信號和中斷信號對以太網(wǎng)控制器進行訪問、控制及數(shù)據(jù)收發(fā)。以太網(wǎng)接口電路包括以太網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡(luò)變壓器和晶振。以太網(wǎng)控制器選用DM9000系列產(chǎn)品,該控制器內(nèi)集成了10/100 M自適應(yīng)的PHY和4K DWORD的SRAM,支持3.3 V和5.0 V,提供了介質(zhì)無關(guān)的接口,支持8/16/32位接口訪問內(nèi)部存儲器,完全符合IEEE 802.3U規(guī)格。

圖3 以太網(wǎng)接口設(shè)計方案示意圖

2.3 數(shù)據(jù)存儲模塊

數(shù)據(jù)存儲方案選用成熟可靠的SD卡AF512SDI進行存儲。微控制器與SD卡二者電平匹配可以直連;并通過P型MOS管可以控制SD卡的電源信號;操作前可以通過在位檢測信號判定SD卡是否插接到位;數(shù)據(jù)線、命令線、時鐘線采用PESD器件提供靜電保護。

2.4 電源接口控制模塊

為確保檢測的安全性與可靠性,只有在檢測設(shè)備自身狀態(tài)正常的前提下才可以給被測對象供電,如果被測對象狀態(tài)異常時需要第一時間切斷供電電源,因此微控制器通過繼電器控制火箭彈電源的通斷,控制信號經(jīng)達林頓管ULN2003驅(qū)動控制繼電器的開啟與閉合,從而達到控制供電電源通斷的目的。ULN2003是7通道的達林頓管陣列,單通道可承受最大500 mA的灌電流,因此,可同時實現(xiàn)多路的信號切換控制,而且該芯片內(nèi)部集成了反向續(xù)流二極管,具有較好的保護性。

2.5 人機交互模塊

人機交互模塊包括功能輸入按鍵和狀態(tài)顯示模塊兩部分。檢測設(shè)備設(shè)計有多路DI接口,用于采集判定用戶的按鍵操作。狀態(tài)顯示模塊選用成熟的串口屏,微控制器與顯示屏之間通過RS232接口進行數(shù)據(jù)交互,將用戶操作的提示信息,檢測過程中的關(guān)鍵信息、狀態(tài)、告警信息,檢測結(jié)果等信息輸出至顯示屏,以盡可能實現(xiàn)友好的人機交互。微控制器采用內(nèi)部集成的UART模塊進行數(shù)據(jù)的收發(fā)管理。

2.6 二次電源模塊設(shè)計

為了減少檢測設(shè)備對被測產(chǎn)品的影響,檢測設(shè)備對外接口與核心控制電路采取了隔離措施,因此供電電源進入控制電路后經(jīng)DC/DC和LDO分別轉(zhuǎn)化為VCC5.0和VCC3.3兩路供電信號,其中VCC5.0給UART接口芯片、數(shù)字隔離器等供電,VCC3.3給微控制器、數(shù)字隔離器等供電。

3 軟件設(shè)計方案

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計

火箭彈檢測設(shè)備軟件基于μCOS-Ⅱ?qū)崟r嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)。架構(gòu)如圖4所示,程序分為應(yīng)用層與驅(qū)動層,驅(qū)動層封裝了對以太網(wǎng)、串口等各模塊控制信號的操作與數(shù)據(jù)讀寫,各個模塊獨立封裝,便于后續(xù)程序的修改與維護;應(yīng)用層按照檢測流程與時序?qū)崿F(xiàn)信息交互。

圖4 軟件架構(gòu)示意圖

軟件整體架構(gòu)是基于μCOS操作系統(tǒng)的多任務(wù)機制,并設(shè)置了外部以太網(wǎng)中斷、串口中斷和內(nèi)部周期為T的定時器中斷。當通訊接口有數(shù)據(jù)到來時,外部中斷會觸發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收任務(wù)完成對數(shù)據(jù)的接收;內(nèi)部定時器每隔T時間產(chǎn)生一次中斷,該中斷啟動應(yīng)用層邏輯處理的任務(wù),在該任務(wù)中查詢是否有接收到以太網(wǎng)或串口數(shù)據(jù)或者用戶按鍵輸入,依據(jù)用戶輸入指令執(zhí)行對應(yīng)的功能模塊,對接收數(shù)據(jù)進行判定、分析,并執(zhí)行相關(guān)的數(shù)據(jù)回復(fù)、流程控制或者狀態(tài)輸出,詳見圖5。

圖5 軟件工作示意圖

3.2 軟件功能設(shè)計

軟件功能主要包括自檢、檢測、輔助三大功能。火箭彈檢測設(shè)備軟件上電初始化完成自檢后,實時輪詢用戶按鍵輸入、通訊接口輸入信息,按照功能指令執(zhí)行相關(guān)檢測、輔助功能模塊,并及時輸出有關(guān)狀態(tài)信息,軟件工作流程見圖6。

圖6 軟件工作流程示意圖

3.2.1 自檢功能

為確保產(chǎn)品可靠工作以減免外部激勵對被測對象的不良影響,檢測設(shè)備在對火箭彈檢測之前首先要進行自檢,自檢模塊包括RS232通訊接口、NET通訊接口、存儲模塊等,通訊接口通過外部電纜形成回路進行數(shù)據(jù)收發(fā)確認,存儲模塊自檢通過微控制器的數(shù)據(jù)操作實現(xiàn)。自檢完成后輸出自檢結(jié)果,如果狀態(tài)異常可輔助指導(dǎo)用戶快速定位故障單元。

3.2.2 檢測功能

進入檢測流程后,用戶首先設(shè)置檢測方案,檢測方案分兩種,一是對指定管位的火箭彈檢測,二是對整箱火箭彈進行檢測,設(shè)置完成控制電源輸出給信息交換單元和火箭彈供電,并判定被測對象的自檢狀態(tài),如自檢結(jié)果正常進行信息交互實現(xiàn)對要求功能的檢測,并對采集的數(shù)據(jù)進行處理、分析,給出判定結(jié)果并顯示。

3.2.3 輔助

輔助功能主要包括記錄查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出及記錄刪除。

用戶可以查詢檢測記錄,檢測設(shè)備默認給出歷史檢測記錄,用戶可根據(jù)需求對特定管位的火箭彈檢測記錄進行檢索。

數(shù)據(jù)導(dǎo)出有兩種方案,一種是將SD卡取出借助于外部設(shè)備進行導(dǎo)出,另一種方案是上位機通過以太網(wǎng)接口與檢測設(shè)備交互,檢測設(shè)備軟件按照上位機指令要求從SD卡讀取數(shù)據(jù)并上傳。

用戶可以對記錄的數(shù)據(jù)進行清除,當記錄較多影響用戶使用體驗時可以對部分或全部記錄刪除;此外在戰(zhàn)場特殊狀態(tài)用戶不希望數(shù)據(jù)存留時可一鍵操作清除所有數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

1)火箭彈檢測設(shè)備硬件系統(tǒng)基于ARM微控制器設(shè)計,充分利用了微控制器的資源和總線,實現(xiàn)對外部多接口、多功能模塊的管理,為火箭彈的檢測設(shè)備研制奠定良好基礎(chǔ)。

2)火箭彈檢測設(shè)備軟件基于μCOS操作系統(tǒng)設(shè)計,采用多任務(wù)機制,高效可靠的實現(xiàn)了對火箭彈的檢測任務(wù)。驅(qū)動層各個模塊獨立封裝,應(yīng)用層借助于中斷響應(yīng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收管理,便于后續(xù)程序的修改與維護。

3)有關(guān)應(yīng)用和試驗情況表明檢測設(shè)備可以對火箭彈的狀態(tài)做出有效的有價值的評估,為火箭彈生命周期內(nèi)的保障維護工作提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

4)火箭彈檢測設(shè)備具有較好的軟硬件架構(gòu)和通用性,借助于信息交換單元具備了良好的通用性和可擴展性,可快速適配于基于相同武器平臺研制的火箭彈的檢測。