一種應用于智能彈藥的電氣系統時序仿真平臺設計

荊 廣，李 平，張 楊，李歡麗，藺子存

(西安現代控制技術研究所，西安 710065)

0 引言

導彈武器系統作戰反應時間，是指該武器系統自接到目標指示到正確射出第一枚導彈所必需的時間[1]，是影響導彈攻擊時快速反應能力的重要因素。導彈發射流程中的時序設計直接影響著系統的作戰反應時間，而系統級的總線網絡延遲是時序設計的重要設計依據。目前對于某單體部件的總線網絡延時可通過連接上位機來做針對性的摸底測試，但在智能彈藥武器系統中系統級的總線網絡延時還沒有有效的方法進行摸底測試。因此，設計了一種應用于智能彈藥的電氣系統時序仿真平臺，并進行試驗驗證，為導彈發射流程的時序設計提供必要的設計依據。

1 總線延時的分類與計算方法

總線的網絡延時定義為：待發送的數據從總線節點a的變化開始計時，到另一個總線節點b中得到確認，中間經歷的時間間隔稱為總線延時[2]。總線報文信息的延時主要由幀延時、軟件與總線控制器硬件延時、媒體訪問延時等部分組成。

1.1 幀延時分析

數據幀的延時由數據幀長度和總線數據傳輸速率決定。數據幀長度在總線數據幀定義中由數據幀類型與幀格式決定，二者均會間接影響數據幀的延時；總線數據的傳輸速率由波特率來度量，波特率也是決定幀延時的重要因素之一。由數據幀格式及波特率得幀延時表達式為：

(1)

式中：Δt1為幀延時；k1為幀延時特征參數；b1為總線數據傳輸的波特率；n1為所傳輸數據的幀長度字節數；m1為數據幀信息格式包含的數據位數。

1.2 軟件及控制器延時分析

軟件延時是指在指令的處理進程中，總線的主CPU將數據從總線控制器讀出和寫入并作響應處理的延遲時間，與系統采用的具體CPU型號、控制器性能和接口電路芯片有關。

軟件延時對應數據在總線控制器中讀出與寫入的延遲時間，其表達式為：

(2)

式中：Δt2為軟件延時；k2為軟件延時特征參數；b2為總線數據傳輸的波特率；n2為所傳輸數據的幀長度字節數；m2為數據幀信息格式包含的數據位數。

總線控制器延時定義為接收、發送緩存器中對信息實現串、并轉換所花費的時間。總線控制器對數據緩存器中信息實現串行化編碼與解碼所花費的時間與波特率、數據字節數、數據幀信息格式包含的二進制位數相關，其表達式為：

(3)

式中：Δt3為總線控制器延時；k3為控制器延時特征參數；b3為總線數據傳輸的波特率；n3為所傳輸數據的幀長度字節數；m3為數據幀信息格式包含的數據位數。

1.3 媒體訪問延時分析

當系統中控制節點的數量增多，總線網絡中的信息量逐漸增加時，由報文之間搶占資源而導致的媒體訪問延時所占的比例逐漸增大。以CAN總線為例的總線型控制網絡，將報文間的競爭發送機制看作一個帶優先級的排隊系統。設v為等級量數，CAN總線報文的優先級劃分為0～v-1的不同等級，且報文等級i越小則優先級越高。不同等級的報文類型通過泊松分布的方式進入系統中，平均到達速度為：λ0，λ1，…，λv-1。總線網絡對報文的平均服務速率為：μ0，μ1，…，μv-1，服務時間服從指數分布[2]。

由排隊系統的優先級機制分析，可得到第i級報文信息的等待時間為：

(4)

2 電氣系統仿真平臺設計

為實現對系統級總線網絡延遲時間的摸底，優化智能彈藥工作時序，設計了基于實時操作系統的電氣系統時序仿真平臺，以應用于智能彈藥電氣系統的全數字和半實物時序仿真[3]。

2.1 系統總體方案設計

電氣系統仿真平臺采用構建在以太網基礎之上的分布式系統架構，采用主控計算機+多個仿真工控機+仿真機板卡的硬件架構和RT-LAB+ Simulink+LabVIEW的軟件布局，具有實時性強、仿真精度高、擴展性好的優勢。

系統方案如圖1。

圖1 系統方案

2.2 系統硬件方案設計

電氣系統仿真平臺主要包含電氣設計與建模分系統、電氣仿真分系統、數據采集與測量分系統。

電氣設計與建模分系統由一臺高性能主控制計算機構成，可適應高關聯性、多資源的建模需求。

電氣仿真分系統包含主控計算機、仿真機，不同信號類型的I/O板卡、電源模擬設備、點火仿真設備、矩陣開關模塊、適配電纜組件及接口面板。仿真機配置Redhat實時操作系統及I/O板卡驅動，通過PCI/PCIe總線驅動外設電氣接口通信；接口仿真板卡選用PCI總線板卡，板卡類型包含RS422、ARINC429、1553B、CAN等總線及AD、DA、DIO等模擬量。仿真機負責運行主控計算機的數字模型，通過驅動接口板卡及矩陣開關將數字模型與實物部件關聯，完成數字信號及模擬信號的輸入輸出。電氣仿真分系統組成如圖2。

圖2 電氣仿真分系統組成

數據采集與測量分系統由主控計算機、數據庫服務器、數據采集設備、電氣測量設備組成，用于在全數字仿真和硬件在環的系統集成驗證中對數據信息和電氣信號的采集、檢測、存儲與顯示。

2.3 系統軟件方案設計

電氣系統仿真平臺利用Simulink模型建模，將模型封裝在LabVIEW中，在LabVIEW的人機交互界面實現模型配置等操作。通過RT-LAB組件實現在仿真機中的實時運行[4]。仿真時，通過LabVIEW界面實現對仿真流程的配置與監控。

2.3.1 建模流程設計

電氣系統仿真平臺的建模流程包含電氣物理層參數配置建模、線束拓撲層電氣連接關系建模和應用層的通信流程建模。

建立模型流程如圖3。

圖3 建模流程

電氣物理層建模包括通信接口波特率、電平范圍、采樣頻率等硬件配置以及硬件接口與ICD的端口關系，采用MATLAB/Simulink信號端直連的形式進行描述；線束拓撲層通過XML結構體或Excel表格的文件形式描述；應用層的通信流程模型與總線協議層包括MIL-STD-1553B、ARINC429、CAN、RS232/422/485、模擬信號、開關量、脈沖等接口的ICD模型，以C/C++代碼形式描述。

應用層模型的程序設計流程如圖4。

圖4 應用層模型程序設計流程

通信流程模型程序中mdlInitialize Start()是初始化函數，主要通過！ssSetNumInputPorts()、！ssSetNumOutputPort()對發送端、接收端的接口數目進行初始化。mdl Start()、Load ControlData()函數實現配置文件的讀取，將用戶定義的輸入端、輸出端、端口定義、波特率、協議內容等配置文件讀取到模型中。mdlOutput()作為核心函數，負責處理輸入、輸出口邏輯，可實現接收端對接收到指令的定位、判斷、回復及轉發相應指令。

2.3.2 仿真流程設計

在完成對電氣系統的建模后，利用動態系統綜合(DSI)方法開展結合實裝部件的電氣系統仿真驗證。電氣仿真全流程包含全數字仿真、半實物仿真、全實物仿真、數據采集、測量及存儲。

仿真流程首先進行全數字仿真，驗證應用層協議邏輯的正確性。協議驗證無誤后，將模型下載至仿真機中，使用硬件板卡以回路的方式在實物部件接入前對信息交互的時間延遲、硬件板卡的性能進行摸底。其次，利用接口配線設備和矩陣開關將實裝單體部件逐一接入電氣系統模型中，實現對被測實裝部件的仿真摸底[5]。最后，將多個實物部件同時接入到系統中代替對應數學模型中的模塊，考核部件間協同的信息交互及時序摸底功能。仿真流程如圖5。

圖5 仿真流程

3 時序仿真測試與結果

3.1 系統模型建立

某導彈地面發控系統主要由發控裝置、顯控裝置等組成，彈上制導與控制部件包含彈上計算機、導航裝置、衛星定位儀、舵機等。根據導彈發射階段的信息流向關系，在1553B總線與RS422總線信號傳輸特性及拓撲結構的基礎上，建立某型導彈網絡拓撲結構模型，如圖6所示。

圖6 某型導彈網絡拓撲結構模型

以彈上計算機為例建立該部件時間延遲模型，延時主要包括：

a)幀延時：k1∈(1,3)，由式(1)可得不同數據幀信息在不同波特率下的幀延時Δt1。

b)軟件延時及控制器延時：彈載計算機選擇TM230C6416型號的DSP處理器，總線軟件延時與控制器延時系數k2∈(0.001，0.099)、k3∈(0.001，0.099)，由式(2)、式(3)可得Δt2與Δt3。

c)延遲時間：T=Δt1+Δt2+Δt3。

以某導彈擊發流程中的“制導部件狀態查詢”子流程為例建立應用層通信流程模型：發控裝置(B)向彈載計算機(A)發送“制導部件狀態查詢”指令，發控裝置若在300 ms內未收到正確回復或接收無效數據，則重發命令，最多發3次，3次后仍未收到則中止流程；彈載計算機向各彈上制導部件(C、D、E)轉發“狀態查詢”指令，彈載計算機如果在80 ms內未收到正確回復或接收到無效數據則重發命令，最多發3次，3次后仍未收到則向發控裝置返回某制導部件狀態異常。

3.2 仿真流程設計

為了驗證發控裝置和彈載計算機等待時間的合理性，將彈載計算機模型、舵機模型、導航裝置模型同時用真實部件代替，對發控從發出“狀態查詢”指令，到收到彈載計算機返回的狀態查詢結果之間的時間間隔進行摸底。

通過上述過程的仿真測試，得到圖7仿真結果。

圖7 仿真結果

由仿真結果可以看出：

1)彈載計算機(A)從向第一個彈上部件(C)發出指令的起始時間到最后一個彈上部件(E)返回給彈載計算機(A)信息的終止時間之間的時間間隔為：283317521-283305000=12521 μs≈12 ms。

2)發控裝置(B)從發出指令到收到彈載計算機(A)返回的指令之間的時間間隔為：283399123-283303129=95994 μs≈96 ms。

由仿真結果可對“狀態查詢”流程中發控裝置和彈載計算機的時序進行調整。出于冗余性考慮，將彈載計算機重發命令的等待時間從80 ms縮減到15 ms，調整前后時序見圖8～圖9。

圖8 時序調整前彈載計算機的等待時間

圖9 時序調整后彈載計算機的等待時間

將發控裝置重發命令的等待時間從300 ms縮減到120 ms，調整前后時序見圖10～圖11。

圖10 時序調整前發控裝置的等待時間

圖11 時序調整后發控裝置的等待時間

由圖11可知，調整后的“制導部件狀態查詢”流程時間為3×120 ms=360 ms。所以，整個“狀態查詢”流程由原來的900 ms縮減至360 ms，使該流程時間縮減了約60%，實現了對導彈擊發時序的有效優化。

4 結論

根據智能彈藥對系統級總線延遲時間摸底測試的需求，開展了對總線延時分類與計算方法的研究，搭建了應用于智能彈藥的電氣系統時序仿真平臺。以某導彈擊發流程為例，完成了該某型導彈“狀態查詢”子流程的系統級總線延遲時間的摸底測試，根據測試結果指導設計，大大縮減了該流程的時間，優化了某型導彈的擊發時序。該系統為今后時序流程的設計提供了有效參考，對優化武器裝備的作戰反應時間起到積極作用。