某型導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)與指令檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙擎天，尉廣軍，張自賓

（軍械工程學(xué)院導(dǎo)彈工程系，河北 石家莊 050003）

0 引 言

在部隊(duì)的訓(xùn)練中，實(shí)彈打靶是檢驗(yàn)部隊(duì)訓(xùn)練效果和武器系統(tǒng)整體性能的一個(gè)重要科目，而導(dǎo)彈的發(fā)射過(guò)程僅一瞬即逝的二十多秒鐘，在這一過(guò)程中武器系統(tǒng)工作是否正常、戰(zhàn)士操作是否正確等問(wèn)題，僅依靠現(xiàn)場(chǎng)觀察難以得到準(zhǔn)確的判斷，特別是針對(duì)部隊(duì)實(shí)彈打靶訓(xùn)練中出現(xiàn)的導(dǎo)彈發(fā)射作業(yè)失敗（高飛彈）問(wèn)題，技術(shù)人員要進(jìn)行故障分析和故障定位及技術(shù)改進(jìn)都無(wú)法進(jìn)行。導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)與指令信號(hào)是在制導(dǎo)電子箱中形成的，制導(dǎo)電子箱根據(jù)電視測(cè)角儀測(cè)得的導(dǎo)彈方位和俯仰角偏差、角速度傳感器以及載車傾斜儀測(cè)得的傾斜角信號(hào)，按控制方程解算出俯仰和偏航控制指令信號(hào)，控制導(dǎo)彈飛行直至擊中目標(biāo)[1]。目前，現(xiàn)有的導(dǎo)彈檢測(cè)車沒(méi)有對(duì)導(dǎo)彈的飛行數(shù)據(jù)與指令信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，若不對(duì)此信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，就不能確定導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)是否正常[2]。

導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)與指令檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)與指令的實(shí)時(shí)采集記錄和在線檢測(cè)功能。該系統(tǒng)采用基于FPGA的SOPC技術(shù)設(shè)計(jì)了嵌入式多路并行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)制導(dǎo)電子箱產(chǎn)生的導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)與指令信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，選用FPGA+DSP的視頻采集方案實(shí)現(xiàn)對(duì)電視測(cè)角裝置產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)的采集和壓縮處理。同時(shí)，該系統(tǒng)使用USB總線完成數(shù)據(jù)的傳輸，并在上位機(jī)應(yīng)用LabVIEW設(shè)計(jì)了人機(jī)交互系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)實(shí)時(shí)記錄數(shù)據(jù)的顯示和指令信號(hào)的檢測(cè)功能。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，集成度高，便攜性、維修性好，對(duì)于增強(qiáng)某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的工作效能、改進(jìn)戰(zhàn)士的操作、提高技術(shù)人員的故障診斷效率都具有很大幫助。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)與指令檢測(cè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為不影響武器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，利用某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)預(yù)留的數(shù)據(jù)和視頻采集口，通過(guò)設(shè)計(jì)相關(guān)的數(shù)據(jù)采集模塊和視頻采集模塊來(lái)采集需要的信號(hào)。根據(jù)測(cè)試需求，導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)與指令檢測(cè)系統(tǒng)需要采集1路模擬視頻信號(hào)和20路同步數(shù)字信號(hào)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)與指令檢測(cè)系統(tǒng)總體分為3個(gè)模塊，即視頻采集模塊、指令數(shù)據(jù)采集模塊和人機(jī)交互模塊。視頻采集模塊完成對(duì)電視測(cè)角裝置輸出模擬視頻信號(hào)的采集和處理，并將壓縮后的視頻信號(hào)通過(guò)USB總線傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，即嵌入式PC計(jì)算機(jī)；指令數(shù)據(jù)采集模塊在上位機(jī)的控制下實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射指令數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并將采集的信號(hào)通過(guò)USB總線傳輸給上位機(jī)；上位機(jī)中的人機(jī)交互模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的回放和存儲(chǔ)，并對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射指令數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和故障診斷定位。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)輸出的20路同步數(shù)字信號(hào)，設(shè)計(jì)基于FPGA的SOPC嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)某型導(dǎo)彈電視測(cè)角裝置產(chǎn)生的彈標(biāo)高低、方位角偏差數(shù)據(jù)，制導(dǎo)裝置產(chǎn)生的導(dǎo)彈控制方位、偏航數(shù)據(jù)，激光發(fā)射機(jī)發(fā)出的激光指令等多路并行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集[3]。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

導(dǎo)彈發(fā)射車的輸出信號(hào)高電平＋12 V，低電平-12V，因此要進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。數(shù)據(jù)采集電平轉(zhuǎn)換電路，采用的是串口芯片系列的SP3243E，但只用到了其接收口，SP3243E是一個(gè)3驅(qū)動(dòng)器/5接收器器件。因?yàn)橄到y(tǒng)需要采集20路信號(hào)，因此需要4個(gè)同樣的器件，分為數(shù)據(jù)采集口1、數(shù)據(jù)采集口2、數(shù)據(jù)采集口3、數(shù)據(jù)采集口4。其中數(shù)據(jù)采集口1的電平轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖3所示。

經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后的20路數(shù)字信號(hào)送到數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行采集。數(shù)據(jù)采集模塊主要由嵌入式FPGA系統(tǒng)單元、Flash、SDRAM、系統(tǒng)復(fù)位模塊、電源模塊、UART和USB通信模塊組成。基于FPGA的SOPC嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模塊采用NiosII軟核處理器實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)輸出的控制[4]。

圖3 數(shù)據(jù)采集口1電平轉(zhuǎn)換電路

數(shù)據(jù)采集模塊的工作流程為：系統(tǒng)上電復(fù)位后，F(xiàn)PGA從外部程序存儲(chǔ)器Flash中讀取程序，對(duì)系統(tǒng)I/O口進(jìn)行初始化，對(duì)USB口和RS-232口進(jìn)行初始化，對(duì)數(shù)據(jù)采集口進(jìn)行初始化，分配數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（包括電視測(cè)角方位、高低角偏差數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，導(dǎo)彈偏航、俯仰控制數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，輸入激光發(fā)射機(jī)控制指令數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，激光輸出光電轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，初始化系統(tǒng)中斷端口），系統(tǒng)初始化結(jié)束。延時(shí)后等待上位機(jī)握手自檢指令，并向上位機(jī)發(fā)送系統(tǒng)初始化狀態(tài)指令，此時(shí)軟件處于等待狀態(tài)，并監(jiān)聽UART串行口的指令，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)備指令后，啟動(dòng)各中斷端口，當(dāng)中斷端口檢測(cè)得到導(dǎo)彈發(fā)射車的擊發(fā)信號(hào)后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集子程序，啟動(dòng)USB數(shù)據(jù)傳輸子程序，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、緩沖、傳輸。當(dāng)接到上位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)采集完畢指令后，退出數(shù)據(jù)采集、傳輸程序，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)[5]。

3 視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

視頻采集系統(tǒng)主要完成對(duì)某型導(dǎo)彈電視測(cè)角裝置產(chǎn)生的模擬視頻信號(hào)的數(shù)字化采集、壓縮和緩沖傳輸功能。結(jié)合導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)與指令檢測(cè)系統(tǒng)的功能需求，決定選用FPGA+DSP的視頻采集方案，如圖4所示，并用USB總線完成與上位機(jī)的通信。FPGA主要實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的采集和周圍電路的邏輯控制，并對(duì)采集的視頻信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理；DSP主要用來(lái)完成對(duì)圖像數(shù)據(jù)的處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像處理的各種算法[6]。該設(shè)計(jì)方案結(jié)合了DSP優(yōu)越的數(shù)據(jù)處理能力和FPGA在時(shí)序控制上的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)靈活，能對(duì)圖像進(jìn)行比較復(fù)雜的運(yùn)算且處理速度快。

系統(tǒng)的視頻AD接口采用飛利浦公司視頻解碼芯片SAA7113，SAA7113是一種視頻解碼芯片，它可以輸入4路模擬視頻信號(hào)，通過(guò)內(nèi)部寄存器的不同配置可以對(duì)4路輸入進(jìn)行轉(zhuǎn)換，輸入可以為4路CVBS或2路S視頻（Y/C）信號(hào)，輸出 8位“VPO”總線，為標(biāo)準(zhǔn)的 ITU 656、YUV 4∶2∶2 格式。SAA7113 和FPGA連接的電路原理圖如圖5所示。

圖4 視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 SAA7113和FPGA連接的電路原理圖

視頻采集壓縮模塊的工作流程為：系統(tǒng)上電復(fù)位后，F(xiàn)PGA讀取Flash中的配置程序段，完成對(duì)FPGA進(jìn)行配置，F(xiàn)PGA的軟內(nèi)核開始工作，按照要求配置好SAA7113的寄存器，并為SAA7113在SDRAM上開出2個(gè)圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，為DSP圖像壓縮在SDRAM上開出2個(gè)圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，為CY7C68013再開出2個(gè)圖像數(shù)據(jù)緩沖區(qū)（和DSP圖像壓縮的緩沖區(qū)共用）。配置完成后，F(xiàn)PGA的軟內(nèi)核處于等待狀態(tài)并監(jiān)聽上位機(jī)的命令，等接到自檢命令后，進(jìn)行模塊自檢并發(fā)送自檢好的代碼，當(dāng)接到采集命令時(shí)，DSP通過(guò)I2C總線寫SAA7113的寄存器，開始模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)行數(shù)字圖像采集并寫入緩沖區(qū)。當(dāng)一場(chǎng)圖像采集后，F(xiàn)PGA的軟內(nèi)核從SAA7113的緩沖區(qū)內(nèi)讀取圖像數(shù)據(jù)并對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，處理后的數(shù)據(jù)送入DSP進(jìn)行壓縮，所用的壓縮算法為JEPG2000。壓縮完成后寫入CY7C68013的緩沖區(qū)，CY7C68013的緩沖區(qū)寫滿一場(chǎng)圖像數(shù)據(jù)后，F(xiàn)PGA將此緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)發(fā)送給CY7C68013的FIFO，CY7C68013將圖像數(shù)據(jù)打包，發(fā)送給嵌入式PC計(jì)算機(jī)。此過(guò)程不斷循環(huán)，當(dāng)FPGA的軟內(nèi)核從上位機(jī)接到停止采集命令后圖像采集過(guò)程停止[7-9]。

圖6 上位機(jī)軟件流程圖

4 人機(jī)交互系統(tǒng)設(shè)計(jì)

人機(jī)交互系統(tǒng)主要完成對(duì)采集數(shù)據(jù)的顯示記錄和檢測(cè)功能。數(shù)據(jù)采集模塊和視頻采集模塊通過(guò)USB總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)（嵌入式PC計(jì)算機(jī)），在上位機(jī)上應(yīng)用LabVIEW軟件設(shè)計(jì)故障診斷系統(tǒng)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，并對(duì)故障部位進(jìn)行定位[10]。上位機(jī)軟件流程圖如圖6所示。

系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)對(duì)導(dǎo)彈發(fā)射車導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程中多個(gè)裝置產(chǎn)生的多路數(shù)據(jù)和視頻進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集獲取的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼轉(zhuǎn)換、同步等處理，從中取出與導(dǎo)彈發(fā)射指令相關(guān)的數(shù)據(jù)。并從數(shù)據(jù)中分離出電視測(cè)角數(shù)據(jù)，對(duì)采集得到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行圖象處理、匹配和識(shí)別，對(duì)彈標(biāo)進(jìn)行識(shí)別獲得角偏差數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)分析處理自動(dòng)得出電視測(cè)角裝置第一次捕獲導(dǎo)彈彈標(biāo)的時(shí)間；從采集得到的數(shù)據(jù)中分離出導(dǎo)彈控制數(shù)據(jù)和導(dǎo)彈激光指令數(shù)據(jù)，并經(jīng)過(guò)分析處理和制導(dǎo)電子箱產(chǎn)生的導(dǎo)彈控制數(shù)據(jù)對(duì)比，自動(dòng)得出激光的誤碼率。

5 結(jié)束語(yǔ)

導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)與指令檢測(cè)系統(tǒng)通過(guò)在某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)上實(shí)彈射擊實(shí)驗(yàn)，對(duì)導(dǎo)彈系統(tǒng)的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行了采集和檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠?qū)δ承蛯?dǎo)彈武器系統(tǒng)的電視測(cè)角裝置、制導(dǎo)裝置和激光發(fā)射機(jī)組成的指令控制回路的完好性進(jìn)行檢測(cè)和故障診斷，還可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈實(shí)彈打靶數(shù)據(jù)記錄、回放。該系統(tǒng)在硬件上采用了SOPC技術(shù)、FPGA+DSP技術(shù)和USB通信技術(shù)，在軟件上采用了Verilog硬件語(yǔ)言和LabVIEW編程技術(shù)，系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定，上位機(jī)軟件操作界面簡(jiǎn)單，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，數(shù)據(jù)分析判斷直觀，有效提高了某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的工作性能，增強(qiáng)了武器系統(tǒng)維護(hù)技術(shù)人員的故障診斷效率。

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