某型導彈飛行數據與指令檢測系統設計

趙擎天，尉廣軍，張自賓

（軍械工程學院導彈工程系，河北 石家莊 050003）

0 引 言

在部隊的訓練中，實彈打靶是檢驗部隊訓練效果和武器系統整體性能的一個重要科目，而導彈的發射過程僅一瞬即逝的二十多秒鐘，在這一過程中武器系統工作是否正常、戰士操作是否正確等問題，僅依靠現場觀察難以得到準確的判斷，特別是針對部隊實彈打靶訓練中出現的導彈發射作業失敗（高飛彈）問題，技術人員要進行故障分析和故障定位及技術改進都無法進行。導彈飛行數據與指令信號是在制導電子箱中形成的，制導電子箱根據電視測角儀測得的導彈方位和俯仰角偏差、角速度傳感器以及載車傾斜儀測得的傾斜角信號，按控制方程解算出俯仰和偏航控制指令信號，控制導彈飛行直至擊中目標[1]。目前，現有的導彈檢測車沒有對導彈的飛行數據與指令信號進行檢測，若不對此信號進行檢測，就不能確定導彈發控系統是否正常[2]。

導彈飛行數據與指令檢測系統能夠實現對導彈飛行數據與指令的實時采集記錄和在線檢測功能。該系統采用基于FPGA的SOPC技術設計了嵌入式多路并行數據采集系統，實現對制導電子箱產生的導彈飛行數據與指令信號的實時采集，選用FPGA+DSP的視頻采集方案實現對電視測角裝置產生的模擬視頻信號的采集和壓縮處理。同時，該系統使用USB總線完成數據的傳輸，并在上位機應用LabVIEW設計了人機交互系統，實現了對實時記錄數據的顯示和指令信號的檢測功能。該系統采用模塊化設計，集成度高，便攜性、維修性好，對于增強某型導彈武器系統的工作效能、改進戰士的操作、提高技術人員的故障診斷效率都具有很大幫助。

1 系統總體設計

導彈飛行數據與指令檢測系統在設計的過程中，為不影響武器系統的結構，利用某型導彈武器系統預留的數據和視頻采集口，通過設計相關的數據采集模塊和視頻采集模塊來采集需要的信號。根據測試需求，導彈飛行數據與指令檢測系統需要采集1路模擬視頻信號和20路同步數字信號。系統總體設計如圖1所示。

圖1 系統總體設計框圖

導彈飛行數據與指令檢測系統總體分為3個模塊，即視頻采集模塊、指令數據采集模塊和人機交互模塊。視頻采集模塊完成對電視測角裝置輸出模擬視頻信號的采集和處理，并將壓縮后的視頻信號通過USB總線傳輸到上位機，即嵌入式PC計算機；指令數據采集模塊在上位機的控制下實現對導彈發射指令數據的實時采集，并將采集的信號通過USB總線傳輸給上位機；上位機中的人機交互模塊主要實現對視頻信號的回放和存儲，并對導彈發射指令數據進行分析和故障診斷定位。

2 數據采集系統設計

針對某型導彈武器系統輸出的20路同步數字信號，設計基于FPGA的SOPC嵌入式數據采集系統，實現對某型導彈電視測角裝置產生的彈標高低、方位角偏差數據，制導裝置產生的導彈控制方位、偏航數據，激光發射機發出的激光指令等多路并行數據的實時采集[3]。數據采集系統框圖如圖2所示。

圖2 數據采集系統框圖

導彈發射車的輸出信號高電平＋12 V，低電平-12V，因此要進行數據采集，必須進行電平轉換。數據采集電平轉換電路，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3驅動器/5接收器器件。因為系統需要采集20路信號，因此需要4個同樣的器件，分為數據采集口1、數據采集口2、數據采集口3、數據采集口4。其中數據采集口1的電平轉換電路原理圖如圖3所示。

經過轉換后的20路數字信號送到數據采集模塊進行采集。數據采集模塊主要由嵌入式FPGA系統單元、Flash、SDRAM、系統復位模塊、電源模塊、UART和USB通信模塊組成。基于FPGA的SOPC嵌入式數據采集系統模塊采用NiosII軟核處理器實現對數據采集和數據輸出的控制[4]。

圖3 數據采集口1電平轉換電路

數據采集模塊的工作流程為：系統上電復位后，FPGA從外部程序存儲器Flash中讀取程序，對系統I/O口進行初始化，對USB口和RS-232口進行初始化，對數據采集口進行初始化，分配數據緩沖區（包括電視測角方位、高低角偏差數據緩沖區，導彈偏航、俯仰控制數據緩沖區，輸入激光發射機控制指令數據緩沖區，激光輸出光電轉換后數據緩沖區，初始化系統中斷端口），系統初始化結束。延時后等待上位機握手自檢指令，并向上位機發送系統初始化狀態指令，此時軟件處于等待狀態，并監聽UART串行口的指令，當接收到數據采集準備指令后，啟動各中斷端口，當中斷端口檢測得到導彈發射車的擊發信號后，啟動數據采集子程序，啟動USB數據傳輸子程序，進行數據采集、緩沖、傳輸。當接到上位機發出的數據采集完畢指令后，退出數據采集、傳輸程序，進入待機狀態[5]。

3 視頻采集系統設計

視頻采集系統主要完成對某型導彈電視測角裝置產生的模擬視頻信號的數字化采集、壓縮和緩沖傳輸功能。結合導彈飛行數據與指令檢測系統的功能需求，決定選用FPGA+DSP的視頻采集方案，如圖4所示，并用USB總線完成與上位機的通信。FPGA主要實現對視頻信號的采集和周圍電路的邏輯控制，并對采集的視頻信號進行預處理；DSP主要用來完成對圖像數據的處理，實現對圖像處理的各種算法[6]。該設計方案結合了DSP優越的數據處理能力和FPGA在時序控制上的優勢，設計靈活，能對圖像進行比較復雜的運算且處理速度快。

系統的視頻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，通過內部寄存器的不同配置可以對4路輸入進行轉換，輸入可以為4路CVBS或2路S視頻（Y/C）信號，輸出 8位“VPO”總線，為標準的 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 視頻采集系統設計

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：系統上電復位后，FPGA讀取Flash中的配置程序段，完成對FPGA進行配置，FPGA的軟內核開始工作，按照要求配置好SAA7113的寄存器，并為SAA7113在SDRAM上開出2個圖像數據緩沖區，為DSP圖像壓縮在SDRAM上開出2個圖像數據緩沖區，為CY7C68013再開出2個圖像數據緩沖區（和DSP圖像壓縮的緩沖區共用）。配置完成后，FPGA的軟內核處于等待狀態并監聽上位機的命令，等接到自檢命令后，進行模塊自檢并發送自檢好的代碼，當接到采集命令時，DSP通過I2C總線寫SAA7113的寄存器，開始模數轉換，進行數字圖像采集并寫入緩沖區。當一場圖像采集后，FPGA的軟內核從SAA7113的緩沖區內讀取圖像數據并對圖像進行預處理，處理后的數據送入DSP進行壓縮，所用的壓縮算法為JEPG2000。壓縮完成后寫入CY7C68013的緩沖區，CY7C68013的緩沖區寫滿一場圖像數據后，FPGA將此緩沖區的數據發送給CY7C68013的FIFO，CY7C68013將圖像數據打包，發送給嵌入式PC計算機。此過程不斷循環，當FPGA的軟內核從上位機接到停止采集命令后圖像采集過程停止[7-9]。

圖6 上位機軟件流程圖

4 人機交互系統設計

人機交互系統主要完成對采集數據的顯示記錄和檢測功能。數據采集模塊和視頻采集模塊通過USB總線將數據傳輸到上位機（嵌入式PC計算機），在上位機上應用LabVIEW軟件設計故障診斷系統對采集的數據進行檢測，并對故障部位進行定位[10]。上位機軟件流程圖如圖6所示。

系統能夠實時對導彈發射車導彈發射過程中多個裝置產生的多路數據和視頻進行實時采集，并將采集獲取的原始數據進行編碼轉換、同步等處理，從中取出與導彈發射指令相關的數據。并從數據中分離出電視測角數據，對采集得到的視頻數據進行圖象處理、匹配和識別，對彈標進行識別獲得角偏差數據，經過分析處理自動得出電視測角裝置第一次捕獲導彈彈標的時間；從采集得到的數據中分離出導彈控制數據和導彈激光指令數據，并經過分析處理和制導電子箱產生的導彈控制數據對比，自動得出激光的誤碼率。

5 結束語

導彈飛行數據與指令檢測系統通過在某型導彈武器系統上實彈射擊實驗，對導彈系統的各種狀態數據進行了采集和檢測，實驗結果表明該系統能夠對某型導彈武器系統的電視測角裝置、制導裝置和激光發射機組成的指令控制回路的完好性進行檢測和故障診斷，還可以實現導彈實彈打靶數據記錄、回放。該系統在硬件上采用了SOPC技術、FPGA+DSP技術和USB通信技術，在軟件上采用了Verilog硬件語言和LabVIEW編程技術，系統工作性能穩定，上位機軟件操作界面簡單，采集數據準確可靠，數據分析判斷直觀，有效提高了某型導彈武器系統的工作性能，增強了武器系統維護技術人員的故障診斷效率。

[1]郭留河，趙國明.某型車載導彈發射制導裝置現場快速檢測方法[J].裝甲兵工程學報學院，2009，23（5）：44-47.

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