空空導彈仿真系統(tǒng)的設(shè)計

張世欣，韓應都

(中國空空導彈研究院總體部，河南洛陽 471009)

在空空導彈武器系統(tǒng)研制過程中，出于試驗條件和安全性及成本考慮，需研制基于計算機平臺構(gòu)型的便攜式導彈仿真系統(tǒng)，以取代真實導彈產(chǎn)品完成與機載武器系統(tǒng)的綜合聯(lián)試。仿真系統(tǒng)具有與真實導彈產(chǎn)品一致的電氣接口，主要完成模擬真實導彈工作時序的功能，實現(xiàn)對機載武器系統(tǒng)進行供電、工作時序、控制邏輯、飛行任務裝訂參數(shù)等方面的正確性檢查，同時還可完成對飛機系統(tǒng)的火控計算算法、信息延遲時間等關(guān)鍵參數(shù)進行檢查，以保證飛機系統(tǒng)能滿足導彈系統(tǒng)的技術(shù)要求，并保證導彈系統(tǒng)與機載武器系統(tǒng)之間工作的正確性、匹配性和協(xié)調(diào)性。

1 仿真系統(tǒng)組成

綜合考慮采購周期、成本、環(huán)境以及結(jié)構(gòu)加工等因素，該型導彈仿真系統(tǒng)的主控計算機采用寬溫高可靠性便攜式計算機系統(tǒng)，板卡直接安裝固定在計算機系統(tǒng)上，采用PCI總線進行信號傳輸，該型導彈仿真系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 導彈仿真系統(tǒng)組成框圖

2 硬件設(shè)計

2.1 429總線接口板

429總線接口板主要用于接收發(fā)射裝置發(fā)送的飛行任務信息幀，并按照工作時序形成導彈狀態(tài)信息返回載機。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，接口板采用即插即用PCI接口，具有4個獨立的總線接收器及兩個總線發(fā)送器，兼容ARINC－429規(guī)范，最大數(shù)據(jù)傳輸率100 kbit·s－1。

2.2 信號調(diào)理板

信號調(diào)理板主要將機載火控系統(tǒng)的輸出電壓信號進行變換和隔離，同時對關(guān)鍵性的點火信號用大功率電阻做為模擬負載。變換電路將機載火控系統(tǒng)輸出的電壓信號變?yōu)門TL電平，輸入到I/O狀態(tài)采集模塊供計算機檢測。并將機載火控系統(tǒng)輸出的電壓信號按要求進行變換，輸入到模擬量采集模塊供計算機檢測。隔離輸出電路是將接收I/O狀態(tài)采集模塊輸出的TTL電平對繼電器進行控制并按要求形成特定信號返回給載機。

2.3 PCI接口數(shù)據(jù)采集板

PCI接口數(shù)據(jù)采集板包括模擬量采集模塊和I/O狀態(tài)采集模塊。I/O狀態(tài)采集模塊用于完成導彈仿真系統(tǒng)與機載火控系統(tǒng)之間的信號交換。主要采集相應控制信號的狀態(tài)，并按導彈工作時序形成符合接口控制文件要求的返回信號。模擬量采集模塊主要采集發(fā)射裝置到導彈模擬器的電壓信號，并根據(jù)導彈對機載火控系統(tǒng)電壓的要求判定電壓是否滿足要求。數(shù)據(jù)采集板采用即插即用PCI接口，采用12位A/D轉(zhuǎn)換器，具有16路單端或8路差分模擬量輸入、2路12位模擬量輸出、16路數(shù)字量輸入和輸出。

3 軟件設(shè)計

導彈仿真系統(tǒng)的編程環(huán)境采用Windows XP操作系統(tǒng)，軟件使用Borland C++Builder 6.0開發(fā)。

3.1 功能分析

該型空空導彈仿真系統(tǒng)要求同時接收、發(fā)送和處理總線數(shù)字信息、模擬量信息等多種數(shù)據(jù)源，其中總線數(shù)字信息接受和發(fā)送分別采用不同格式封包，并采用不同的傳輸速率，模擬量信息包含多路I/O狀態(tài)采集和8路時序不同的電壓信號。根據(jù)功能至少擁有導彈工作時序模擬、總線數(shù)字信息的接收和解碼、總線信息的編碼和發(fā)送、I/O狀態(tài)量采集、多路模擬量采集、各種信息實時顯示和記錄等并行工作流程，且各流程結(jié)構(gòu)相對獨立，信息處理周期覆蓋從ms到s級，如采用常規(guī)的單線程順序查詢，則必須按最短處理周期進行，以確保信息完整，但系統(tǒng)將長時間高負荷運行，不能保證穩(wěn)定性，同時任何流程的異常容易影響其他流程的正常處理，較難保證采集信息的完整性，因此須采用更加高效、安全的算法。

具體到該系統(tǒng)，主線程是對導彈工作時序的模擬以及對其他模塊的調(diào)度和起停控制，導彈從初始化到發(fā)射就是系統(tǒng)運行的全過程，其他線程以模塊形式參與到系統(tǒng)中。所有模塊的相互關(guān)系如圖2所示。

圖2 各個模塊的相互關(guān)系圖

3.2 軟件主流程

系統(tǒng)控制模塊做為主線程負責對其他功能模塊進行控制和調(diào)度，并在其他模塊的配合下完成對導彈工作狀態(tài)的模擬。系統(tǒng)控制模塊在進程同步模塊的作用下，主要對其他模塊提供的信息，數(shù)據(jù)進行收集和整理，并根據(jù)實時監(jiān)控到的模擬量對系統(tǒng)工作時序和工作狀態(tài)做出判別、決策，然后按照真實導彈的工作邏輯控制系統(tǒng)硬件做出反應，并實時將各信息提供給顯示控制模塊進行顯示，同時還提供給數(shù)據(jù)記錄模塊進行數(shù)據(jù)記載。系統(tǒng)主流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)主流程框圖

3.3 關(guān)鍵技術(shù)問題及解決

3.3.1 系統(tǒng)定時器精度問題的解決

在Windows操作系統(tǒng)中，可供開發(fā)人員使用的常規(guī)系統(tǒng)定時器是建立在DOS的1CH中斷基礎(chǔ)上的，其精度約55 ms，在Windows 98系統(tǒng)中只可達到這個精度，在Windows 2000平臺下，這一精度最多可減小為10 ms，且是在系統(tǒng)負載較小的情況下。因此，為提高定時器精度，嘗試利用系統(tǒng)未直接提供的多媒體定時器功能，種定時器主要為滿足計算機的多媒體播放定位功能，一般情況下不對普通用戶開放，要使用此定時器必須深入到Windows平臺內(nèi)部，可以借助Windows的核心函數(shù)庫解決。但這種定時器的缺點是對系統(tǒng)的資源耗費較高，當系統(tǒng)資源耗盡，嚴重的會造成系統(tǒng)崩潰，因此須加以保護措施，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上最大可能利用該定時器。

經(jīng)過反復試驗，在確保系統(tǒng)穩(wěn)定性和系統(tǒng)軟件滿負荷運轉(zhuǎn)的情況下，可以將定時器精度提高到1 ms，且加入保護代碼，實時監(jiān)控系統(tǒng)資源利用率，當發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)資源耗費較多時利用間隙強制該定時器終止，同時清理系統(tǒng)現(xiàn)場后再次啟動該定時器，既保證了系統(tǒng)的持續(xù)高速運轉(zhuǎn)，又確保了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。

3.3.2 線程同步問題的解決

在系統(tǒng)開發(fā)初期，當所有模塊全速運轉(zhuǎn)一定時間后總會造成系統(tǒng)無故崩潰。在多次跟蹤調(diào)試代碼后，發(fā)現(xiàn)該問題是由于多個模塊同時高速運行時，系統(tǒng)未能同時響應底層接口板的多個中斷請求，且混雜了大量I/O端口訪問操作。但這些中斷請求大部分是無效的，歸結(jié)為系統(tǒng)各模塊間的同步信號未能發(fā)揮有效作用，造成特定情況下已發(fā)出中斷請求的接口板再次重復發(fā)出中斷。

為解決這一問題，采取多種同步措施，并增加了若干邏輯互斥標志，以確保底層接口板在一次中斷請求后必須由系統(tǒng)有效清除中斷標志才允許再次發(fā)出中斷，從而保證每個中斷請求都可被有效處理。同時嘗試提高了相對高速的中斷服務程序的邏輯優(yōu)先級，適當降低相對低速的I/O端口訪問操作的優(yōu)先級，為大量的實時中斷響應操作節(jié)約出CPU工作周期。

3.3.3 系統(tǒng)高速采集問題的解決

在對脈沖信號的高速采集中，因采用的是普通的數(shù)據(jù)采集板，其多路采集原理是各通道依次輪詢，由于硬件限制，A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)讀取操作相對耗時較多，從而影響了系統(tǒng)定時器的精度，造成數(shù)字信息接收模塊大量丟失數(shù)據(jù)，不能對指令信息及時做出響應，從而會造成系統(tǒng)非正常退出。

為解決這一問題，將模擬量采集工作放到系統(tǒng)定時器之外進行，但又經(jīng)常遺漏脈沖信號。經(jīng)過分析，認為有幾路信號的采集只是導彈特定工作時段中發(fā)生的，其余時間無需實時監(jiān)控，因此，只在需要采集的時刻提前做好準備，一旦采集完成，迅速停止采集操作，防止系統(tǒng)負荷過大而造成崩潰。為此，充分利用Windows系統(tǒng)的多線程技術(shù)，把各路特殊信號采集工作放在線程中進行，由于在線程中不受定時器控制，可認為一旦線程獲得CPU周期即全速進行采集，這樣既保證了系統(tǒng)主體定時器的正常運行，又確保了有效采集到信息。

3.4 系統(tǒng)運行狀態(tài)

圖4所示是系統(tǒng)模擬導彈發(fā)射運行畫面，可以看出在多線程作用下系統(tǒng)的數(shù)字信息接收處理模塊、數(shù)字信息發(fā)送處理模塊、模擬量信息監(jiān)控模塊、顯示控制模塊均在有序運行，相互之間并未因多線程的存在而發(fā)生干擾。

圖4 系統(tǒng)運行畫面

4 結(jié)束語

目前，該導彈仿真系統(tǒng)已成功應用在型號研制中，為該型導彈的相關(guān)試驗提供了可靠的保障，減少了武器系統(tǒng)的試驗風險，同時降低了試驗成本，加快了型號研制進度。

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