某型機(jī)載武器信號模擬臺的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

孫 科

(中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089)

1 引言

機(jī)載武器系統(tǒng)的性能評估是某型飛機(jī)鑒定試飛的重要內(nèi)容，這就使得對該型飛機(jī)武器參數(shù)進(jìn)行精確測量成為一個迫在眉睫的課題。在實(shí)際的試飛測試中所研制的武器參數(shù)采集器屬于裝機(jī)產(chǎn)品，在整個試飛過程中，要隨飛機(jī)往返于各個靶場和試飛基地，由于使用單位無配套檢測設(shè)備，對采集器發(fā)生的故障難以定位，而返廠檢測周期長，嚴(yán)重影響試飛出動效率[1]。因此，必須研制武器參數(shù)采集器的檢測設(shè)備，必要時(shí)對武器參數(shù)采集器進(jìn)行檢定和維護(hù)保障。國內(nèi)外對設(shè)備的自動檢測技術(shù)的研究較為成熟，但針對試飛測試領(lǐng)域沒有提供具體的技術(shù)細(xì)節(jié)。近年來，隨著自動化技術(shù)的深入發(fā)展和試飛測試水平的不斷提高，為模擬臺的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[2,3]。本文以HT-LX800 AMD芯片工控主板為核心處理單元，采用模塊化設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)了該型機(jī)載武器信號模擬臺，向武器參數(shù)采集器提供DC 28.5 V供電，模擬武器參數(shù)采集器外部的脈沖信號，包括單極性、雙極性以及單目標(biāo)、多目標(biāo)信號形式，以及IRIG-B時(shí)統(tǒng)信號和秒脈沖信號，實(shí)現(xiàn)對武器參數(shù)采集器的離位檢測，為武器參數(shù)采集器使用過程中的維護(hù)、故障檢測與診斷提供了有效的保障。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

2.1 武器參數(shù)信號模擬臺的系統(tǒng)組成

武器參數(shù)信號模擬臺采用接口可擴(kuò)展設(shè)計(jì)，便于外場使用，主要由CPU主控模塊、脈沖信號產(chǎn)生模塊、離散量輸入輸出模塊、IRIG-B編碼模塊、采集器電源模塊和模擬臺工作電源模塊組成，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

Figure 1 Framework of weapon signal generator圖1 武器信號模擬臺結(jié)構(gòu)組成框圖

為了實(shí)現(xiàn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化使用要求，武器參數(shù)信號模擬臺機(jī)箱底板以及連接器插座均采用即插即用的模塊化設(shè)計(jì)理念，底板采用150芯標(biāo)準(zhǔn)ISA總線與各模塊進(jìn)行連接，底板設(shè)有防插錯定位銷防止誤插。

2.2 工作原理

武器參數(shù)信號模擬臺采用ISA總線接口技術(shù)，所有模塊通過ISA總線來傳輸數(shù)據(jù)和接收控制指令，其工作原理圖見圖2所示。

Figure 2 Diagram of the weapon parameters signal generator圖2 武器參數(shù)信號模擬臺工作原理框圖

CPU控制模塊采用內(nèi)嵌在工控主板上的AMD GX3 LX800-500 MHz芯片,為微處理器的核心，實(shí)現(xiàn)對武器參數(shù)采集器的開啟/關(guān)閉記錄控制，所有的控制指令均由它產(chǎn)生，它將不同的控制指令經(jīng)過ISA總線送給各部分模塊電路；脈沖信號產(chǎn)生模塊模擬武器參數(shù)采集器外部的脈沖信號，包括單極性、雙極性信號形式，實(shí)現(xiàn)對武器參數(shù)采集器進(jìn)行離位檢測；IRIG-B編碼模塊產(chǎn)生IRIG-B時(shí)統(tǒng)信號，提供秒脈沖信號；離散量輸入輸出模塊具備繼電器隔離控制能力，模擬產(chǎn)生采集器的遙控開關(guān)；電源模塊提供武器參數(shù)采集器所需要的28 V電源及模擬臺內(nèi)部所需的工作電源。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊電路

主控模塊電路主要由主板模塊、CPU微處理芯片、CS5536南橋、I/O擴(kuò)展接口組成，在CPU 的控制下實(shí)現(xiàn)指令控制和數(shù)據(jù)存儲交換，電路原理框圖如圖3所示。

主控模塊的計(jì)算機(jī)主板選擇150芯插頭的HT-X103 LX800軍用加固模塊，主板外部接口有CF接口、四個USB接口、兩個RTL8100CL 10/100M 自適應(yīng)以太網(wǎng)卡接口、一個LVDS/TTL接口(支持24位真彩LCD)、一個VGA接口(內(nèi)置AMD LX800芯片組，內(nèi)建2D顯示，支持VGA/LCD顯示)、兩路RS-232標(biāo)準(zhǔn)串行接口和鍵盤鼠標(biāo)接口等；微處理器CPU采用內(nèi)嵌在工控主板上的AMD GX3 LX800-500 MHz(主頻為500 MHz)芯片及CS5536南橋，CS5536集成兩個增強(qiáng)型8259中斷控制器，級聯(lián)后提供總共15個中斷輸入，IRQ0用于系統(tǒng)定時(shí)器，其他14個中斷請求輸入用于板上其他設(shè)備。8259中斷控制器提供幾個內(nèi)部寄存器，中斷請求輸入連接兩個寄存器-中斷請求寄存器(IRR)和中斷服務(wù)寄存器(ISR)。支持電平觸發(fā)、邊沿觸發(fā)，獨(dú)立編程，固定優(yōu)先級或循環(huán)優(yōu)先級。另外，在CS5536上集成有三個獨(dú)立功能的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器，兼容Intel 8254，操作模式包括計(jì)數(shù)器到時(shí)中斷、分頻器、方波發(fā)生器、軟件觸發(fā)、硬件觸發(fā)。

實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC(Real Time Clock)提供維護(hù)時(shí)間信息和報(bào)警的功能，為分成兩個BANK的128 bytes CMOS RAM，分別為系統(tǒng)提供時(shí)鐘信息和日期信息。由于使用充電電池供電，在系統(tǒng)外部電源關(guān)閉后仍可以進(jìn)入內(nèi)部工作模式。信息存儲方面采用電可擦除芯片存儲BIOS，在使用時(shí)可以通過BIOS的 SETUP界面編輯設(shè)置時(shí)間信息。

Figure 3 Framework of main control model圖3 主體控制模塊原理框圖

3.2 脈沖信號產(chǎn)生模塊

脈沖信號產(chǎn)生模塊是武器參數(shù)信號模擬器的核心模塊，采用高性能FPGA實(shí)現(xiàn)了硬件電路的軟件化，在主控模塊的控制指令下，產(chǎn)生32路脈寬和頻率可調(diào)的TTL電平的脈沖，并且每路可以單獨(dú)控制輸出，經(jīng)過脈沖接口電路調(diào)理之后，輸出的脈沖信號完全符合武器掛點(diǎn)的導(dǎo)彈脈沖信號和機(jī)上設(shè)備的同步脈沖信號的標(biāo)準(zhǔn)特性[4]。電路原理框圖如圖4所示。

Figure 4 Diagram of pulse generator circuit圖4 脈沖信號產(chǎn)生模塊電路原理框圖

利用機(jī)載編程軟件將配置信息加載到FPGA硬件電路中，在地址譯碼電路的控制下，經(jīng)過脈沖接口電路調(diào)理之后，模塊可以輸出以下幾種脈沖：

(1)10路幅值為-4 ～-10 V的負(fù)極性脈沖，脈寬、頻率可調(diào)，最高可達(dá)2 MHz；

(2)12路幅值為TTL電平的正脈沖，脈寬、頻率可調(diào)，最高可達(dá)2 MHz(其中三路為多路復(fù)用，通過設(shè)置界面既可以輸出TTL電平脈沖，又可以輸出RS422電平脈沖)；

(3)兩路幅值為8 V±2 V的同步正脈沖，脈寬、頻率可調(diào)，最高可達(dá)2 MHz；

(4)10路RS422電平標(biāo)準(zhǔn)的正脈沖信號；

(5)一路標(biāo)準(zhǔn)視頻同步差分信號。

3.3 編碼脈沖模塊

編碼脈沖模塊電路原理框圖如圖5所示。編碼脈沖模塊實(shí)現(xiàn)兩大功能：

(1)用于檢測接收采集器輸出記錄容量指示、設(shè)備正常和5 V設(shè)備內(nèi)部電源三個輸入信號，信號檢測電路檢測采集器的自檢狀態(tài)，通過ISA總線接口電路將狀態(tài)信息送入CPU控制電路，在微運(yùn)算處理后，CPU輸出控制數(shù)據(jù)，控制武器參參數(shù)采集器的供電工作和記錄功能，并對武器參數(shù)采集器進(jìn)行復(fù)位操作[5]。

(2)用于產(chǎn)生武器參數(shù)采集器工作所需的IRIG-B時(shí)統(tǒng)信號，主要是交流碼和PPS秒脈沖信號。

Figure 5 Diagram of encoding pulse circuit圖5 編碼脈沖模塊電路原理框圖

3.4 電源模塊

電源模塊主要是為采集器提供28.5 V電壓和信號模擬臺自身工作所需要的板載電壓。原理框圖如圖6所示，為滿足在試飛環(huán)境中電磁兼容及電源特性方面的要求，在電源的輸入端，新增加穿芯電容和帶EMI功能的整流模塊；為抑制干擾，在電源輸入輸出引腳之間加Y電容進(jìn)行去耦，這樣就解決了二極管電源特性中的欠壓浪涌和過壓尖鋒浪涌問題；在輸出級采用共模線圈和電容組成的П型電路對電源實(shí)現(xiàn)二次過濾，以減小電路模塊間的干擾。

Figure 6 Diagram of power model circuit圖6 電源模塊電路原理框圖

Figure 8 Interface of the weapon parameters signal generator software圖8 武器參數(shù)信號模擬臺軟件界面

4 軟件設(shè)計(jì)

模擬臺上電工作后，需要進(jìn)行一系列的初始化工作，其中包括向FPGA發(fā)出初始化控制信號，應(yīng)用程序駐留于武器參數(shù)信號模擬臺內(nèi)存中，實(shí)現(xiàn)多通道單目標(biāo)、多目標(biāo)脈沖疊加的設(shè)置，控制32個脈沖產(chǎn)生和關(guān)閉；通過串口給IRIG-B電路板發(fā)送NMEA0183格式的系統(tǒng)時(shí)間信息，即程序運(yùn)行的當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間，最終使IRIG-B板發(fā)送時(shí)間交流碼傳到數(shù)采集器上；通過軟件控制離散板為武器參數(shù)采集器供電、發(fā)送記錄控制信號；最終實(shí)現(xiàn)對武器參數(shù)采集器閉環(huán)測試、檢定功能等[6～8]。

武器參數(shù)信號模擬臺的軟件運(yùn)行的操作系統(tǒng)為Windows XP,編程語言為C++語言，編譯環(huán)境為VC++6.0，程序駐留于武器參數(shù)信號模擬臺的硬盤中。按照上述功能可分為以下幾個模塊：

(1)初始化模塊；

(2)脈沖信號參數(shù)設(shè)定模塊，主要功能為根據(jù)用戶輸入的脈沖信號參數(shù)向脈沖產(chǎn)生模塊發(fā)送控制信息；

(3)開關(guān)量輸入輸出模塊，主要功能為根據(jù)用戶輸入對輸出開關(guān)量進(jìn)行控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入開關(guān)量的讀取(與顯示)。

武器參數(shù)信號模擬臺軟件工作流程和軟件設(shè)置界面如圖7和圖8所示。

Figure 7 Flowchart of the weapon parameters signal generator software圖7 武器參數(shù)信號模擬臺軟件工作流程圖

根據(jù)試飛課題輸入各通道的脈沖參數(shù)，可設(shè)置范圍分別是：7號和22號脈沖頻率0.2 Hz～3 300 Hz，脈寬1 μs～65 536 μs，其余脈沖頻率16 Hz～333 000 Hz，脈寬0.1 μs～6 553.6 μs，各通道脈沖打開后使用默認(rèn)脈沖參數(shù)，確認(rèn)脈沖參數(shù)后點(diǎn)擊“脈沖確認(rèn)輸出”。

5 結(jié)束語

所設(shè)計(jì)的武器信號模擬臺實(shí)現(xiàn)了某型機(jī)載武器試飛測試需求中的所有功能，模擬載機(jī)火控武器系統(tǒng)輸出的各種脈沖信號，包括單極性、雙極性以及單目標(biāo)、多目標(biāo)信號形式，以及IRIG-B時(shí)統(tǒng)信號和秒脈沖信號，實(shí)現(xiàn)對武器參數(shù)采集器的離位檢測，解決了待測系統(tǒng)接口不同、待測信號種類繁多等難題，實(shí)現(xiàn)了資源共享和自動測試。

該模擬臺自研制完成以來，先后在多架試驗(yàn)機(jī)的試飛課題中使用，具有智能化程度高、操作簡便、運(yùn)行穩(wěn)定、減少檢測時(shí)的人為誤差等優(yōu)點(diǎn)，為武器參數(shù)采集器在使用過程中的維護(hù)、故障檢測與診斷提供了有效的保障。

[1] Zhang An.An introduction to aviation weapon system analysis[M].Xi’an:Northwestern Polytechnical University Press,2001.(in Chinese)

[2] Wen Rui-heng, Ye Wei. The automatical test and key technology of agility radar[J]. The Computer Measurement Control,2009,17(3):515-517.(in Chinese)

[3] Johnson H,Graham M.High speed digital design:A handbook of black magic[M]. London:Prentice Hall,1993.

[4] Huang He-xin, Zhu Yong-bao.The research based on automatic test system of radar transmitter[J]. Computer Automated Measurement and Control,2000,8(4):58-59.(in Chinese)

[5] Li Chao, Liu Shu-ping, Guo Zhao-xin. Multi-channel synchronous data acquisition and high-speed signal processing[J]. Micro Computer Information,2005,21(3):62-63.(in Chinese)

[6] Li Jian-zhong. Fundamentals of Mono-chip computers & applications[M].Xi’an:Xi’an University of Electronic Science and Technology Press,2008.(in Chinese)

[7] Luo Yan-tang. Common modules and integrated systems design examples of CPLD/FPGA[M].Beijing:Electronic Industry Press,2007.(in Chinese)

[8] Ma Chao. AVR single chip microcomputer principle and application of embedded system in practice[M].Beijing:Beihang University Press,2007.(in Chinese)

附中文參考文獻(xiàn)：

[1] 張安.航空武器系統(tǒng)分析導(dǎo)論[M].西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2001.

[2] 溫瑞珩，葉偉.捷變雷達(dá)自動化測試及關(guān)鍵技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)測量控制，2009,17(3):515-517.

[4] 黃鶴新，朱永保.雷達(dá)發(fā)射機(jī)自動測試系統(tǒng)研究[J].計(jì)算機(jī)自動測量與控制，2000,8(4):58-59.

[5] 李潮，劉書平，郭照新.多通道高速信號的同步采集和處理 [J].微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(3):62-63.

[6] 李建忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用 [M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

[7] 羅苑棠.CPLD/FPGA常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[8] 馬潮.AVR單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)原理與應(yīng)用實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.