發控軟件通用可配置開發平臺設計*

程鵬，王玉姣，韓小文

(北京電子工程總體研究所,北京　100854)

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測試、發控技術

發控軟件通用可配置開發平臺設計*

程鵬，王玉姣，韓小文

(北京電子工程總體研究所,北京100854)

摘要：發控軟件屬于嵌入式軟件，其開發設計、編碼及測試驗證過程一般都需要對應的實際硬件系統配合，為避免硬件研制周期對軟件研制的影響，構建一種適用于不同型號發控軟件開發的硬件目標平臺尤為必要。本設計采用硬件功能模塊化、接口通用化、I/O對應關系虛擬化、軟件驅動標準化等技術，研制出一種通用開發平臺，通過軟件配置可快速重構生成不同型號發控軟件的目標平臺，經測試驗證，可滿足多型發控軟件并行開發需求。

關鍵詞：發控軟件；模塊化；通用；硬件；可配置；開發平臺

0引言

目前導彈發控系統的設計在一定程度上已經具備通用性特性，如系統基本架構、硬件控制功能劃分、軟件操作系統選擇、工作階段劃分等都基本相同。但由于控制對象-導彈的差異性、武器系統工作方式的特殊要求、內外接口類型及連接關系的差異性，與發射控制流程相關的硬件互聯及調用關系還較難實現通用，造成各型發控軟件都需要進行定制化開發。

目前，發控軟件設計可以與硬件研制同步開展，但軟件調試在發控系統硬件集成前無法有效開展，導致發控系統研制效率降低。因此，設計一種適用于不同型號發控軟件開發的通用型硬件目標平臺尤為必要，該平臺采用硬件模塊化、接口通用化、I/O(Input/Output)對應關系虛擬化、軟件驅動標準化等技術，通過軟件配置可快速重構生成不同型號發控軟件的目標平臺，滿足多型發控軟件并行開發需求。

1方案設計

1.1總體設計

發控軟件通用可配置開發平臺提供發控軟件開發的運行環境，模擬型號發控系統所需的輸入、輸出響應，在平臺內閉合發控軟件的開發測試環境，該平臺既可用發控軟件的開發、調試，還可為軟件測試、升級維護、配置管理等工作提供支撐環境。

通過配置文件的引導，可將此平臺自動定制成不同的接口關系，模擬不同型號的發控系統硬件平臺，在實驗室環境提前有效地開展不同型號發控軟件的研制，特別是有助于進行軟件邊界掃描驗證，降低軟件設計風險，縮短系統研制周期。基于通用可配置開發平臺的發控軟件開發環境如圖1所示。

根據系統需求，將通用可配置開發平臺規劃為6類功能模塊：嵌入式計算機模塊、數字量I/O模塊，A/D(analog/digital)模塊，D/A(digital/analog)模塊，通訊模塊和授時定位模塊。平臺中配置1塊嵌入式計算機模塊、8塊數字量I/O模塊、2塊A/D模塊、2塊D/A模塊、1塊通訊模塊、授時定位模塊。通過外部電纜將開關量輸出與數字量輸入對應連接，D/A輸出與A/D輸入一一對應連接，RS422及CAN(controllerareanetwork)通訊功能需要與外部模擬器相配合完成所需功能。

通用可配置開發平臺原理框圖如圖2所示。

通用可配置開發平臺中的開關量輸出與數字量輸入通過外部電纜一一對應連接，D/A模塊輸出與A/D模塊一一對應連接，可以完成相應通道的模擬量輸出及采集功能，RS422及CAN通訊與外部模擬器相互配合，完成系統所需功能，定位時模塊將時間結果傳送至發控軟件。

1.2硬件設計

硬件是通用可配置目標開發平臺功能實現的基礎和保證，直接決定通用可配置開發平臺性能和技術指標。

硬件設計的基本原則如下：

(1) 采用成熟技術和降額設計、冗余設計，確保平臺良好的可靠性；

(2) 結構和功能單元都進行模塊化設計，提高平臺的可維修性；

(3) 平臺功能電路進行兼容性和可擴展性設計，確保平臺的通用性；

圖1　發控軟件通用可配置開發環境Fig.1　Universal and configurable development environment of launch and control software

圖2　通用可配置開發平臺原理框圖Fig.2　Principle diagram of universal and configurable development platform

(4) 提高數據處理、傳輸的速度和精度，保證平臺的穩定性。

1.2.1CPCI總線架構

CPCI(compactperipheralcomponentinterconnect)規范是由工業計算機制造聯盟PICMG(peripheralindustrialcomputermanufacturer’sgruop)提出的一種總線接口標準，是以PCI(peripheralcomponentinterconnect)電氣規范為標準的高性能工業用總線，CPCI總線以33MBZ的時鐘頻率操作，采用32位或64位數據總線，數據傳輸速率可高達132MB/s或264MB/s[1]。CPCI將傳統的PCI的金手指方式改為2mm密度的針孔連接器，采用高可靠的歐卡結構，改善了散熱條件、提高了抗振動沖擊能力，具有氣密性、防腐性，并增加了負載能力。

功能板卡的CPCI總線體系架構如圖3所示。

圖3　CPCI總線體系架構Fig.3　Framework of CPCI bus system

1.2.2CPCI總線接口電路設計

通用可配置開發平臺采用CPCI總線功能板卡實現模擬量輸出功能、模擬量輸入功能、開關量輸出功能、數字量輸入功能、通訊功能等模塊，各模塊CPCI總線接口電路采用PLX公司PCI9054芯片實現，其功能框圖如圖4所示，主要特點如下[2-5]：

(1) 采用PLX的SMARTTarget技術，完合兼容PCI2.2協議規范；

(2) 支持PCI目標預取模式、PCI目標可編程突發傳輸、PCI目標延遲寫模式；

(3) 支持5個PCItoLocal地址空間，擁有9個通用I/O，4個可編程片選，中斷發生器/控制器，支持Big/LittleEndian字節轉換，提供PCI緩沖時鐘；

(4) 局部總線配置可編程，支持復用或非復用模式的8位、16位或32位局部總線；

(5) 支持3.3V，5V電源容錯。

圖4　PCI總線接口電路功能框圖Fig.4　Function diagram of PCI bus interface circuit

1.2.3功能模塊設計

數字量輸入板卡采用光耦實現高低電平的采集功能；開關輸出板卡采用繼電器實現無源信號的通斷控制；模擬量輸入板卡中的功能電路采用A/D轉換器件，實現將模擬量轉換成數字量的功能；模擬量輸出板卡中的功能電路采用D/A轉換器件，實現將數字量轉換成模擬量的功能；通訊模塊采用RS-422電平轉換芯片實現TTL電平向RS-422電平的轉換，接收方向采用光耦，其發送、接收功能在FPGA(field-programmablegatearray)內部實現；授時定位模塊中采用FPGA實現對GPS(globlepositioningsystem)模塊、北斗模塊和B碼模塊的控制，實現對輸出的時間、位置相關信號解析。

(1) 數字量I/O模塊

數字I/O模塊原理如圖5所示。輸入模塊對不同電平的信號需要設置不同的限流電阻，然后經光電耦合器隔離后，進入FPGA控制和處理電路，FPGA對輸入信號進行處理、轉換并存儲，然后通過數據線和地址線送到CPCI接口電路，控制計算機通過CPCI接口來讀取輸入的數字信號。

(2)A/D模塊

A/D模塊原理如圖6所示。外部輸入的模擬信號經過通道隔離及信號調理后，輸入4個8選1模擬開關，經模擬開關選擇后進入核心器件A/D轉換器件，掃描時序發生器實現單次采樣、單通道掃描、重復周期掃描、多通道輪詢掃描等不同的工作方式，并按照一定的時序切換不同的通道。

圖5　數字量I/O模塊框圖Fig.5　Principle framework of digital I/O module

(3)D/A模塊

D/A模塊原理如圖7所示。控制計算機將要輸出的某一通道的電壓值通過CPCI總線傳輸至控制器件FPGA，將相應的數字量轉換為模擬量輸出，可以根據工作需要，設置D/A模塊的工作模式，支持多個通道掃描輸出模擬量，也支持各通道同時輸出模擬量。

(4) 通信模塊

RS-422及CAN總線通訊模塊原理如圖8所示。CPCI接口完成CPCI總線的時序轉換，使主控計算機能控制CPCI通訊模塊的功能電路；通訊控制電路主要實現串行收發器的功能，把CPCI接口發來的數據根據協議轉換為串行數據發送到后級電路，同時把后級電路接收的串行數據轉為并行數據；存儲器用于存儲要發送的數據和接收的數據。其中通訊控制以及存儲器的存取控制部分在FPGA內以可編程邏輯實現[4-5]。

圖6　A/D模塊原理框圖Fig.6　Principle framework of A/D module

圖7　D/A模塊原理框圖Fig.7　Principle framework of D/A module

(5) 授時定位模塊

授時定位模塊原理如圖9所示。GPS、北斗模塊提供定位信號(經度、緯度、高度)、時間信息(年月日時分秒)，FPGA對其傳送出的信號經過解析，獲取相應信息傳輸至上位機。

1.3軟件設計

通用可配置開發平臺可以通過配置表的方式實現多種目標開發平臺(發控系統)的模擬，平臺軟件包括3部分，如圖10所示。

(1) 與標準驅動程序接口一致的可配置驅動程序

此驅動程序運行在目標開發平臺上為應用程序開發提供標準接口，在底層根據配置表完成硬件連接，實現目標硬件平臺的模擬。

(2) 運行在開發機上的配置生成軟件

可協助開發人員快速、便捷的生成相應目標系統的配置文件。

(3) 平臺自檢測試軟件

此軟件運行在目標開發平臺，實現目標開發平臺的自檢，并且可以檢測配置文件的正確性。

圖8　RS422及CAN模塊原理框圖Fig.8　Principle framework of RS422 and CAN module

圖9　定位授時模塊原理框圖Fig.9　Principle framework of positioning and timing

圖10　通用可配置開發平臺軟件結構Fig.10　Software framework of universal and 　configurable development platform

1.3.1驅動程序設計

(1)CPCI總線設備驅動程序開發

VxWorks下開發PCI設備驅動程序開發主要包括初始化程序、中斷服務程序處理、驅動函數封裝等步驟[6-12]。

初始化程序是PCI設備驅動程序開發最重要的環節，初始化過程必須在系統為所有設備分配內存完成以前進行，初始化函數根據設備VendorID和DeviceID，利用函數pciFindDevice()找到對應的設備，根據VendorID，DeviceID和相同設備順序號(一個系統中可能有相同的PCI設備)來掃描總線，找出設備所在的BUSNo，DeviceNo和FuncNo。然后根據總線號、設備號和功能號調用pciConfigInLong()及pciConfigInByte()函數確定設備的寄存器基地址以及中斷號。再把基地址與I/O屏蔽位相與得到真正的板上內部寄存器基地址[6-7,11]。

初始化函數的流程見圖11。

(2) 可配置驅動程序設計

為實現系統的通用化，系統中的某些驅動函數需具有可配置功能，功能類似于Windows系統下的驅動過濾，在已開發好的底層硬件驅動基礎上根據用戶配置信息重新封裝一次驅動函數，在應用程序調用驅動接口函數時，可以根據設定好的功能返回用戶所需的功能。

圖11　初始化函數流程圖Fig.11　Flow chart of initialization function

首先可配置驅動程序通過標準驅動接口接收應用層的控制命令，然后在通過查詢配置表，進行完成實際硬件的輸出控制，一方面查詢配置表獲取實際硬件輸出的通道并實現硬件輸出；另一方面查詢配置是否需要提供D/A輸入以及相應的延時。在完成實際硬件輸出后，通過外聯電纜可從輸入模塊讀取相應信息。在驅動過濾層維護兩級不同的輸入向量，第1級輸入向量為實際硬件讀取的輸入數據，第2級輸入向量由第1級輸入向量到配置表查詢得到的虛擬輸入向量，此向量為標準接口提供輸入數據。

可配置驅動原理如圖12所示。

圖12　可配置驅動原理框圖Fig.12　Principle framework of configurable driver

1.3.2配置生成軟件設計

發控軟件開發過程中需要配置通道映射關系，用戶可以通過配置生成軟件生成配置表。配置表的生成流程如圖13所示。

圖13　配置生成軟件流程圖Fig.13　Flow chart of configurable software

首先選擇配置類型，如開關量的多輸出對單輸入、開關量的單輸出對多輸入或者為開關量輸出對應D/A模擬量的輸出等，選擇好配置類型后，在相應配置類型的對話框中進行參數的配置，錄入對應輸入輸出通道號以及相應的延時時間等信息，最后根據相應的配置信息生成配置項。其中，每個配置項獨立存在，可單獨進行修改和刪除，當所有配置項都完成設置后，實現配置表生成。

1.3.3自檢測試軟件設計

平臺自檢測試軟件完成通用可配置開發平臺的自檢功能，用戶可以按照配置項檢查配置表的正確性。

開關量輸入輸出接口通過電纜互聯后可以通過輸出和輸入聯合測試，同時完成輸入輸出功能的自檢，且開關量輸出模塊具有輸出回讀功能，可以實現故障定位。同理，A/D和D/A模塊通過電纜互聯后也可以完成聯合自檢。通訊端口在閉環后可通過自發自收完成自檢。另外，平臺自檢測試軟件也可以按照配置項完成配置表的檢查，也可針對注入故障進行模擬測試。平臺自檢測試軟件采用Tilcon工具進行開發[13-15]，其界面如圖14所示。

圖14　自檢軟件界面Fig.14　Interface of self-checking software

2測試驗證

為了測試通用可配置開發平臺的性能和技術指標，將某型號發控軟件移植到通用可配置開發平臺進行運行驗證。

2.1發控軟件移植

軟件移植包含以下步驟：應用層程序移植、工程鏈接、編譯參數配置以及軟件編譯。

(1) 應用層程序移植：將通用可配置開發平臺BSP包拷貝至Tornado2.2軟件安裝目錄C:Tornado2.2 argetconfig下，創建基于此BSP軟件工程；將發控軟件應用層程序、Tilcon圖形庫文件及底層驅動庫文件拷貝至新建工程中，加載應用層程序源文件。

(2) 工程鏈接、編譯參數配置：配置C/C++compiler選項，添加應用程序庫路徑以及tilcon圖形庫路徑[13～15]；配置Macros選項中的EXTRA_MODULES，添加C:/Tornado2.2/target/lib/tlnapi.oC:/Tornado2.2/target/lib/tlncore.o。

(3) 軟件編譯：對整個工程進行Build，生成可執行文件Vxworks。

軟件移植、編譯界面如圖15所示。

圖15　軟件移植、編譯界面Fig.15　Interface of software transplant and compile

2.2生成配置表文件

按照型號型號發控設備硬件資源分配表以及發控軟件需求規格說明， 通過配置表生成軟件(如圖16所示)，進行數字量I/O模塊輸入通道初始狀態值、輸出通道與輸入通道之間映射關系、所需A/D配合操作及延時信息的配置，最終保存并生成配置表文件Pei_Zhi_BIT.txt。

圖16　配置表生成對話框界面Fig.16　Interface of configurable sheet

2.3平臺測試及驗證

通過FTP將2.2章節中配置表文件Pei_Zhi_BIT.txt、2.1章節中編譯生成的可執行文件Vxworks以及Tilcon圖形界面文件[13-15]上傳到嵌入式計算機電子盤/ata1分區中。

通用可配置開發平臺測試效果如圖17所示，與預期效果一致。

圖17　通用可配置開發平臺測試效果圖Fig.17　Result picture of universal and configurable development platform

3結束語

本文設計了一種發控軟件通用可配置開發平臺，通過硬件功能模塊化、接口通用化、IO對應關系虛擬化、軟件驅動標準化等技術，通過配置即可快速重構生成不同型號發控軟件開發所需的目標平臺，具有很強的通用性。經測試驗證，可快速重構生成不同型號發控軟件的目標平臺，滿足軟件并行開發需求。

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Design of Universal and Configurable Development Platform forLaunchandControlSoftware

CHENG Peng，WANG Yu-jiao，HAN Xiao-wen

(Beijing Institute of Electronic System Enginneering, Beijing 100854 ,China)

Abstract:The launch and control software belongs to embedded software and the process of the software's development, design, coding, testing and validation generally needs actual hardware system. In order to avoid the problem of hardware developing period impacting the software development, it is necessary to set up a kind of hardware platform which is applicable to different kinds of launch and control software development. The design adopts the hardware function modularization, universal interface, I/O virtualization and standard drives technology and develops one universal software development platform. The platform can quickly reconstruct and generate different kinds of launch and control software. Through testing and validation, the platform can satisfy the demands of several kinds of launch and control software development.

Key words:launching and controling software; modularization; universal; hardware; configuarable; development platform

*收稿日期：2015-08-18；修回日期：2015-10-08

基金項目：有

作者簡介：程鵬(1975-)，男，湖北嘉魚人。研究員，碩士，研究方向為導彈測發控技術。

通信地址：100854北京142信箱30分箱 17號E-mail：2455044790@qq.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.026

中圖分類號：TJ768.3

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-03-0161-10