基于VPX總線的潛射導彈綜合電氣系統集成化設計

馬瑞萍，劉丙杰，楊繼鋒

(1.海軍裝備研究院，北京 100086; 2.海軍潛艇學院，山東 青島 266119)

基于VPX總線的潛射導彈綜合電氣系統集成化設計

馬瑞萍1，劉丙杰2，楊繼鋒2

(1.海軍裝備研究院，北京 100086; 2.海軍潛艇學院，山東 青島 266119)

針對當前型號裝備存在的帶寬不足、體積龐大、信息共享程度不高、硬件標準化程度不高等問題，提出了潛射導彈測控系統集成化設計使用需求、維修保障需求、環境對系統的需求、信息采集與共享需求，對VPX總線與PXI、VXI、LXI總線的可選擇性、速度、集成度、體積、精度、電磁屏蔽等性能進行了對比，提出了潛射導彈地面綜合電氣系統集成化設計方案，該方案包括指揮控制中心、中間控制系統和執行部分三層網絡結構；針對潛射導彈測試控制信號，提出了基于VPX總線的測控系統設計方案，并分析了主要組成及其功能;通過對此方案的驗證試驗及分析可知，潛射導彈綜合電氣系統采用VPX總線設備可實現集成化、小型化，滿足部隊使用與維修保障需求。

潛射導彈;VPX總線；綜合電氣系統

0 引言

隨著計算機技術和網絡技術的迅速發展，現代信息戰對潛射導彈地面綜合電氣系統的信息化水平、維修保障能力提出了很高的要求。

潛射導彈地面綜合電氣系統是武器系統測試、發射的核心部分。由于潛艇內部空間小、環境惡劣、維修保障困難，這就對地面綜合電氣系統的可靠性、維修性提出了很高的要求。當前，導彈地面電氣系統采用了VXI總線、PXI總線、LXI等總線設備，包括測控系統、指揮控制系統、瞄準系統等，大大提高了裝備的模塊化、集成化水平。但是存在帶寬不足、體積龐大、信息共享程度不高、硬件標準化程度不高等問題。

新型潛射導彈地面綜合電氣系統在設計中要充分考慮潛射武器需求及技術成熟度水平。為此，本文提出基于VPX總線的潛射導彈測控系統集成化設計方案。

1 潛射導彈測控系統集成化設計需求

以往型號導彈武器在使用中存在的裝備類型多、型號多、接口多的問題，給用戶的使用保障帶來很大困難。針對此問題，提出潛射導彈測控系統集成化設計需求。

1.1 使用需求

根據當前潛射導彈在部隊使用中存在的問題，對新型潛射導彈測控系統的使用需求主要有：

1)裝備操作便捷，要求不高。

提高裝備自動化程度，減少人員操作內容，且操作簡單、便捷，操作內容對人員的技術水平、熟練程度要求不高。

2)界面顯示內容要符合部隊使用要求。

界面顯示內容要容易理解，與導彈發射無關的顯示內容、與基層級維修無關的顯示內容應取消，增加裝備狀態信息，為操作人員提供裝備總體狀態信息。裝備界面色彩搭配合理，界面布局結構要清晰。

3)關鍵操作具備防誤操作功能。

為了防止在心理緊張、長期水下航行等特殊情況下的關鍵誤操作情況發生，應設置導彈發射、均衡等關鍵誤操作預防功能，提高武器系統的安全性。

4)裝備具有訓練模式，實現裝備作戰、訓練一體化。

所有裝備應具有作戰、訓練等多種模式，提供等效外部條件和模擬訓練環境，為部隊海上訓練提供保障條件。

5)裝備體積盡量小，適應潛艇空間要求。

1.2 維修保障需求

1)裝備具備故障診斷功能。

裝備應具備板卡級故障診斷功能，為部隊維修設備提供維修建議；故障診斷范圍盡可能大。

2)裝備拆卸方便。

裝備的可拆卸性決定了裝備的維修性和保障性。裝備在設計之初就應考慮可拆卸問題，裝備的可拆卸范圍應充分考慮潛艇的空間、基層級維修要求等問題。

3)提高裝備的模塊化、標準化水平。

裝備(模塊)型號、類型盡可能少，裝備接口類型、型號盡可能減少，部件盡可能采用標準化 、模塊化水平，提高裝備的互換性和維修性。

4)盡量采用總線通信方式，減少電纜數量。

當前裝備的電纜數量、種類非常多，給部隊的使用和維護保障帶來很大影響。新型潛射導彈應盡量采用以太網、串口、無線等總線通信方式，減少電纜數量總類。

1.3 環境對系統的需求

潛艇空間狹小，環境惡劣，對裝備的小型化和環境適應能力提出很高的要求。潛射導彈測控系統要求在滿足裝備操作維護的前提下，盡量小型化設計，并且滿足防潮、防鹽霧、防震動等要求。

1.4 信息采集與共享需求

由于以往相似型號武器信息共享不充分，不及時，導致大量工作重復進行，嚴重影響了裝備的戰備完好性。新型潛射導彈要求所有裝備測試信息、環境信息、操作信息、裝備狀態信息、維修保障信息實現實時采集，并能以一定的方式實現共享，及時掌握裝備狀態，并對同型號武器裝備提供數據參考。

2 VPX總線及總線對比

目前測控總線主要包括PXI、VXI、LXI，各類總線性能比較如表1所示。

表1 總線性能比較表

通過上述分析，可以發現VPX總線在速度、集成度、精度、電磁屏蔽、兼容性、互換性等方面有較大的優勢，所以本文選擇VPX總線作為新型潛射導彈測控系統的基本總線。

VPX總線在眾多文獻中都有介紹，本文僅介紹與潛射導彈地面綜合電氣系統集成化設計的相關內容。

VPX(VITA 46)總線采用高速串行總線替代并行總線是其最主要變化。VPX支持RapidIO、PCIE和Advanced Switching Inter connect等現代的工業標準的串行交換結構，來支持更高的背板帶寬。這些高速串行交換可以提供每個差分對250 MB/s的數據傳輸率，1個信道最高1 GB/s的理論速率。VPX的核心交換提供32個差分對，組成4×4的信道端口，每個信道都是雙向的。VPX總線的理論合計帶寬為8 GB/sec[3-4]。

OPENVPX標準是在VPX的基礎上定義的系統級兼容框架，OPENVPX是系統級標準，而VPX是板級標準[3]。OPENVPX并不能替代VPX，兩者互為補充，二者使VPX模塊兼容性更好，系統集成時，可以不再依賴某一具體廠家，系統集成更加容易。

3 基于VPX總線的潛射導彈地面綜合電氣系統集成化設計

3.1 地面綜合電氣系統集成化設計

地面綜合電氣系統主要功能是實現多枚導彈的測試、保障、發射準備和發射。與陸基導彈、艦載導彈不同之處在于，潛射導彈發射的所有準備工作都是在水下進行，而且需要實現多枚導彈的齊射，這就需要充分考慮水下環境和水下發射保障問題。據此，潛射導彈地面綜合電氣系統組成如圖1所示。

圖1 綜合電氣系統集成化結構圖

系統分為三層，第一層為指揮控制中心，主要由計算機系統及數據采集設備組成，主要實現導彈發射控制的關鍵階段及關鍵流程的指揮和控制，并匯總搜集導彈及其他設備的狀態。

第二層為中間控制系統，由大型服務器組成，完成接收指揮控制中心指令，向指揮控制中心傳輸數據，發送測試、發射筒控制指令，計算彈道參數，接收導彈測試數據，預測導彈裝備狀態及故障診斷等功能。中間控制系統采用集成優化設計方案，將以往的分布式計算機及相關部件集成為一個大型服務器，大大減小設備體積，利于操作和維護保養。大型服務器內置測試軟件、數據處理軟件、控制軟件、彈道計算軟件、輔助決策軟件等。

第三層為執行部分，包括基于VPX的測控部分和發射筒控制部分。測控部分主要與彈上系統相連，完成導彈的測試、發射和控制任務，發射筒控制部分主要完成發射筒的均壓、閥件控制等功能。

3.2 基于VPX總線的測控系統設計

3.2.1 硬件設計

測控系統主要完成導彈控制系統、伺服機構、發動機等分系統的測試和控制任務。主要測試、控制信號包括：直流電壓、交流電壓、電流、頻率、時序信號、數字信號等。被測信號如表2所示。

表2 被測信號及控制信號信息

根據潛射導彈測控系統設計需求，提出如圖2所示的測控系統硬件設計結構圖：

圖2 基于VPX總線的測控系統原理圖

VPX系統由VPX機箱、主控板、功能板組成。VPX機箱符合(VITA 46)規范，主要搭載主控板、RapidIO板、數字IO板、以太網總線等總線通信背板。VPX 背板上的連接器為全互連的結構。機箱中有2個獨立的電源模塊，機箱采用風冷散熱。

主控板卡由兩片FPGA和一片通用雙核處理器PowerPC組成。板卡上設置4個FMC 接口, 分別安裝了測頻模塊、AD數據采集模塊、數字IO模塊、繼電器模塊。這些模塊通過導彈的彈測接口與導彈連接，對導彈各個分系統進行測試、控制，并將測試數據送入FPGA，FPGA對測試數據進行處理、判斷、存儲。在FPGA與PowerPC以及VPX的P1口之間使用RapidIO交換機確保芯片間和模塊間10Gbps的數據傳輸[5]。為了系統的靈活性，減少系統接口電纜，FPGA卡使用工業以太網接口，提高系統維修性。

測控系統的信息處理系統由功能板卡完成，該板卡包含4塊PowerPC模塊以及各接口開關。該板卡通過RapidIO口與FPGA板卡互聯，接收各個模塊的原始測試數據。在對數據進行綜合處理后，將導彈狀態信息傳輸至指揮控制中心。PowerPC板卡可以完成所有數據的處理。所有VPX總線測試信息都通過以太網傳輸至中間控制系統。

3.2.2 軟件設計

軟件包括發射流程軟件、系統測試軟件、彈道計算軟件、狀態監控軟件等。所有軟件均安裝在大型服務器內。發射流程軟件主要實現導彈發射流程的配電、技術準備、流程控制、點火等功能，發射流程軟件采用模塊化、容錯設計方案。系統測試軟件主要實現控制系統測試控制、測試數據分析、測試結果傳輸等功能。彈道計算軟件主要完成動基座條件下的彈道參數計算。狀態監控軟件主要完成導彈裝備的狀態監控，并實時給出發射決策。

系統軟件的通用化要求不僅要考慮軟件的當前需求，還要考慮未來的軟件擴展需求，并靈活適應測試系統用戶不同的需求。

系統軟件采用通用的體系結構，滿足不同用戶需求。根據不同潛射導彈武器系統的需求，提出測試軟件體系結構分為四層：通信層、控制層、測試方法層和測試應用層，體系結構如圖3所示。

圖3 系統軟件通用體系結構

系統軟件一般包括設備驅動層和測試應用層。設備驅動層一般將測試軟件中與硬件相關的部分封裝成DLL動態庫或控件等通用模塊，用于控制硬件設備完成實際的測試。設備驅動層不能獨立運行，必須依靠測試應用層的調用。測試應用層包括用戶界面控制模塊、測試資源配置模塊、通信模塊、日志管理模塊和數據處理模塊等。用戶界面控制模塊是人機交互的窗口，負責控制指令的發送與狀態的監視。測試資源配置模塊將測試數據與系統軟件進行分離，利用XML描述系統配置信息，軟件通過讀取XML文件，對不同的測試任務配置不同的測試資源。這樣可以通過更改XML配置文件來滿足不同測試需求，而無需對測試程序進行修改。通信模塊負責設備之間的通信。日志管理模塊用來記錄操作指令、設備狀態、信號交互等信息，以備日后分析查詢。數據處理模塊是對發送的數據根據既定協議填充偵結構，對接收的數據進行解析、保存和分析。上述功能模塊單獨開發，最終集成到整個軟件框架中，完成系統測試。

4 實驗驗證與分析

為了驗證上述設計方案，項目組組建了一套驗證試驗系統，VPX總線設備采用6U機箱，內置AD采集模塊、繼電器控制模塊、數字IO模塊、CPU模塊等4塊功能模塊，服務器采用浪潮服務器，基本配置為：2顆XeonE5-2609，內存8 G，硬盤1T*2，雙千兆網口；導彈采用自研導彈信息等效器模擬彈上信號，包括模擬信號、數字信號、頻率信號、時序信號燈。系統外部總線采用1 000 M工業以太網總線。內部軟件包括中心控制軟件、測試軟件、彈道計算軟件等。測試、發射程序模擬當前型號武器系統基本功能。

對驗證系統同時對若干發導彈同時進行功能測試、速度測試、模塊匹配性測試，測試結果如表3所示。

表3 功能測試

表4 速度測試

表5 模塊匹配性測試

表6 體積與人員需求對比

從上述驗證系統試驗結果看，本文提出的基于VPX系統的集成化設計思路基本正確，技術實現也具有可行性，系統間信號匹配良好，測試速度非常高，系統體積也比當前型號體積大大減小，裝備操作人員數量也大大減少。

5 結束語

根據上述分析，一枚導彈的測試與控制只需兩塊板卡即可完成，一個8槽VPX機箱可同時完成4枚導彈的測試與控制，大大縮小了裝備體積，且數據傳輸速率、處理速度有了很大幅度的提高，由于VPX在制冷、可靠性等方面要求與VXI總線相近，完全可以滿足潛射導彈測控系統的設計要求。本文提出的驗證方案只是對若干發導彈進行的，且軟件模塊采用的是模擬軟件，與實際軟件有一定的差異，但是對系統驗證效果影響不大。

[1] 吉玉潔，張小林. VPX總線標準研究及其在無人機中的應用展望[J]. 計算機測量與控制，2012,20(4)：1112-1115.

[2] VPX：VMEbus for the 21 Century[DB/OL].htep://pdf, www.ge.com.

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[5] 鄭東衛,陳 矛,羅丁利. VPX總線的技術規范及應用[J]. 火控雷達技術，2009,38(4):73-77.

IntegratedDesignofComprehensiveElectricalSystemofSubmarine-LaunchedMissileBased-onVPXBus

MaRuiping1，LiuBingjie2，YangJifeng2

(1.NavyEquipmentInstitute,Beijing100086,China; 2.NavySubmarineAcademy,Qingdao266119,China)

To overcome lack of bandwidth，huge of volume, difficulty of information sharing, lack of standardization of current equipment, the paper proposed integrated design requirement of testing-controlling system of submarine-launched missile, including of using requirement, preparing requirement, environment requirement. The paper contrasted VPX bus with other buses, and proposed integrated design scheme of comprehensive electrical system and testing-controlling system based on VPX bus of submarine-launched missile. The integrated design conclude three network layers: command layer, middle layer and actuator layer. The paper proposed testing and controlling design scheme based on VPX bus, and analysis its functions. The validating experiment demonstrated that the proposed design scheme can implement integration and miniaturization and meet application and maintenanance requirements of army.

submarine-launched missile; VPX bus; comprehensive electrical system

2016-12-11；

2017-02-21。

馬瑞萍(1965-)，女，陜西蒲縣人，高級工程師，博士學位，主要從事導彈測控方向的研究。

1671-4598(2017)07-0132-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TP

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