基于FPGA/SPI技術的某型導彈檢測模擬訓練系統研究

趙東華，趙長嘯，徐建國，張 華

(陸軍工程大學 軍械士官學校彈藥導彈系， 武漢 430075)

某型導彈檢測作業是導彈質量監控、儲存延壽的一項重要工作。由于該型導彈檢修程序繁瑣，對安全性、規范性提出較高的要求，部隊有關技術人員要達到崗位技能，必須進行大量培訓和訓練。目前在對導彈檢測維修訓練時，實彈檢測訓練安全性得不到保證，檢測時一般只能顯示正確(單一)檢測結果，訓練效果不夠理想，不利于培訓人員掌握和提高檢測維修技能。

為提高部隊導彈檢測人員技能水平，提高檢測訓練效率，有必要開發一套模擬導彈檢測訓練并與檢測儀對接的適配器系統。該系統基于FPGA可編程邏輯控制技術，利用Visual Studio軟件編寫電路信號數據庫，采用網絡通信SPI進行信號控制傳輸，以適配器模擬導彈信號輸出，實現與導彈檢測儀的配合及操作；還可以通過改變電路信號數據庫，產生故障信號，實現故障模式訓練，克服實彈檢測安全性不足和訓練模式單一問題，提高檢測技術人員技能和數據判斷分析能力。系統操作和實彈基本一致，開發成本低，周期短，適合部隊檢測人員訓練使用[1]。

1 檢測模擬信號需求分析

某型導彈主要采用激光駕束制導方案，依據地面發射平臺導引實現精確打擊目標，發射之前、儲存時都需要定時進行檢測，檢測設備為配發的制式檢測儀。檢測流程為檢測儀先進行自檢，自檢正確后，用檢測電纜連接導彈，通過轉換開關信號，對導彈進行檢測，檢測儀依次向導彈輸入“0”、“-1”、“+1”三種指令信號，測試導彈對指令信號電路的處理情況，返回放大、濾波后等指令電壓UZ和UY值信號，返回舵機反饋電位器的電壓值，以測試導彈電路的正確性。

這些指令信號分別從炮射導彈舵機艙檢測插座(接口)送給檢測儀。通過分析指令信號，其中指令信號是模擬信號，而且都是低壓信號，幅度不超過±15 V，所以適配器系統設計內部電源、放大器電源定為15 V。在系統內部可以通過電路模擬產生上述信號，通過FPGA控制邏輯程序即可,并且還可以模擬產生超標的模擬信號，促使檢測設備相應故障信號燈亮，轉為故障模式訓練，提高檢測人員故障判別技能。

2 系統硬件組成

系統包括FPGA控制模塊、適配器模塊、網絡傳輸模塊和主控計算機四個部分組成。基于FPGA/SPI設計的模擬檢測適配器系統主要用來完成導彈電路參數模擬檢測教學訓練，通過主控計算機設置正常檢測、故障檢測狀態，主控計算機軟件產生相應的電信號波形，FPGA控制系統接受導彈檢測儀的指令參數，按照流程控制系統SPI通訊模塊將電路信號波形數據傳輸給適配器模塊，適配器航空插座與導彈一致，將模擬產生的電路參數送給檢測儀，檢測儀產生相應的信號指示，供檢測人員判斷。具體硬件組成如圖1所示。

圖1 硬件組成

1) FPGA控制模塊：系統的工作和通訊都是基于FPGA設計，采用Xilinx公司生產的Spartan系列FPGA。FPGA (Field-Programmable Gate Array)為現場可編程門陣列，內部含有豐富布線資源以及

可編程輸入輸出單元，還有大量的可配置邏輯，在小批量、低成本系統上提高系統集成度、可靠性具有強大的優勢。FPGA芯片外圍控制電路設計了FPGA芯片的電源供應、晶振供應、外接接口以及FPGA電容去耦等。FPGA主時鐘根據verilog代碼的優化效果，FPGA可以使用盡可能快的時鐘，使速度達到最快。在本系統中，因為對速度的要求并不大，只要能實現網絡的實時傳輸功能。因此，在FPGA的時鐘上，采用50MHz晶振實現。FPGA控制系統接收到檢測儀通過適配器接口傳送的指令信號、放大器檢測指令、反饋電位器指令，然后根據這些指令控制網絡傳輸模塊實時通訊，下載主控計算機軟件編輯的電信號數據庫，模擬產生“0”、“-1”、“+1”三種指令的Uy、Uz信號、放大器電壓信號、反饋電位器電壓信號等信號，其控制信號流程框圖如圖2所示[2]。

圖2 FPGA控制信號流程框圖

2) 網絡傳輸模塊。該模塊主要基于FPGA芯片和W5300網絡芯片開發，負責與控制系統計算機進行網絡通信，采用TCP/IP協議，同時將計算機接收到的波形數據通過SPI總線傳輸給DAC模塊，是主控計算機與各個DAC模塊之間的連接樞紐。W5300芯片是一款集成TCP/IP協議的網絡芯片，FPGA驅動網絡芯片實現以太網通信功能。網絡驅動組成包括初始化、數據接收、數據發送、中斷處理等模塊。在硬件系統上電后，網絡初始化模塊開始工作，網絡驅動進入初始化流程，初始化過程是使芯片達到系統所需工作狀態的前提。初始化主要設置主機的接口、配置芯片網絡信息、配置內部TX/RX存儲空間等；初始化結束后，芯片進入等待控制流程，等待FPGA的控制信息；檢測儀將指令信號數據發送給FPGA時，FPGA發送數據信息到網絡芯片，FPGA進入發送數據操作流程，將數據送入網絡芯片內部，網絡芯片將其打包發送給主控計算機；主控計算機有網絡信息送給網絡芯片時，網絡芯片產生中斷，FPGA接收到中斷信息，給接收數據信息到網絡芯片，FPGA進入接收數據操作流程，將數據從網絡芯片內部讀出。

3) 適配器模塊。該模塊共有20塊電路板組成，每塊電路板由FPGA及其外圍電路、DAC芯片組成。FPGA控制DAC芯片將網絡芯片數字信號轉換為波形信號，每一塊DAC模塊電路板輸出信號引出導線至適配器19芯接口。每個DAC模塊可以存儲七種不同型號的波形數據，根據軟件系統、網絡系統指令輸出相應的電壓信號波形。DAC芯片將接收的2進制數據轉換為模擬波形數據，并由運算放大器將電壓放大后輸出。項目采用DAC7731E芯片，該芯片為10位分辨率芯片，精度高。每個DAC模塊受FPGA控制，采用SPI總線傳輸方式提供了一種組合式系統方案，同一條SPI總線上可以掛接任意數量(小于256)的DAC模塊，每個DAC模塊可存儲7組波形數據，同時存儲其他節點的工作狀態。當接收到主控計算機的命令時，SPI總線可以將不同的數據發送到正確的位置，使得每一塊DAC模塊輸出正確的波形數據送給適配器檢測接口[4-5]。

4) 主控計算機。主控計算機用于管理各DAC模塊的輸出波形數據，提供操作軟件，實現與網絡通訊模塊的通訊。

3 系統軟件設計

故障編輯采用Microsoft公司的Visual Studio 2013軟件編寫。教練員通過系統軟件設置當前正常、故障波形數據，FPGA及通訊模塊通過SPI將當前正常、故障的波形數據傳輸給各個DAC模塊，進而送給適配器與檢測儀連接接口。軟件結構框圖如圖3[3,6]。

圖3 軟件結構框圖

電信號編輯用于編輯各種檢測模式(正常、故障)狀態下輸出的波形。每個DAC模塊預存7個波形，共20個DAC模塊。編輯好的電信號波形也可以根據需要進行修改；

故障設置用于設置當前的故障狀態，準備分發數據時先點擊啟動服務器按鈕，則數據庫就會將各個節點的波形分發下去。

設備使用前，使用人員通過分析和測試各種故障狀態下19芯檢測接口的輸出波形，并通過故障編輯軟件錄入故障狀態數據庫中。訓練過程中，通過故障設置界面選擇當前檢測模式(正常、故障)狀態，軟件將存儲在數據庫中的各電信號波形數據下載至訓練彈19芯檢測接口。

1) 軟件電信號編輯模塊

打開軟件，輸入賬戶密碼(初始密碼定為“ZZK”)，點擊登陸系統，則進入到軟件主菜單，根據具體故障電路分析編輯需要產生的不同類型的波形。如編輯正弦波形，在“生成類型”中選擇“隨機生成”，然后在“更多波形”中選擇“正弦波波形”，并輸入正弦波的各種波形參數，然后保存設置，則可在“隨機波形”一欄中看到編輯好的正弦波形的預覽。電信號編輯模塊提供的常用電信號包括方波、周期波、三角波、直流信號等，還可以手動繪制各種波形。如圖4所示。

圖4 電信號編輯模塊

2) 軟件故障編輯模塊

采用故障樹分析方法對檢測彈故障進行分析設計是針對復雜系統故障性分析最適合的方法，故障樹分析方法把系統不希望發生的事件(模擬導彈故障狀態)作為故障樹的頂事件，用規定的圖形符號來表示，并找出導致這一不希望發生事件的所有可能的直接因素(包括硬件、軟件、環境、人為因素等)和原因，它們是處于過渡狀態的中間節點，并由此逐步深入分析，直到找到事件的基本原因，即故障樹的底事件為止。某型導彈故障性分析如圖5所示。

圖5 某型導彈故障樹

其中E1為放大器反饋電位器部件故障、E2為放大器部件故障、E3為反饋電位器部件觸點連接不好、E4為反饋電位器部件損壞、E5為綜合器故障、E6為觸發器故障、E7為功率放大器、E8為濾波器故障、E9為綜合器功能性損壞、E10為綜合器外連觸點脫落、E11為觸發器功能性損壞、E12為觸發器外連觸點脫落、E13為功率放大器損壞、E14為功率放大器沒有信號產生、E15為濾波器外連觸點脫落、E16為濾波器沒有信號產生、E17為電子裝置沒有產生反饋信號、E18為反饋電位器電阻故障、E19為電子裝置故障、E20為電子裝置輸出信號超標、E21為電子裝置接收信號不在規定范圍、E22為指令信號超標、E23為門限電路故障、E24為信號處理電路故障。通過事故樹定性分析，還可以通過求最小割集、徑集等方法對某型導彈進行故障性分析，取概率發生最大7種故障模式的最小集組合為{E9、E11、E13、E15、E21、E23、E18}。每一種模式都會導致頂事件的發生，它們是某型導彈容易發生損壞的元部件和故障模式，可以導致檢測設備產生“故障”信號燈亮等現象。

故障編輯模塊就是根據上述7種故障狀態進行編輯。首先新建故障方案，具體方法為：單擊“新建方案”，然后在“方案名稱”和“方案描述”中輸入故障的名稱和內容，最后選擇默認波形和硬件節點數，點擊確定。故障方案編輯修改完畢后，在“選擇方案”中找出需要加載的方案，然后單擊“加載方案”，則將所選擇的方案加載了進來，然后進入各方案電信號編輯模式。具體如圖6所示。

圖6 故障編輯界面

故障設置用于設置當前的故障狀態，準備分發數據時先點擊啟動服務器按鈕，則數據庫就會將各個節點的波形分發下去。

設備使用前，教員通過分析和測試各種故障狀態下的各節點的輸出波形，并通過故障編輯軟件錄入故障狀態數據庫中。

教學過程中，教員根據教學內容通過故障設置界面選擇當前故障狀態，軟件將存儲在數據庫中的各節點的波形數據下載至各仿真DAC模塊中。

設置好正常、故障狀態后，訓練人員將系統與配套檢測儀連接，通過觀察檢測儀顯示信號，判斷檢測指標，達到訓練技能目的。教員根據學生的表現進行打分。軟件電路編輯界面如圖7所示。

圖7 軟件編輯電信號界面

4 系統驗證和試驗

系統驗證和試驗表面，該導彈檢測儀適配器系統對信號指標的模擬能夠驅動檢測儀信號顯示，能夠產生正確和故障的驅動信號，實現了人工編輯信號、自動建庫、模擬故障的導彈檢測模擬，具有故障訓練、數據顯示判讀和操作模擬功能，信號產生的指標利用示波器檢測誤差在2%以內。通過對系統軟件正常模式對接檢測儀，檢測指示燈綠色燈亮，代表模擬產生的電壓正常驅動檢測儀系統；選擇“0”指令故障模式，在軟件編輯信號+10V電壓，則在檢測儀系統可以觀測到“0”指令指示燈紅燈亮，代表導彈存在故障，不能用于射擊。

驗證結果表面該系統操作簡單，訓練效能顯著，安全性好，模擬檢測效能高，故障模式訓練驅動準確，信號編輯方便，開放性、組合性設計具有多種導彈檢測模擬訓練的適應性，達到了對導彈檢測手要求高、安全風險大、數據判別要求高的訓練目的。

5 結論

1) 本項目開發的基礎性平臺可以拓展到多種導彈檢測訓練，集成為一種綜合性的訓練平臺。

2) 在控制系統軟件設計、信號傳輸和處理模塊等關鍵技術設計上采用開放性、組合性設計，基于控制系統、FPGA技術和SPI通訊傳輸技術把數據傳輸和控制固化下來，控制系統軟件可以人工修改故障方案、人工輸入編輯波形，得到各種波形組合，產生的數據庫通過傳輸模塊和處理模塊送給外設接口。

3) 只需稍微改變檢測接口并在軟件界面手工編輯數據庫，即可將這些信號波形組合利用到多種導彈檢測訓練平臺，系統的開放性設計具有重要的應用價值。