某型飛機空艦導彈供電系統檢測儀的設計

王超勇，李 林，楊明緒

（海軍航空大學 青島校區，山東 青島 266041）

0 引言

某型飛機機上共有4 個變壓整流器，都屬于飛機應急及二次電源系統。在飛機交流主電源系統工作時，4 臺變壓整流器自動將輸入的115V 400Hz 三相四線制交流電轉變為直流28V 輸出。其中， 3、4 號變壓整流器作為空艦導彈的供電系統，由火控專業人員負責日常的維護，不與飛機直流電網系統交聯，專門為4 枚YJ-××空艦導彈進行大電流供電。自該型飛機列裝以來，先后發生多起與空艦導彈供電系統相關的故障。空艦導彈供電系統的故障不僅會導致單枚掛載或滿負荷掛載YJ-××空艦導彈時無法正常發射，而且若供電系統向導彈供電瞬間電壓突變，還可能導致導彈損傷。目前，由于該型飛機空艦導彈供電系統機上無相應的監控措施，無檢測設備。有無故障無法及時發現，給其維護帶來了很大的困難，嚴重影響該型飛機的導彈武器訓練及作戰任務的完成。為此，研制了空艦導彈供電系統檢測儀，有效解決了上述問題的困擾。

1 總體設計

某型飛機空艦導彈供電系統檢測儀是一套基于Compact RIO 平臺和觸摸屏式計算機TPC 的測量系統[1]，其總體結構如圖1 所示，兩者通過網線連接構成對等的局域網，主要包括硬件系統和應用軟件兩部分。

其中，運行時的硬件主要包括Compact RIO 系統平臺、觸摸屏式計算機、固態繼電器、大功率模擬負載、顯示控制面板和傳感器等，開發階段的硬件還有開發機[2]。應用軟件包括測量應用軟件和顯示應用軟件兩部分，都是在開發機上編程實現，測量應用軟件下載到嵌入式控制器中，顯示應用軟件下載在觸摸屏式計算機TPC 中[3]。所有的顯示和操作都是通過觸摸屏式計算機的觸摸屏進行的。

某型飛機空艦導彈供電系統檢測儀的連接關系如圖2所示。將原有連接到空艦導彈指揮儀接線箱的插頭通過延長電纜連接到某型飛機空艦導彈供電系統檢測儀的檢測插座。通過延長電纜將航空插頭CH4-4 和CH4-7 連接到檢測儀的兩個檢測插座，實現對3 號變壓整流器的檢測，或將航空插頭CH4-1 和CH4-10 連接到檢測儀的兩個檢測插座，實現對4 號變壓整流器的檢測。

2 功能設計

1）作為空艦導彈供電系統的模擬負載原位接入，模擬實現一個變壓整流器對兩枚導彈加電的過程。

2）實時采集空艦導彈供電系統的輸出電壓和負載電流，還原供電瞬間電壓和電流的實時波形，并根據超差結果，綜合判斷供電品質。

3）提供檢測數據的保存和回放功能。

4）提供友好的人機界面。

3 檢測儀的設計

3.1 操作系統

技術平臺的選擇主要包括操作系統的選擇和硬件平臺的選擇，兩者是相互制約的，必須綜合考慮，權衡利弊。典型的檢測平臺有基于通用系統（Windows）和實時操作系統（RTX）兩種形式。

1）通用系統（Windows）

通用系統（Windows）運行在軟實時狀態下，即在惡劣運行情況下，以降低性能、延遲處理時間為代價來響應事件，事件響應是通過及時地中斷服務程序（ISR）調用和延遲調用（DPC）兩個步驟實現的[4]。ISR 以優先級調用、搶占方式運行，而DPC 是以隊列方式等候處理。而且系統中優先級等級很少，任務過多時甚至出現優先級倒置，無法滿足實時要求。Windows 提供了強大的通信和同步機制，但是不具備實時性。系統的同步事件信號量的平均延遲為幾十微秒，在繁忙時最大延遲可達幾百微秒。其普通定時器精度僅僅達到幾十毫秒，在極限情況下，可達到幾百毫秒。由上可知，Windows 無法滿足微秒級控制的設計要求。

2）實時操作系統（RTX）

實時操作系統（RTX）運行在硬實時狀態下，不管運行環境如何，都必須在時限內按優先級完成事件處理。實現并行多任務機制，嚴格遵守優先級搶占調度原則，及時處理異常危險事件。對于確定性響應的性能要求，RTX 實時子系統可以滿足最苛刻的實時應用程序。它的線程調度程序可以對設備中斷提供最快速的響應，一般情況下小于30μs，并且支持RTX 線程的最低可能的延遲調度[5]。

實時RTX 系統是高度確定性的，可以實現實時精度很高的工業控制，特別是中斷響應時間的快速性可對高速運動控制提供保障。

某型飛機空艦導彈供電系統檢測儀的核心任務是實時采集、分析、記錄模擬導彈大負載加電過程中的電流和電壓工作情況。由于啟動脈沖寬度很窄，要想達到比較好的波形再現效果，至少要達到百微秒級的采樣和控制周期。

綜上所述，本檢測儀必須采用實時操作系統。

圖1 某型飛機空艦導彈供電系統檢測儀總體結構Fig.1 General structure of the air-to-ship missile power supply system detector of a certain type of aircraft

3.2 硬件平臺

檢測儀提供兩套完全相同的檢測硬件，可同時對兩個供電通道進行檢測。空艦導彈供電系統檢測儀的硬件主要由大功率模擬負載網絡、嵌入式檢測平臺、顯示控制部分、電源轉換模塊、機箱和電纜等6 部分組成[6]，如圖3 所示。

圖2 某型飛機空艦導彈供電系統檢測儀的連接關系Fig.2 Connection relationship of the air-to-ship missile power supply system detector of a certain type of aircraft

1）大功率模擬負載網絡

包括18 個大功率電阻和18 個固態繼電器，受數字輸出模塊的控制。

2）嵌入式檢測平臺

包括嵌入式控制器、FPGA 機箱、數字輸入模塊、數字輸出模塊、模擬采集模塊和霍爾傳感器等。

3）顯示控制部分

包括觸摸屏式計算機TPC，檢測儀所有的操作均由TPC 完成。

4）電源部分

檢測儀的工作電源為外接的+28V 電源，內部分別送到嵌入式控制器、觸摸屏式計算機TPC、風扇和內部電源轉換模塊，其中內部電源轉換模塊輸出±15V 送到霍爾傳感器。

5）機箱

主要包括內部的電子儀器箱和外部的臺式加固機箱。電子儀器箱主要用于固定大功率模擬負載組合板、嵌入式檢測平臺和內部電源轉換模塊；臺式加固機箱主要用于固定電子儀器箱、觸摸屏式計算機、航空插座、斷路器和風扇等。

6）電纜

主要包括檢測電纜、自檢模擬電源連接電纜和機上+28V 連接電纜。

圖3 某型飛機空艦導彈供電系統檢測儀硬件組成框圖Fig.3 A frame diagram of the hardware composition of the air-to-ship missile power supply system detector of a certain type of aircraft

圖4 檢測儀應用軟件總體設計Fig.4 The overall design of the tester application software

除了檢測儀主體之外，還有220V 50Hz →+28V 電源，以及用于自檢和模擬操作的自檢模擬電源。

3.3 軟件開發

硬件平臺的選擇決定了軟件開發平臺的選擇，Compact RIO 的硬件平臺只能采用NI 的配套軟件進行匹配開發設計[7]。硬件系統的結構決定了應用軟件的架構形式，檢測儀的雙計算機架構需要兩個應用軟件的開發和支持。

檢測儀的應用軟件主要包括觸摸屏式計算機軟件（TPC VI）、嵌入式控制器軟件（RT VI）和FPGA 軟件（FPGA VI）3 部分，其中前者提供人機操作界面，后兩者構成嵌入式系統。檢測儀的狀態分別由TPC、RT 和FPGA 三者共同決定，所有的顯示和操作都是通過TPC 的觸摸屏進行的。三者之間通過狀態控制和采集數據傳輸兩個通道進行連接，如圖4 所示。

其狀態的改變依TPC →RT →FPGA 的順序進行傳遞控制；FPGA 采集的數據通過DMA FIFO 傳送到RT，然后通過TCP 傳送到TPC。為滿足100μs 的高速采集周期要求，使用DMA FIFO 可以將FPGA 采集的數據直接傳輸到Compact RIO RT 控制器的內存中，它可以數據流化大量來自FPGA VI 的數據，對于RT 來講，這個過程不占用它的CPU 資源，可以利用這個傳輸時間來進行自己感興趣的計算。TCP 是基于連接的協議，能進行可靠的網絡傳輸，可按順序傳輸數據而毫無錯誤、遺失或重復，TCP 會不斷地傳輸數據報直至收到接收響應為止。

4 結束語

某型飛機火控總線檢測儀的研制，極大提高了該型飛機導彈火控系統總線傳輸線路性能檢測的效率和速度，對于提高飛機的戰斗力具有非常重要意義。經部隊試用證明，該檢測儀工作穩定可靠，操作簡便，易于維護，不僅滿足了航空兵部隊息化精確保障要求，而且稍作改動可擴展滿足部隊其他主戰飛機，滿足了現代戰爭對航空裝備技術保障能力的需要。