基于PC104與DSP的載機發控系統綜合檢查儀設計

龐 瀟

(中國空空導彈研究院 主機配套部，河南 洛陽 471000)

0 引言

空空導彈發射裝置用于接收載機任務機及外掛系統命令，控制掛點下空空導彈完成供電、自檢及發射等任務[1]；為保障載機升空后空空導彈使用可靠無誤，設計發射裝置檢查儀[2-3]，用于對載機掛裝空空導彈的各掛點機架接口、彈架接口的電氣性能、功能的測試及檢查。

某型載機可掛裝四型發射裝置及空空導彈，同型導彈可同時掛裝四枚以上。執行任務時，存在待檢測掛點多、接口信號類型復雜等問題。以往的同類型檢查儀存在只能進行單通道測試[4]，只能模擬單型彈測試[5]，擴展射頻測試功能還需另行采購射頻檢查儀等問題。若應用于該型載機，存在使用效率低、測試時間長，配套保障設備種類多、采購成本高等問題。本文設計一型基于PC104與DSP的載機發控系統綜合檢查儀，既可模擬多型空空導彈，又可單次同時測試載機四個掛點，集成射頻檢測功能，可有效提高檢測效率，減少保障設備數量和種類。

1 硬件設計

1.1 總體設計思路

綜合檢查儀用于載機掛彈前的飛機發控系統測試，除功能滿足要求外，應具備以下特點：1)使用于部隊外場、停機坪，應適應外場-40～+65 ℃使用環境；2)應能適應頻繁的內外場運輸，便攜并具備一定的抗震性；3)長期工作于部隊場站，作為軍用保障設備服役時間長達十數年，應具備良好的可靠性、維修性。

檢查儀采用整機一體式，內部模塊化設計。整機選用派力肯包裝箱安裝各個模塊，方便運輸，提高抗震性；選用PC104總線系統作為主控平臺，減小體積；內部按模塊化方法設計，各個模塊均設計為外場可更換單元，在部隊僅需進行故障定位及故障件更換工作，提高維修性；選用寬溫元器件、寬溫顯示器等適應外場環境。

檢查儀內部模塊有：4個基于DSP2812的嵌入式控制系統的下位機組合；一個基于PC104總線系統的上位機為主控平臺；以及射頻/數據鏈組件、GPS組件、電源組件等多個部分。檢查儀的系統原理框圖如圖1所示。

圖1 檢查儀系統原理框圖

上位機PC104總線系統搭載WINCE操作系統，運行顯示控制程序，主要執行測試數據管理、下位機管理和人機交互功能。上位機支持USB、VGA、RS232、GPIO等接口，支持輸入、輸出設備如顯示器、觸摸屏、鼠標鍵盤及打印機等外設，構成主控平臺。下位機的4個嵌入式控制系統完全獨立，每個可模擬四型導彈測試單一掛點的總線、離散量信號，并行完成4個掛點的測試，做到實時響應。上下位機間使用RS232通訊，PC104采用中斷的方式接收下位機傳來的測試信息，及時地更新顯示結果，并下發任務指令。

射頻/數據鏈組件完成射頻信號處理轉換，GPS組件完成衛星定位信號處理轉換，電源組件完成整機各個模塊的供電控制。

1.2 主控平臺設計

1.2.1 主控板選型

主控板選用盛博公司的寬溫PC104[6-7]主板SCM9022。該主板基于Intel?AtomTMD525(1.8 GHz，雙核)處理器，板載1 GB DDR3 SDRAM，集成Intel?GMA3150支持VGA+LVDS雙顯示功能(最高分辨率20 48×1 536@60 Hz), 尺寸為90 mm×96 mm，適應工作溫度-40～85 ℃，貯存溫度-55～85 ℃，功能滿足數據管理需要，性能適應外場工作環境，體積小便于整機小型化。

主控板接口豐富：支持6個232接口，用于與下位機通訊；4個USB接口，用于連接鼠標、鍵盤和顯示屏；SATA接口，用于連接外置移動硬盤存儲試驗數據；GPIO接口，用于供電等開關量控制。

1.2.2 雙顯示設計

檢查儀配備兩個顯示器，一是手持遠端可移動顯示器；二是檢查儀面板自帶顯示器。

手持顯示器可在載機座艙操作，方便地勤人員控制載機下發指令時，同時觀察測試信息。該顯示器采用VGA信號接口、尺寸8英寸、分辨率1 024×768，即保證顯示信息充足，又保證手持方便。自帶顯示器采用VGA信號接口、尺寸12英寸、分辨率1 024×768。雙顯示器亮度大于800 nits,保證在較強陽光下可視；可視角度為水平140度、垂直140度廣角，視野較佳。均使用電阻式觸摸屏，并配有加溫裝置，適應檢查儀應用場所-40～+60 ℃的環境。

檢查儀一般放置在載機機翼下，距離飛機座艙12米以上，因受制于保密及充電等問題，不考慮無線方案。設計顯示電纜一根，長15米，為手持顯示器傳遞供電、USB和VGA等信號。因距離太長，在電纜中設計USB和VGA信號中繼器對信號進行放大，防止信號衰減導致的顯示效果不佳。

1.2.3 面板接口復用設計

檢查儀面板上設計4個99針航空連接器Y23P-2990TK，用于分別對接同時測試的4個彈架接口。將四型彈架接口的供電、點火、離散量、總線信號等根據信號特性歸類復用，歸并至一個連接器上進入檢查儀。不同彈型的區分通過電纜的型號識別IO完成。實現了檢查儀4個對外主插座對接多種被測接口的能力。

GPS信號、數據鏈/射頻信號通過專用射頻電纜、面板SMA射頻連接器引入檢查儀，與數字信號隔離開。

1.3 測試終端

下位機由4個一樣的測試終端組成，是基于DSP的單板控制系統。單個終端可由控制電路、接口電路和模擬負載等幾部分組成，共同實現四型導彈的機彈通訊功能的模擬。

1.3.1 控制電路

控制電路由主控芯片、邏輯處理電路、總線處理電路等幾部分組成。

1)主控芯片：

主控芯片完成對載機下發的AD、IO、RS232、429、1553信號進行測試，對GPS處理模塊轉發的RS232、IO信號進行測試，對數據鏈/射頻處理模塊轉發的429、RS232、IO信號進行測試，信號符合導彈要求后，根據通訊協議模擬導彈回傳導彈狀態信息。模擬導彈從供電至發射離軌的全狀態輸入輸出信號管理。

主控芯片選用TI公司TMS320F2812處理器。該處理器[8]是32位定點微控制單元(MCU)，主頻率最高可達到150 MHz，有56個多路復用I/O引腳(可編程)，具備SCI、I2C、SPI、CAN、PWM、ADC、定時器等多種外設，功能滿足使用需求，符合高低溫、振動測試要求，滿足部隊使用環境。

2)邏輯處理及總線控制電路:

四型導彈主要采用429總線、1553總線兩類傳輸數據。采用總線接口芯片+邏輯處理芯片方式實現該功能。邏輯處理芯片選用賽靈思公司的XC95144在系統可編程CPLD,具有144個宏單元、3 200個可用邏輯門單元，滿足邏輯處理需求。

429總線[9]接口芯片選用DEI公司的DEI1116，總線驅動器選用DEI公司的DEI1072。DEI1116傳輸速率為100 kpbs，含單通道發送器一個、獨立接收通道兩個和可編程控制器。DEI1072完成發送信號的±15 V驅動。429總線接口原理如圖2所示。

圖2 ARINC429總線控制電路

1553總線控制電路總線接口芯片選用BU61864，耦合變壓器選用TST-9007組成。BU61864封裝形式為CQFP72，16 MHz頻率，可提供1553B數據總線和16 bit寬數據總線接口。該芯片集成了BC/RT/MT功能，具有靈活的存貯器/主處理器接口[10]，可擴展64 Kx16外部RAM。1553總線接口原理如圖3所示。

圖3 1553總線控制電路

3)離散量處理電路：

IO功能使用F2812自帶的56個多路復用I/O引腳實現。AD采集選用SPI接口模數轉換芯片SAD025MC，輸入范圍為±20 V，精度12位，分辨率達到5 mV，滿足系統測試需求。DA芯片選用AD公司的DAC8412，精度為12位，控制精度滿足需求。

1.3.2 接口電路

接口模塊主要負責輸入輸出信號的調理，含有光耦采集電路、電平轉換電路、繼電器輸出電路等，其主要原理如圖4所示。

圖4 接口模塊電路原理

其中，光電耦合器選用進口的TLP621-4，配合限流/上拉等外圍器件，將發射控制電路的28 V/0 V/懸空等離散信號轉換為標準的TTL電平，用于DSP采集；電平轉換采用LM124運算放大器、AD536交直變換器及高精度電阻等將電壓轉換到±20 V以內，用于控制板采集；驅動芯片選取SNJ54LS244/245，用于輸出信號的電流驅動；繼電器選用固態繼電器JGW-3M/JGW-3023A及電磁繼電器等，將輸出信號發送給發射控制電路。

1.3.3 模擬負載

檢查儀可模擬導彈供電、加載、電池激活、發動機點火等多個信號的實際負載，測試發射控制電路在帶載時的驅動能力。選取RXG12-50 W功率電阻模擬各信號負載。采用復用技術模擬時序上非同步信號的負載，從而減少電阻數量。具體阻值由信號電壓及負載電流大小確定。

1.4 輔助組件設計

1.4.1 電源處理電路

檢查儀使用載機28 V電源，選用前端穩壓模塊WPM-300S-H對載機電源進行防過壓、浪涌抑制等前端處理，選用瞬態抑制二極管、儲能電容等做尖峰抑制和欠壓保護；由電源模塊WDM65-2815、WDM30-28515等模塊完成電平轉換工作，再由濾波器處理后供給各組件使用。組件的上電斷電由PC104的IO管腳根據導彈通電時序確定，盡量減小功率損耗及各組件的電磁干擾。

1.4.2 GPS處理模塊

GPS處理模塊由北京東方聯星的高精度導航模塊及相應處理電路組成，可進行北斗/GPS衛星定位信號的接收和解碼，處理后經串口發送給PC104顯示。

1.4.3 射頻/數據鏈處理模塊

射頻/數據鏈處理模塊由高頻、中頻、譯碼等多部分處理電路組成，完成載機雷達轉發的高頻信號、測試終端(模擬導彈)發送的429總線、串口、離散量等信號間的相互轉換，實現機彈的高頻通訊。

2 軟件設計

測試應用軟件的設計分為兩部分，上位機搭載WINCE操作系統，使用VC++編寫主控平臺測試程序；下位機使用C語言編寫測試終端測試程序。

2.1 顯控軟件設計

主控平臺測試程序使用VC++[11]編寫，主要功能是：1)與操作者交互，顯示測試信息并接受用戶指令；2)與4個測試終端通訊，實時接收測試信息并發送操作指令；3)測試數據管理。

2.1.1 人機界面

界面設計上，使用C++建立基于對話框的應用程序，主要使用CButton類、CEdit類和CStatic類對界面上的按鈕、編輯框和靜態文本框進行個性化設計，自定義的CRoundButton和CRectButton類實現圓形按鈕、按鈕變色等功能。達到顯示信息豐富、顯示界面美觀、操作簡單的目的。采用標簽頁的形式顯示4個掛點的測試信息，配合觸摸屏可方便使用。

2.1.2 與下位機通訊

平臺軟件通過4個RS232接口實時與4個測試終端進行通訊。采用了Mscomm控件進行串口編程，利用串口收發中斷事件來觸發運行相應的中斷服務程序，實時將測試信息顯示在界面消息框中，實時更新關鍵信號。

2.1.3 數據管理

平臺軟件將每次測試的數據以文本方式保存至PC104硬盤，點擊界面測試結果按鈕，用戶可隨時查看以往的結果，支持按日期、型號等方式搜索數據。其中，故障數據以紅色突出顯示。

2.2 測試終端軟件設計

測試終端搭載的測試軟件即嵌入式DSP處理器TMS320F2812上燒寫的C語言程序，用于模擬導彈的工作特性，測試載機下發的總線、離散量信號。

2.2.1 測試軟件組成

測試軟件按照模塊化的設計思想設計，軟件功能模塊結構如圖5所示。

圖5 測試軟件功能模塊劃分

模塊化設計完成后，針對多種彈型的不同信號，在信號調理后轉換為標準的幾類信號，調用相應的功能模塊進行數據處理，軟件執行效率高。數據管理模塊將終端本次測試正常數據、故障數據匯總發送給上位機。

2.2.2 測試流程

測試軟件模擬某型導彈測試的簡明流程圖如圖6所示。

圖6 測試軟件簡明流程

3 應用效果及問題解決

3.1 裝備應用情況及分析

檢查儀功能匯總見表1。

表1 檢查儀功能實現情況

該型檢查儀已定型并裝備部隊，經過近3年的實際應用及數據統計，性能如表2所示。

表2 檢查儀性能

3.2 典型問題及解決

3.2.1 主板斷電問題

檢查儀使用載機28 V直流電源供電。 測試中，因測試故障、載機設備重啟等原因，可能導致檢查儀突然斷電，造成PC104操作系統的系統文件丟失等異常，引起檢查儀出現藍屏、黑屏等故障。

定制了專用裁剪版WINCE操作系統[11],具有以下優點：1)體積小，占用硬盤空間小于500 MB；2)寫保護，避免沒有管理員權限操作者修改計算機內容；3)突發斷電時保護操作系統。

3.2.2 電磁兼容性設計

檢查儀可對兩型導彈的機彈射頻通道進行檢測，內部設有兩型射頻輔助模塊。該模塊對外與載機雷達進行高頻通訊，對內部測試終端進行總線429、RS232、離散量通訊。因該模塊內含高頻收發、高中低頻轉換等電路，對整體設備的電磁兼容性影響很大。

設計上通過以下3個措施提高檢查儀的電磁兼容性[12-13]：1)全金屬屏蔽：使用鋁制金屬外殼將射頻模塊完全封閉，僅在屏蔽殼上留出連接器，最大限度地減少該模塊與外界的相互影響；2)針對性選用濾波器件：在供電和供電地導線中串入寬頻共模扼流線圈，抑制電源/地線干擾；根據電路運行頻率特性，選用三端濾波器，抑制電路板上的傳導干擾和高頻電磁輻射；3)供電控制：根據模塊工作實際情況，動態控制模塊的通斷電，最大限度減少模塊工作時間，避免不必要的干擾。

3.2.3 雙顯示器設計

為方便用戶使用，檢查儀配備兩個顯示器，一是檢查儀面板自帶顯示器；二是手持遠端帶觸屏顯示器。面板上顯示器用于地面機務人員觀察測試進度；遠端顯示器用于飛機座艙，滿足機務同時操作飛機和檢查儀，提高測試速度。

但手持顯示器距離檢查儀主機12米以上，通過顯示長電纜傳輸供電、USB和VGA信號；面板自帶顯示器通過內部線纜接收主板VGA和供電信號。從PC104的VGA接口引出的一分為二的顯示電纜長度分別為15米和0.5米，供電、USB和VGA信號長距離傳輸，會導致信號衰減和信號干擾等問題，影響顯示效果。

解決方法：1)顯示電纜中增加帶外供電的USBHUB作為中繼器，保證USB信號的穩定可靠傳輸；主板輸出的VGA信號使用二路VGA分配器，外接9 V電源、帶寬250 MHz、最大傳輸距離不小于30米，保證信號強度和顯示效果；2)顯示電纜采用帶銅箔屏蔽網的套管作為電纜套，內部電源線與信號線使用屏蔽套分別包裹，避免內外部干擾；3)將檢查儀送來的單路28 V/GND信號，分別通過DC/DC模塊隔離、濾波器濾波，減少兩顯示器顯示電纜長度差距過大造成的地線不平衡問題。

4 結束語

針對某型飛機發射裝置的測試需求存在待測接口信號多、測試效率低等問題。設計一型上下位機分離、并行測試、統一控制顯示的綜合檢查儀，可較好的滿足使用場景和用戶需求，與已裝備其他檢查儀相比，該型產品特點如表3所示。

表3 檢查儀新老型號比較

通過比較可知，該型檢查儀在功能、性能上比以往型號有較大提升，滿足了該型飛機多型發射裝置的測試需求，提高了測試效率。雖然單臺成本上比已定型單一型號檢查儀要高，但是，因單一型號檢查儀需要采購多臺，且不同型號發射裝置測試需要更換檢查儀，相比之下，新型檢查儀的裝備達到了成本、時間雙節約的目的，提升了部隊的戰斗力。