某型導(dǎo)彈的地面模擬方法研究

劉良勇 彭雪娟 趙鵬飛

摘要：為了更好地在地面保障時(shí)驗(yàn)證飛機(jī)掛彈系統(tǒng)邏輯的正確性，設(shè)計(jì)了一種便攜式導(dǎo)彈模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)導(dǎo)彈模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用FPGA作為主控單元，通過(guò)制定通信協(xié)議控制離散IO模塊采集飛機(jī)至導(dǎo)彈的控制指令以及繼電器模塊模擬導(dǎo)彈至飛機(jī)的響應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)模擬真實(shí)導(dǎo)彈準(zhǔn)備過(guò)程、發(fā)射前后控制指令等信號(hào)處理流程。該系統(tǒng)通過(guò)了在機(jī)上進(jìn)行的實(shí)際驗(yàn)證，效果較好，能夠滿足地面保障使用。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)彈模擬器；FPGA；相序檢測(cè)；狀態(tài)機(jī)

Keywords：missile simulator；FPGA；phase sequence detection；state machine

0 引言

飛行員在空中完成一次導(dǎo)彈的全部攻擊流程，涉及火控雷達(dá)、光電雷達(dá)、武控系統(tǒng)和掛載武器之間復(fù)雜的信號(hào)處理。現(xiàn)行地面檢查中，火控系統(tǒng)和軍械系統(tǒng)的調(diào)試相對(duì)分離，軍械系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，導(dǎo)彈的相關(guān)檢測(cè)內(nèi)容在自主狀態(tài)（火控失效）下進(jìn)行，缺少火控系統(tǒng)參與解算的完整攻擊過(guò)程檢查內(nèi)容，且現(xiàn)有的導(dǎo)彈模擬器體積較大、比較笨重，搬運(yùn)起來(lái)比較繁瑣，不易攜帶。因此，針對(duì)上述問(wèn)題提出一種便攜式導(dǎo)彈模擬器及其使用方法。

1 模擬方法研究

梳理導(dǎo)彈的輸入輸出信號(hào)，有115V400Hz交流電源信號(hào)、27V直流電源信號(hào)、27V離散信號(hào)輸入、0～27V電壓信號(hào)等輸入信號(hào)，以及27V離散信號(hào)、0～10V模擬信號(hào)和識(shí)別短接等輸出信號(hào)。模擬方法采取搭建硬件電路，利用軟件控制輸出，模擬飛機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)序和彈型識(shí)別，通過(guò)軟硬件電路采集飛機(jī)至導(dǎo)彈的輸入信號(hào)，并判斷飛機(jī)導(dǎo)彈控制指令的正確性，從而模擬真實(shí)導(dǎo)彈的識(shí)別和發(fā)射過(guò)程。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 整體設(shè)計(jì)

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)為220V交流電輸入，通過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成12V供電腦主機(jī)使用；飛機(jī)導(dǎo)彈的離散量，一路通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路從28V降到1.73V進(jìn)入ADC采集模塊，ADC采集模塊將調(diào)理好的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，通過(guò)RS485接口發(fā)送至電腦主機(jī)；另一路經(jīng)過(guò)光耦轉(zhuǎn)換成數(shù)字量進(jìn)入FPGA， FPGA將采集的數(shù)字量通過(guò)RS232接口發(fā)送至電腦主機(jī)。電腦主機(jī)將需要發(fā)送給導(dǎo)彈的離散量先發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA對(duì)其進(jìn)行解析后，通過(guò)達(dá)林頓管控制繼電器陣列將離散量信號(hào)輸送至飛機(jī)導(dǎo)彈。電腦主機(jī)通過(guò)RS485接口，將飛機(jī)導(dǎo)彈需要的模擬量以數(shù)字信號(hào)形式發(fā)送至DAC模塊，DAC模塊對(duì)其轉(zhuǎn)換后發(fā)送至飛機(jī)導(dǎo)彈。飛機(jī)導(dǎo)彈的電源連接115V交流電測(cè)量模塊，該模塊將采集的信號(hào)通過(guò)RS485接口發(fā)送至電腦主機(jī)。2.2 FPGA設(shè)計(jì)

FPGA采用INTEL公司的Cyclone III系列的EP3C5E144I7，該芯片采用65nm技術(shù)制造，具有94個(gè)I/O端口，22對(duì)差分對(duì)端口。

2.3 離散IO采集電路設(shè)計(jì)

離散IO采用雙路采集模式設(shè)計(jì)（見圖2），一路通過(guò)光耦加施密特觸發(fā)器進(jìn)行數(shù)字量采集，另一路通過(guò)降壓進(jìn)入ADC模塊進(jìn)行模擬量采集，在數(shù)字量采集為高電平的同時(shí)利用模擬量對(duì)高電平幅值進(jìn)行監(jiān)控，保證離散量采集的準(zhǔn)確性。

2.4 115V交流電相序檢測(cè)

115V交流電相序檢測(cè)采用TC783A芯片采集。TC783A為三相相序和缺相檢測(cè)電路，可用作檢測(cè)三相正弦波電壓的相序和缺相狀態(tài)，同時(shí)有保護(hù)功能，具有單電源、功耗小、功能強(qiáng)、輸入阻抗高、采樣方便、外接元件少等優(yōu)點(diǎn)。將其聯(lián)入控制板，可對(duì)三相電壓進(jìn)行指示，也可在電機(jī)上使用，對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行控制和缺相進(jìn)行保護(hù)。如圖3所示，三相電壓信號(hào)A、B、C經(jīng)分壓電阻網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)入電路1、2、3腳，通過(guò)對(duì)正弦波進(jìn)行施密特檢測(cè)，了解信號(hào)的存在并送入缺相檢測(cè)電路進(jìn)行檢測(cè)后再輸出指示，電路13腳為內(nèi)部脈沖發(fā)生電路的外接電容，約為0.01uF。三相正弦輸入正常時(shí)，對(duì)應(yīng)A、B、C輸入1、2、3腳的輸出端12、11、10腳的輸出為低電平；當(dāng)某一相沒(méi)有輸入信號(hào)時(shí)，對(duì)應(yīng)的輸出腳上將有高電平。根據(jù)缺相檢測(cè)的結(jié)果，在不缺相的情況下相序指示電路將輸出相序，在三相電壓信號(hào)A、B、C進(jìn)入電路1、2、3腳的狀態(tài)下，9腳輸出高電平指示正序；而在三相電壓信號(hào)A、C、B進(jìn)入電路1、2、3腳的狀態(tài)下，8腳輸出高電平指示反序。在缺相狀態(tài)下，9腳、8腳皆輸出低電平。此電路另外還設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，可對(duì)過(guò)流、過(guò)壓信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和輸出。5腳為采樣輸入端，輸入信號(hào)與電路內(nèi)的6V基準(zhǔn)進(jìn)行比較，并在電路6腳輸出。如果采樣高于6V，則輸出高電平。4腳對(duì)輸出方式有兩種控制選擇：4腳接低電平，輸出為不鎖定輸出，即輸入高輸出高，輸入低輸出低；4腳接高電平，輸出為鎖定輸出，此時(shí)輸入高輸出高，輸入低輸出仍高，需要4腳接地復(fù)位才能輸出低。

3 控制協(xié)議制定

為實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制，需制定上位機(jī)與FPGA的通信協(xié)議，本系統(tǒng)采用RS232接口與FPGA通信，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)的功能為接受上位機(jī)發(fā)送的模擬開關(guān)控制、達(dá)林頓管控制、離散I/ O采集和DAC控制等4項(xiàng)指令，對(duì)指令進(jìn)行解析并執(zhí)行相應(yīng)的控制和數(shù)據(jù)采集。協(xié)議格式如表1所示，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)該協(xié)議的狀態(tài)機(jī)示意圖如圖4所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

在無(wú)掛彈狀態(tài)下，設(shè)備連接到飛機(jī)導(dǎo)彈掛點(diǎn)，模擬近戰(zhàn)紅外導(dǎo)彈掛載信息，在飛機(jī)多功能顯示器上顯示導(dǎo)彈占位信息。使用交流電壓采集模塊對(duì)機(jī)上115V三相交流電壓進(jìn)行采集監(jiān)控，離散量IO采集卡對(duì)+27V一次性指令信號(hào)進(jìn)行采集，通過(guò)相關(guān)接口傳至板卡進(jìn)行信號(hào)處理，采用CVI軟件編寫專用測(cè)試程序，實(shí)現(xiàn)模擬器相關(guān)功能。自制矩陣開關(guān)板卡對(duì)不同掛點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行切換，以適應(yīng)多掛點(diǎn)測(cè)試需要。軟件流程圖如圖5所示。

軟件具體邏輯如下：

1）軟件控制模擬導(dǎo)彈掛載標(biāo)志針腳接地，為飛機(jī)提供掛載標(biāo)志，飛機(jī)識(shí)別出已掛導(dǎo)彈型別。

2）等待彈型標(biāo)志為綠色空心圓，武器控制系統(tǒng)開始向?qū)椆╇姡銛y式導(dǎo)彈模擬器對(duì)機(jī)上三項(xiàng)115V電壓和相序進(jìn)行檢查。

3）當(dāng)三相供電良好時(shí)，模擬器軟件向飛機(jī)發(fā)送+27V相關(guān)指令。

4）導(dǎo)彈按照指示的方向搜索目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行截獲，便攜式導(dǎo)彈模擬器接收目標(biāo)指示信號(hào)（線性變化電壓）。

5）當(dāng)目標(biāo)距離達(dá)到攻擊區(qū)以后，彈型標(biāo)志為截獲狀態(tài)，操作者扣下發(fā)射導(dǎo)彈按鈕。導(dǎo)彈模擬器檢測(cè)導(dǎo)彈輸出相關(guān)指令是否正常。

6）導(dǎo)彈脫離，掛載標(biāo)志取消接地。

7）再次進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，控制電壓應(yīng)消失。

按壓便攜式導(dǎo)彈模擬器電源按鍵，設(shè)備啟動(dòng)完畢后，雙擊電腦桌面上的導(dǎo)彈模擬器自動(dòng)測(cè)試軟件，輸入用戶名和密碼即可進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)。

選擇好掛點(diǎn)和彈型后，點(diǎn)擊“綠色”按鈕進(jìn)入測(cè)試流程，軟件界面顯示測(cè)試倒計(jì)時(shí)，點(diǎn)擊“停止”按鈕即可停止測(cè)試。測(cè)試完畢后，軟件顯示實(shí)測(cè)值，同時(shí)根據(jù)給定的標(biāo)準(zhǔn)范圍給出結(jié)果判定。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用便攜機(jī)箱和自制板件相結(jié)合的方法，利用高性能FPGA作為處理中心，研究導(dǎo)彈攻擊發(fā)射全流程的模擬技術(shù)，研制了一套某型導(dǎo)彈便攜式模擬器并通過(guò)了實(shí)際驗(yàn)證，為導(dǎo)彈模擬技術(shù)研究提供了有效的參考。該項(xiàng)目的研究成果，改進(jìn)了地面保障人員測(cè)試的工藝方法，有效減少了空中導(dǎo)彈發(fā)射故障，提高了部隊(duì)作訓(xùn)時(shí)導(dǎo)彈的發(fā)射成功率。

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作者簡(jiǎn)介

劉良勇，工程師，研究方向：飛機(jī)電子產(chǎn)品修理。