基于RapidIO總線的簡約化小型導彈測試設備設計

唐大林，周慶飛，毛鵬飛

(北京航天測控技術有限公司，北京 100041)

0 引言

無論攻防兩端，導彈都是未來戰場上最重要的武器裝備，基于不同的戰術戰略目的，導彈又根據射程、發射平臺、飛行軌跡、制導方式、目標類型等不同方法方式分為多種類型，各型導彈武器的使用、作訓、維護、維修、保養的需求差異性很大，導彈綜合測試, 憑借其安全、可靠的實施過程, 成為檢測導彈質量的重要手段; 憑借其全面、真實、精確的測試結果, 成為檢測導彈整體性能的可信依據，測試設備已逐漸成為部隊平時維護及戰時保障的重要工具[1]。不僅部隊對測試設備的簡單易用性的需求越來越強烈，測試設備集成商及導彈研制生產廠家對測試設備通用性、擴展性等也提出了更高的要求。

目前針對導彈的離線測試一般需要給導彈單獨供電，受到大功率供電電源的體積影響，測試設備相對體積較大，重量較重，但是主要的應用場景是在彈藥庫或維修車間，一般可以適應其應用；對于導彈的在線測試，主要是針對其戰前備戰及戰時保障的需求，則需要測試設備體積重量等越小越方便。傳統的VXI、PXI及PXIE等測試模塊系列集成的測試設備是目前市場主流，其主要集成方式是基于總線機箱架構，根據激勵及測試信號的需求疊加相應的測試模塊，由于其總線標準的定義，基于此類總線的測試設備體積不至于太大，但是絕大多數也不適于導彈長期加電測試或者戰備隨裝、單兵攜帶等應用場景。電子技術、集成電路、計算機通信和芯片技術等領域的飛速發展,測試設備將原有很多功能和設備集成化處理,測試設備朝著小型化的方向不斷發展, 但是受到傳統VXI、PXI及PXIE等總線的標準定義，基于此類總線的測試設備卻無法更加有效的縮小體積，在高度集成化和小型化問題上,沒有充分應用當前已有的科技成果,創新設計不足[2]。測試設備的體積越小，也一定程度上更加符合部隊實際導彈測試、保障等使用需求，本文提出了一種脫離機箱架構式的基于RapidIO總線的簡約化小型導彈測試設備，大大簡化和縮小了傳統的總線式導彈測試設備，同時可由測試模塊疊加滿足通用化、模塊化、系列化的“三化”要求。

Rapid IO 互連技術是美國Mercury Computer Systems 公司為其計算密集型信號處理器系統開發的總線技術，最初的開發動機是用于連接線路板上的芯片和機箱內的線路板。Rapid IO 采用包交換技術，可為由CPU、網絡處理器(NPU)和DSP等組成的復雜系統提供低延遲、高速、高穩定性的互連。Rapid IO 還具有接口引腳少，可靠性高(可靠性高達99.999%)、單位端口成本極低，易于實現，可擴展性好等特性[3]。

1 簡約化小型導彈測試設備設計指標

該設備體積小、采集精度高，可滿足-40～+75 ℃溫度、30 g隨機振動及50 g沖擊振動等惡劣環境，尤其適合飛機、導彈、火箭、裝甲車輛等軍事裝備，可內置于武器裝備的狹小空間中，在強沖擊、強振動等惡劣環境下，完成整個試驗過程中裝備電信號、非電量信號、總線通訊信號以及傳感器數據的采集、存儲與處理，可以為裝備設計、測試、保障、試驗提供測試服務以及數據支撐。小巧的體積可以完成裝備嵌入式測試，可以隨裝配備，實時監測裝備運維數據，基于Windows系統的架構可以配合故障診斷算法和專家系統，實現裝備狀態檢測、診斷、預測、健康管理及維修決策。

1.1 尺寸

電源模塊尺寸：3.7 cm*7.62 cm*5.08 cm；

其他模塊尺寸：1.08 cm*7.62 cm*5.08 cm。

1.2 重量

電源模塊重量：≤330 g；

其他模塊重量：≤115 g。

1.3 整體功耗

設備總體功耗不大于65 W(最多8個功能模塊同時工作時)。

1.4 環境適應性

工作溫度：-40～85 ℃；

存儲溫度：-40～85 ℃；

沖擊振動：50 g/11 ms沖擊。

2 簡約化小型導彈測試設備硬件架構設計

測試設備功能框圖如圖1所示，簡約化小型導彈測試設備由電源模塊、嵌入式控制器模塊、數據交換路由模塊、模擬量采集模塊、總線模塊、數字IO模塊等組成，簡約化小型導彈測試設備的模塊種類數量可根據對象實際測試需求需要進行集成組合。

圖1 簡約化小型導彈測試設備硬件架構圖

2.1 電源模塊

電源模塊AMC7243選用28 V直流供電，輸出3.3 V，5 V，±15 V等多路電源用于系統各模塊的供電，電源模塊內部設有輸入電源電流監測電路，用于監測設備總體功耗信息，可以支持設備在不多于8個功能模塊同時工作時總體功耗不大于120 W的功耗需求，板載MCU采集板載溫度、電壓、電流信號，通過背板IIC總線進行功能模塊間數據交互。

2.2 嵌入式處理器

嵌入式控制器作為測試設備中樞實現各個功能模塊的參數配置、信號算法處理、被測對象狀態監測與診斷等功能。嵌入式控制器模塊對外具有人機交互或串行通訊接口，實現系統配置與應用程序的下傳，配置程序將在設備開機時通過RapidIO總線由數據交換路由模塊分發到各個功能模塊，并能夠接收各個功能模塊傳遞的數據信息進行應用程序處理和上傳。

2.3 數據交換模塊

由于整個測試設備沒有采用機箱+模塊的配置模式，各模塊間的通信以及數據交換均由數據交換路由模塊完成。AMC7100數據交換路由模塊與各功能模塊的通信總線摒棄了傳統設備以CPU為中心的數據交換架構，采用了基于1.25 GbaudRapidIO高速串行總線的16通道Switch數據交互架構。串行RapidIO(SRIO，serial RapidIO)主要是用于板上或通過背板的器件之間的電氣連接，SRIO 能夠支持全雙工模式，在每個方向上使用單向差分信號，并定義了器件間的串行鏈路。SRIO 也支持 RapidIO 器件之間的包傳送，其包括的功能有包與控制符號的傳送、錯誤管理、流量控制以及一些其他的器件到器件的功能[9]。

選用RapidIO總線，將整個系統組成以數據交換路由模塊為中心的星型通信結構，用來實現系統內模塊間的互通信功能。數據交換路由模塊為系統內部提供RapidIO通信總線、同步信號、秒脈沖及時鐘等功能，并對外提供調試接口與調試設備對接，同時提供通信接口與機上主控系統進行通信。

2.4 其他采集模塊等

其他各采集模塊對外提供信號采集接口，采集模擬信號通過模塊內部AD轉換為數字信號，經過FPGA信號處理，通過RapidIO總線實現數據傳輸，且通過同步信號可實現同步采集功能。設備還可以根據需要配備總線模塊，通過微處理器芯片及外圍功能電路實現RS422/485及CAN總線通信功能。由于此次測試對象僅需要一路RS422通信測試，嵌入式處理器AMC7101模塊本身提供一路RS422通信接口，所以此次測試不配備總線模塊。由于模塊體積小，散熱面積和散熱手段有限，所以對模塊的的溫度需要進行實時監控，所有模塊內部都設有溫度采集電路，用于采集各個模塊內部溫度狀態，電流信號和溫度信號轉換為數字信號后發送到背板的IIC總線，由嵌入式控制器模塊進行工作狀態監測，其中各個模塊的IIC總線以從模式工作，嵌入式控制器模塊的IIC總線以主模式工作。

2.5 接口適配器設計

由于各種導彈接口及信號特點不盡相同，需要在簡約化小型導彈測試設備與導彈之間設計專用的適配器進行橋接，適配器是導彈通用測試設備的重要組成單元，目前，成熟應用的導彈通用測試設備均采用通用接口+專用適配器形式，對于不同型號的導彈，采用各自不同的專用適配器及測試電纜，實現對導彈的各項測試[12]，適配器一方面可以將物理信號按管腳進行重新分配同導彈測試接口相連接，供導彈實際測試需要，同時也可在內部設計調理電路以實現測試信號的轉接、調理、隔離、保護等功能，如圖2所示。適配器可以根據應用場景的不同，將適配器同測試設備與導彈之間設計成無電纜的剛性連接，更加符合簡約化設計需要。

圖2 接口適配器設計接示意圖

3 簡約化小型導彈測試設備物理連接架構

硬件模塊之間的物理級聯如圖3所示，簡約化小型導彈測試設備的特點是不依賴機箱做測試模塊間的數據交換，所以沒有單獨背板設計，嵌入式控制器模塊、數據交換路由模塊和功能模塊之間的控制通信是通過模塊間連接器的互聯來實現。

圖3 控制器模塊與功能模塊通信端口信號連接示意圖

數據交換路由模塊與嵌入式控制器和功能模塊互聯來實現嵌入式控制器與功能模塊之間的數據路由通信，嵌入式控制器與數據交換路由模塊通過一路RapidIO實現互通，而數據交換路由模塊與功能模塊互聯的連接器上會有8組RapidIO通信端口信號，最大可對接8個功能模塊來實現對8個模塊的數據通信。

為了實現不同功能模塊與數據交換路由模塊間的隨意對接，且模塊間使用的數據交換路由模塊通信端口不沖突，在功能模塊連接器信號定義設計上，如圖4、圖5所示，將模塊PCB板兩面的連接器公母頭通信端口按公端口8接母端口7，公端口7接母端口6以此至公端口1接母端口8的對接方式互聯，而所有功能模塊都取公頭端口1的信號為通信端口，以此來實現控制器8個端口與8個模塊的單一互通。

圖4 單功能模塊連接器公母頭信號連接示意圖

圖5 連接器公母頭示意圖

采用無機箱的模塊直接疊加的物理連接方式，特點是不受機箱的物理限制，可根據被測需求任意疊加模塊，體積小巧簡約，便于組裝集成。

如圖6所示，每個模塊包括前端接插件和后端連接器，前端接插件主要用來與設備外部信號進行接口交互，后端連接器主要用來實現設備內部模塊之間的信號需求和信號數據傳遞。

圖6 模塊集成連接示意圖

后端連接器，通過一側公、一側母的板對板接插件實現模塊與模塊之間的物理和信號互聯。

每個模塊包括前端接插件和后端連接器，前端接插件主要用來與設備外部信號進行接口交互，后端連接器主要用來實現設備內部模塊之間的信號需求和信號數據傳遞。后端連接器，通過一側公，一側母的板對板接插件實現模塊與模塊之間的物理和信號互聯。

4 對比試驗

為測試簡約化小型導彈測試設備設計指標，將其同PXI測試設備以相同測試流程為基礎，進行對比驗證測試，以某型導彈模擬器作為被測對象，兩種測試設備選擇同樣的軟件環境，操作系統為WINDOWS 7，測試軟件選用航天測控VITE3.0。在測試過程中使用相同供電電源，選用基于各自總線的模擬量采集模塊、總線模塊、數字IO模塊。測試驗證的同時對兩種測試設備功率進行監測。模擬器檢查項目測試流程以及測試資源需求統計見表1。

根據某型導彈模擬器測試資源需求，針對簡約化小型導彈測試設備以及PXI測試設備的相關模塊選型如表2所示。

表2 測試設備模塊選型

兩種測試設備外觀及體積對比如圖7，PXI測試設備體積為171 mm*271 mm*396 mm,重量為14.7 kg，簡約化小型導彈測試設備體積為64.8 mm*76.2 mm*50.8 mm,重量為1.3 kg，體積僅為原PXI測試設備的2%，重量僅為原PXI測試設備8.8%，兩種測試設備基礎參數對比如表3。測試結果顯示，兩種測試設備均能完成對某型導彈模擬器的正常測試，測試結果如表4。測試過程中簡約化小型導彈測試設備平均功率為43 W，PXIE測試設備平均功率為118 W，可以看出僅作數字測試時，簡約化小型導彈測試設備的平均測試功率僅為普通PXI測試設備的三分之一左右。

表3 兩種測試設備基礎參數對比

表4 兩種測試設備測試結果

圖7 兩種測試設備對比圖

5 結束語

由上述設計指標及對比測試可見，簡約化小型導彈測試設備具有體積小、功率小、重量輕、可重構性及環境適應性強等特點，可以滿足不同導彈長期加電健康監測、日常維修維護測試、戰時隨裝、裝備狹小空間測試，單兵便攜保障等各種應用場景，可以簡化作戰部隊的導彈測試，目前已經在預先研究以及實驗室中滿足了部分導彈的實際測試需求，在后續的實際應用中可以提高導彈部隊的日常維護保養以及戰時精準保障效率。