基于嵌入式技術的通用模擬訓練系統研究及應用

胡鍇冰,高 遠,劉冬雪

(海裝駐北京地區第二軍事代表室,北京 100039)

0 引言

飛行器發射前需進行系統聯調、匹配試驗、對接測試、接口測試、性能測試等調試、驗證環節,為避免測試時對飛行器造成損害、對其壽命造成不良影響,在測試系統中使用飛行器模擬系統代替飛行器,模擬飛行器對地面發控系統的輸入、輸出、通信等電氣接口,在飛行器發射前完成對發射控制系統的軟硬件接口檢測、功能驗證、人員訓練等。隨著飛行器的發展和技術更迭,在原有系列產品基礎上衍生出多種類型的飛行器產品,針對不同系列的型號產品,需要各自配備能滿足測試、訓練要求的飛行器模擬裝置,模擬裝置通用性低、重復性投入多、研制周期長的問題日益凸顯。

隨著電子技術、網絡技術與計算機技術的快速發展,嵌入式技術以其自身的強時效性、低功耗、高專用性等優勢成為現代科技發展中的一個關鍵技術,目前已廣泛應用于軍用領域、工業領域和通信領域[1]。基于嵌入式技術的通用飛行器模擬系統設計方法,模擬飛行器電氣電路、通信及工作狀態,可適配多種類型的飛行器。由于嵌入式系統可編程的特點[2],使模擬系統具有更好的靈活性、可擴展性和通用性。

1 通用模擬訓練系統概述

通用模擬訓練系統采用DSP +CPLD 嵌入式架構,充分利用DSP 和CPLD 豐富的IO 資源和編程資源,為模擬系統的通用性提供資源保證。模擬訓練系統的硬件平臺資源可覆蓋當前各型飛行器模擬系統功能需求,輸入、輸出信號通道設計均有余量。針對不同測試需求,僅需根據實際情況調整軟件中輸入、輸出信號通道數,選擇通信接口類型,即可滿足測試所需的資源。

模擬訓練系統硬件主要由信號調理模塊、計算機控制模塊和通信模塊組成,實現輸入控制信號檢測、模擬狀態信號輸出、模擬彈地通信等飛行器模擬功能[2]。通用模擬訓練系統設計框圖如圖1所示。

圖1 通用模擬訓練系統設計框圖Fig.1 Block diagram of general simulation training system

計算機控制模塊通過自動讀取飛行器類型信息,完成控制信息采集、狀態信號輸出功能以及數據存儲功能。信號調理模塊實現輸入信號的隔離和輸出信號的變換。通信模塊實現多種類、多通道通訊接口,以便滿足不同型號飛行器產品模擬的需求,與計算機控制模塊之間通過SPI 總線進行信息交互,通信模塊功能相對獨立,通過更換具有不同通信接口的模塊即可與更多的飛行器類型相適配,具有良好的可擴展性。

根據模擬訓練系統選用的硬件平臺,可實現的電氣功能指標總結如表1 所示。

表1 電氣功能指標Tab.1 Electrical function index

2 系統硬件設計

2.1 計算機控制模塊設計

計算機控制模塊以DSP 為控制核心,DSP 芯片及其外圍電路組成CPU 控制單元,根據類型設置信息確定輸出電壓的通道數量和輸入信號檢測通道數量,完成信息處理、程序及數據存儲等功能。DSP通過總線連接CPLD 擴展IO,CPLD 解析DSP 的指令后相應的GPIO 動作實現輸入IO 檢測和輸出IO控制。DSP 和CPLD 的調試JTAG 接口引出到模擬訓練系統的對外連接器上,方便實時調試和程序升級。DSP 外擴SRAM 和FLASH,進行程序存儲和數據存儲。計算機控制模塊通過串行外設接口SPI 控制與通信模塊之間的數據交互。按照類型設置信息,模擬對應型號飛行器的自檢通信、飛行器測試等通信功能的模擬。計算機控制模塊組成如圖2 所示。

圖2 計算機控制模塊組成框圖Fig.2 Block diagram of computer control module

DSP 采用TI 公司的TMS320 系列處理器,該芯片利用改進的哈佛總線結構與多流水線技術,內部集成硬件乘法器可大大提高系統的浮點或定點的數據運算能力[3]。器件內部集成了存儲資源、可編程I/O、定時器和SPI 等通信接口,其強大的功能和豐富的資源確保模擬訓練系統的實現。

CPLD 選用Xilinx 公司的XC2C512-10FG324I,具有512 宏單元,低功耗、快速特性的可編程系統,四塊獨立的IO BANK 提供270 個可用IO,滿足多路信號控制和檢測的需求。

2.2 信號調理模塊設計

信號調理模塊作為執行模塊,將輸入的轉電控制、激活通路檢查等控制信號送光耦隔離,輸出至CPLD 的IO 端口供DSP 檢測查詢。針對不同的輸入信號采用積分電路和鎖存器提升輸入信號平滑性,剔除瞬態抖動干擾。DSP 軟件根據通訊協議輸出控制信號驅動繼電器動作,繼電器觸點的閉合或斷開模擬飛行器通斷量電氣信號,繼電器觸點切換輸出電壓模擬飛行器的開關量電氣信號[4]。信號調理模塊組成如圖3 所示。

圖3 信號調理模塊組成框圖Fig.3 Block diagram of signal conditioning module

2.3 通信模塊設計

通信模塊由DSP 單元、FPGA 單元及隔離驅動電路組成,如圖4 所示。其中DSP 單元包含SPI 協議控制器,用于解析來自計算機控制模塊的指令和通信接口的控制操作[5],如1553B 通道的RT 地址使能、RS-422 接口波特率和字格式的設置、CAN 通信接口波特率設置等,為與外部接口速率相匹配且留有余量,SPI 接口波特率配置為5 Mbps;DSP 內部的CAN 通信模塊與外部的驅動電路共同實現CAN通訊接口。FPGA 單元實現RS422 和1553B 通訊協議,配合外圍隔離電路[6],完成通信協議的轉換。通信模塊中每路通訊可以獨立工作,互不干涉,根據識別的飛行器類型,系統軟件使能一種通訊接口完成飛行器模擬功能。

圖4 通信模塊組成框圖Fig.4 Block diagram of communication module

為滿足多種系列飛行器模擬功能測試需求,通信模塊硬件實現2 路異步422、2 路雙冗余1553B 總線通信和2 路CAN 通信。異步422 通信接收端采用光耦隔離,接口為典型的RS -422 四線接口。每一路1553B 總線均提供兩個數據總線接口(MuxA和MuxB),進行雙余度通信鏈接[7];電路接口使用隔離變壓器進行隔離。CAN 總線驅動電路提供差動的發送、接收功能,配合總線保護電路實現CAN通訊接口[8]。

通信模塊與外部互聯的SPI 接口物理上只需選通信號SPI_CS、時鐘信號SPI_CLK、輸入信號SPI_DI 和輸出信號SPI_DO 四根線,接口設計簡單,便于擴展,只需更換其他不同種類的通信接口模塊即可滿足相匹配的飛行器模擬和訓練需求。

3 系統主要軟件

模擬訓練系統軟件包含計算機控制模塊的DSP軟件和CPLD 軟件、通信模塊的DSP 軟件和FPGA軟件。計算機控制模塊的CPLD 軟件和通信模塊的FPGA 軟件均作為各自模塊的協處理器軟件,執行DSP 軟件的指令。CPLD 軟件完成離散GPIO 信號輸入狀態讀取和輸出設置功能,為防止對關鍵輸入信號的誤判斷,除在硬件上設置濾波電路外,軟件中包含了去抖功能,檢測到輸入信號變為有效電平后每隔200 μs 讀取一次信號狀態,連續8 次均為有效電平則判定檢測到的是有效的輸入信號,否則判定為無效信號。軟硬件結合剔除信號毛刺的方式,有效提高了系統的抗干擾能力。FPGA 軟件集成RS422 和1553B 通信協議IP 核,實現SPI 與RS422或1553B 通信協議的轉換。

模擬訓練系統的主要工作流程由計算機控制模塊的DSP 軟件和通信模塊的DSP 軟件完成,軟件開發環境為CCS,它是TI 公司推出的專用于DSP開發的集成性開發工具。

計算機控制模塊的DSP 軟件為本系統的主控軟件,包含上電自檢、類型識別、通信類型選擇、參數傳輸等功能。主控DSP 軟件的流程圖如圖5 所示。

圖5 DSP 軟件流程圖Fig.5 Flowchart of DSP software

通信模塊內部的DSP 軟件內部包含SPI 控制模塊、通信協議控制模塊、數據存儲模塊,主要用于各類通信接口的配置。通信模塊內部的DSP 軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 通信模塊DSP 軟件流程圖Fig.6 DSP software flowchart of communication module

4 結束語

電子技術不斷發展和高科技環境下的軍事需求促使飛行器性能不斷提升,型號的更新換代促使模擬訓練系統隨之適配升級。根據不同飛行器發控系統的測試功能需求,設計一種具有通用性的飛行器模擬訓練系統,具有良好的可擴展性和靈活性,可大大降低飛行器訓練和模擬的硬件成本、人力成本和時間成本,解決了配套模擬訓練系統種類繁多、研制周期長、研制成本高等問題,目前已成功應用于多個型號的飛行器模擬訓練中,功能和性能均達到了使用要求,對其他類似功能設備的研制也具備一定的參考意義。