基于PC104總線的導彈陣地檢測系統(tǒng)研究＊

閆淑群，母勇民，羅宇輝，黎玉剛，袁國鋼

（中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065）

0 引言

導彈陣地測試是通過箱裝導彈的對外接口對導彈加電、模擬導彈的發(fā)射過程，記錄導彈模擬發(fā)射中的相關信號并進行分析，判斷導彈現(xiàn)場狀態(tài)是否正常。導彈陣地測試是確保導彈正常使用的重要手段，作為導彈飛行過程中的重要環(huán)節(jié)，導彈陣地測試非常重要。針對導彈項目，根據(jù)導彈保障裝備需求，基于PC104總線嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并利用Microsoft Windows CE為系統(tǒng)平臺，Embedded Visual C＋＋為開發(fā)工具［1－2］，設計了導彈陣地檢測系統(tǒng)，該測試儀能夠?qū)椂嗦范喾N信號并發(fā)采集，滿足實時性要求，并保證了導彈測試時的安全。

1 測試系統(tǒng)的基本原理

導彈陣地測試的目的是檢查導彈在經(jīng)過長途運輸或長期存貯后，其制導控制系統(tǒng)部件的工作狀態(tài)，幫助判斷導彈是否可以繼續(xù)使用。導彈陣地檢測系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。導彈陣地檢測系統(tǒng)使用外部直流電源進行工作，該電源輸出電壓（＋26±4）V，額定功率大于等于500W。導彈陣地檢測系統(tǒng)通過光電混裝電纜和CAN總線（1）接收彈上計算機的數(shù)據(jù)信號，CAN總線（2）和地面光纖組件通訊。RS422串行接口（1）接收彈載計算機發(fā)給遙測裝置的測試信息，RS422串行接口（2）接收彈載計算機通過光纖發(fā)給地面光纖組件的測試信息。綜合接口板用于部分信號的生成、調(diào)理和轉(zhuǎn)接。接口轉(zhuǎn)換電路主要由繼電器組以及相應的驅(qū)動芯片組成。在自檢過程中，接收主控系統(tǒng)的指令，接口轉(zhuǎn)換電路輸出26V，則驅(qū)動控制繼電器吸合，給導彈上電，否則繼電器斷開，控制被測對象斷電。接口轉(zhuǎn)換電路并完成各通訊端口的交聯(lián)和切換。同步信號生成電路將生成的方波信號通過轉(zhuǎn)換為差分形式提供給地面光纖組件。模擬信號調(diào)理電路將超過A／D板采集的信號調(diào)理到采集范圍以內(nèi)。

2 系統(tǒng)硬件總體設計

圖1 導彈陣地檢測系統(tǒng)原理框圖

PC104總線是一種專門為嵌入式控制而定義的工業(yè)控制總線，具有低成本、高可靠性、系統(tǒng)組建方便等優(yōu)點?；赑C104總線的硬件模塊具有超小尺寸、超低功耗、寬溫特性、功能強大、擴展方便等諸多優(yōu)點，因此以PC104技術為基礎的軍用測試設備具有便攜方便、適應戰(zhàn)場的特點，在軍用測試領域得到廣泛應用。

導彈陣地檢測系統(tǒng)由主控單元、綜合接口板、人機接口、地面光纖組件、機箱及附件組成，如圖2所示。導彈陣地檢測系統(tǒng)的測試對象為導彈，導彈被測信號主要為模擬量信號、同步信號、串口數(shù)據(jù)信號、CAN數(shù)據(jù)信號。

圖2 導彈陣地檢測系統(tǒng)硬件組成

考慮到系統(tǒng)的工作溫度要求及可靠性、穩(wěn)定性方面的性能等其它因素，控制通訊系統(tǒng)采用PC104總線，選用以下PC104總線模塊：

1）LX 3072-X高性能CPU模塊，為測試系統(tǒng)主控計算機，采用AMD GeodeLX 800CPU與PC／AT標準完全兼容。一個TYPEⅡ型CF卡插槽。

2）ADT700A高性能數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，可采集單端16路／差分8路輸入模擬量、精度12位，200kHz最大采樣率，四路D／A，1024個數(shù)據(jù)深度的FIFO，帶24路DI／O。

3）MSP -4S為4串口I／O采集卡，4個16C550兼容16byteFIFO串口；RS232、RS422、RS485可選；波特率最高可達921.6Kbit／s。

4）A3-CSD提供2個光電隔離的非智能CAN接口，1個8255兼容I／O口。在系統(tǒng)中它用于CAN Bus信號測試。

圖3 信號調(diào)理電路

主控系統(tǒng)主要包括CPU模塊和所有功能模塊，CPU模塊調(diào)度上述各功能模塊運行，完成導彈被測信號的采集、接收及分析。綜合接口板用于部分信號的生成、調(diào)理和轉(zhuǎn)接。綜合接口板包括以下組成部分：同步信號生成電路、模擬信號調(diào)理電路和接口轉(zhuǎn)換電路。同步信號生成電路主要由簡易單片機系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)上電后，由89C51單片機生成50Hz、占空比為5%的方波信號。再通過MAX488芯片將該信號轉(zhuǎn)換為差分形式，提供給地面光纖組件。模擬信號調(diào)理電路主要由放大器芯片LM124組成，信號采集電路采用差分放大電路，將信號的共模干擾減少到最低，同時該電路具有極高的輸入阻抗，如圖3所示。完成對模擬信號的調(diào)理，將超過A／D板采集范圍的電壓信號26V調(diào)理到采集范圍內(nèi)；同時，對模擬信號進行隔離，確保測試板卡不對被測對象產(chǎn)生影響。輸入電壓和輸出電壓關系表示為：

接口轉(zhuǎn)換電路主要由繼電器組以及相應的驅(qū)動芯片組成。在自檢過程中，接收主控系統(tǒng)的I／O指令，完成各通訊端口的交聯(lián)和切換。同時控制被測對象的上電和斷電。總線信號及RS422采集模塊已內(nèi)置了專用隔離電路，采集的模擬信號通過隔離電路進行隔離處理，測試系統(tǒng)和被測對象間避免了相互干擾。

3 系統(tǒng)軟件總體設計

導彈陣地檢測系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動和應用程序三部分構(gòu)成，具體架構(gòu)及組成如圖4所示。

圖4 導彈陣地檢測系統(tǒng)軟件架構(gòu)

3.1 操作系統(tǒng)

考慮到系統(tǒng)的實時性要求以及開發(fā)的難度，導彈陣地檢測系統(tǒng)的操作系統(tǒng)選用了Windows CE 5.0。Windows CE擁有多線程、多任務、實時、完全搶先式優(yōu)先級的操作系統(tǒng)環(huán)境，專門面向有限資源的硬件系統(tǒng)。Windows CE是一個實時操作系統(tǒng)，可以滿足應用程序所需要的實時性要求，其實時性支持嵌套的中斷，這可以讓高優(yōu)先級的中斷立即被響應，而不需要等待低優(yōu)先級的中斷服務例程［3］。Windows CE面向只有有限資源的硬件系統(tǒng)，它不需要標準硬件，它提供了一個操作系統(tǒng)所能提供的最大柔性，并具有緊湊高效可伸縮的特性［4］。

3.2 應用程序

導彈陣地檢測系統(tǒng)應用程序采用面向?qū)ο蟮腤inCE程序可視化開發(fā)工具EVC進行開發(fā)，擁有簡潔、友好的主界面，如圖5所示。導彈陣地檢測系統(tǒng)的功能包括自檢（供電電源檢測，RS422通訊自檢，CAN總線通訊自檢）、檢測導彈存在信號、導彈上電（分別控制3路電源按時序上電，保證導彈各部件正常工作）、設置導彈測試狀態(tài)、與導彈通訊（通過CAN總線和RS422串口對導彈發(fā)送各類信息、指令等數(shù)據(jù)，并接收各類數(shù)據(jù)）、判斷導彈現(xiàn)場狀態(tài)（按照流程對導彈返回的所有信息和響應時間進行判斷）、數(shù)據(jù)保存、顯示功能。導彈陣地檢測系統(tǒng)主程序流程如圖6所示。

導彈陣地檢測系統(tǒng)的基本配置項包括主控類、系統(tǒng)類、人機界面類、模擬量類、CAN類、串口類、監(jiān)控類、數(shù)據(jù)處理類、計量類等8個模塊。

3.3 多線程程序設計

導彈陣地檢測系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)是一個多任務系統(tǒng)，且對實時性要求很高。多線程技術應用于軟件系統(tǒng)可以滿足測試的實時性要求，提高測試的效率。軟件設計時，利用WinCE操作系統(tǒng)多線程的特點將不同的任務分布到各個線程中，使各個任務同步而協(xié)調(diào)的進行。主線程為用戶界面接口線程，主要負責人機交互和對輔助線程的調(diào)度。分別創(chuàng)建3個輔助線程分別實現(xiàn)后臺3個數(shù)據(jù)采集任務，包括在進行導彈檢測時導彈陣地檢測系統(tǒng)需要對查詢有無彈和導彈上電的模擬量采集；在進行系統(tǒng)計量時需要對各路模擬量采集；在進行自檢時需要對三路電源和同步信號采集。

為了滿足系統(tǒng)的實時性要求及提高整個系統(tǒng)的運行效率，考慮到動作時間必須在毫秒以內(nèi)完成動作，而且時間精度要求很高，操作系統(tǒng)的多媒體時鐘精度不夠高，不能滿足要求。軟件設計在設計過程中采用多線程技術并配合采集板卡上的硬件時鐘，實現(xiàn)毫秒時間內(nèi)的精確數(shù)據(jù)采集、計算和存儲，解決了多路多種信號并行數(shù)據(jù)采集、存儲、實時顯示的問題。

圖6 導彈陣地檢測系統(tǒng)主程序流程

針對系統(tǒng)的實時性，采用中斷方式進行突發(fā)事件的管理，以提高系統(tǒng)性能。通過試驗驗證，按導彈陣地檢測系統(tǒng)設計工作負荷使所搭建的硬件系統(tǒng)平臺滿負荷運行，對系統(tǒng)實時性要求最高的加載時標功能，其絕對時間誤差不超過毫秒級，已能夠滿足系統(tǒng)設計的要求。

4 結(jié)束語

基于PC104總線技術和Embedded Visual C＋＋開發(fā)平臺研制的導彈陣地檢測系統(tǒng)，利用了這兩項技術的優(yōu)點，提高了導彈測試的準確性、可靠性、穩(wěn)定性和快捷性。系統(tǒng)模塊化、通用化的設計思想，使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和可擴展性。系統(tǒng)采用的多線程技術和線程同步等關鍵技術提高了系統(tǒng)的運行效率，滿足系統(tǒng)的實時性要求。導彈陣地檢測系統(tǒng)為導彈的陣地檢測發(fā)揮了重要作用，對導彈的作戰(zhàn)效能提供了有力支持。

［1］葉宏材.WindowsCE.NET嵌入式工業(yè)用控制器及自動控制系統(tǒng)設計［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［2］劉劍鋒，牟麗君，楊利斌，等.某型導彈發(fā)控信號檢測系統(tǒng)的設計［J］.計算機測量與控制，2007，15（8）：1036－1041.

［3］汪兵.EVC高級編程及其應用開發(fā)［M］.北京：中國水利水電出版社，2005.

［4］田東風.WindowsCE應用程序設計［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2005.