基于DeltaOS的發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)＊

楊 娜，鄒 勇，康雋睿

（中國兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065）

0 引言

傳統(tǒng)武器系統(tǒng)的發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計基本上都是采用PC104作為硬件開發(fā)平臺，軟件基于DOS進行開發(fā)。隨著武器系統(tǒng)的發(fā)展，對發(fā)控系統(tǒng)的可靠性和實時響應(yīng)能力的要求也越來越高，而傳統(tǒng)的設(shè)計方式無法滿足新的多任務(wù)的要求，同時也為了方便軟件的調(diào)試、升級，采用多任務(wù)的嵌入式實時操作系統(tǒng)進行發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)計成為推進武器系統(tǒng)發(fā)展的一個重要手段。采用PC104作為硬件開發(fā)平臺時，為了滿足發(fā)控系統(tǒng)的性能需要，需要將各種板子堆棧起來，這樣導(dǎo)致體積大、功耗大。而采用PowerPC作為硬件開發(fā)平臺時，可以輕松的將滿足功能要求的芯片都集成在一塊板子上，節(jié)省了箱體的體積，降低了功耗。與DOS相比，DeltaOS具有多任務(wù)處理能力，可降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，保證系統(tǒng)的實時性、可維護性及系統(tǒng)間的可移植性。

以PowerPC微處理器為基礎(chǔ)，結(jié)合嵌入式實時操作系統(tǒng)DeltaOS，研制了基于MPC8280微處理器的發(fā)控系統(tǒng)。介紹了該發(fā)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方案及調(diào)試工具。

1 PowerPC處理器

PowerPC嵌入式微處理器是一種高性能、低功耗的RISC（精簡指令集）芯片。20世紀90年代，由IBM、Apple和Motorola公司成功開發(fā)了PowerPC芯片，并制造出基于PowerPC的多處理器計算機。PowerPC處理器有非常強的嵌入式功能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。PowerPC架構(gòu)可伸縮性好、方便靈活［1］。

在發(fā)控系統(tǒng)中采用的PowerPC處理器是由FREESCALE公司開發(fā)的MPC8280，MPC8280是一款16／32位RISC結(jié)構(gòu)的低成本高性能微處理器，這款產(chǎn)品采用FREESCALE公司的內(nèi)核，支持嵌入式片內(nèi)斷點仿真調(diào)試。

2 DeltaOS軟件平臺

DeltaOS是目前我國依靠自己的技術(shù)和力量自主開發(fā)的最成熟的嵌入式實時操作系統(tǒng)，以良好的可持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶開發(fā)環(huán)境，在嵌入式實時操作系統(tǒng)領(lǐng)域占一席之地。DeltaOS主要包括：具有高可靠性和實時性的內(nèi)核DeltaCORE，嵌入式TCP／IP DeltaNET，嵌入式文件系統(tǒng)DeltaFILE以及嵌入式圖形接口DeltaGUI。DeltaOS可以嵌入到32位CPU為核心的各種電子設(shè)備中。作為應(yīng)用程序運行的支撐環(huán)境，DeltaOS所提供的各種機制可以使電子設(shè)備中的應(yīng)用程序在多任務(wù)環(huán)境下運行，同時滿足開發(fā)人員在開發(fā)電子設(shè)備時的基本需求，比如：實時響應(yīng)外部事件、存儲管理以及聯(lián)網(wǎng)需求等。DeltaOS已成功地應(yīng)用于消費電子產(chǎn)品、通信產(chǎn)品、工業(yè)控制及軍用電子產(chǎn)品中。

3 發(fā)控系統(tǒng)總體設(shè)計

發(fā)控系統(tǒng)是武器系統(tǒng)中必不可缺的一部分，其工作環(huán)境是一個與地面各控制系統(tǒng)、彈載計算機系統(tǒng)進行信息交互、通信，并且受到時間約束的環(huán)境。發(fā)控系統(tǒng)是用來完成導(dǎo)彈發(fā)射前準備、發(fā)射導(dǎo)彈、操縱控制導(dǎo)引頭指向目標、控制導(dǎo)彈按導(dǎo)引律飛行的成套裝置［2］，由發(fā)控電子箱（含操控單元和解算單元）、顯示控制箱（顯控單元）、點火選彈箱、左手柄、右手柄、射手控制盒、射手顯示器和配套電纜組成。

發(fā)控系統(tǒng)采用嵌入式實時操作系統(tǒng)DeltaOS，調(diào)試開發(fā)工作在開發(fā)環(huán)境LambdaPRO中進行。

3.1 發(fā)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

發(fā)控系統(tǒng)包含三塊PowerPC板，操控板、解算板、顯控板，三塊板子均選用內(nèi)核電壓僅為1.5V，IO電壓3.3V的低功耗 MPC8280處理器，工作頻率450MHz，并集成了一個通信處理模塊（CPM），CPM分擔了嵌入式PowerPC核的外圍工作任務(wù)，這種雙處理器體系結(jié)構(gòu)功耗要低于傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)處理器，效率也得到了提高。PowerPC板還集成了控制電路、輸入輸出接口和存儲器等嵌入式硬件，搭建了一個基于PowerPC處理器的高性能硬件平臺。

操控板具有如下功能：

1）具有上電自動復(fù)位功能、掉電保護功能、復(fù)位自檢功能，并輸出自檢結(jié)果信號；

2）三路CAN接口，一路接入彈上CAN網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與彈載計算機的信息交互；一路接入地面CAN網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與地面相關(guān)子系統(tǒng)（包括綜合管理器、定位定向、指揮終端、伺服、周觀、駕駛員終端、圖像跟蹤器、端機和智能配電箱）的信息交互；一路接入發(fā)控系統(tǒng)的顯控單元和解算單元，實現(xiàn)與顯控單元和解算單元的信息交互；

3）三路RS422，用來實現(xiàn)與兩個射手控制盒、點火選彈箱的信息交互；

4）24路I／O，用來查詢8個有無彈信號、8個開蓋信號以及8個切線信號。

解算板具有如下功能：

1）具有上電自動復(fù)位功能、掉電保護功能、復(fù)位自檢功能，并輸出自檢結(jié)果信號；

2）一路CAN接口，用來實現(xiàn)與發(fā)控系統(tǒng)的操控單元進行信息交互。

顯控板具有如下功能：

1）具有上電自動復(fù)位功能、掉電保護功能、復(fù)位自檢功能，并輸出自檢結(jié)果信號；

2）一路CAN接口，用來實現(xiàn)與發(fā)控系統(tǒng)的操控單元進行信息交互；

3）一路RS422，用來實現(xiàn)顯示器的4個不同頁面（綜合顯示頁面、觀瞄頁面、態(tài)勢頁面以及導(dǎo)引頭頁面）的切換。

操控板系統(tǒng)框圖如圖1所示，解算板系統(tǒng)框圖如圖2所示，顯控板系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖1 操控板系統(tǒng)框圖

圖2 解算板系統(tǒng)框圖

3.2 發(fā)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

發(fā)控軟件根據(jù)嵌入式軟件的設(shè)計思想把發(fā)控軟件分為BSP（硬件驅(qū)動程序）和應(yīng)用程序兩部分。

1）BSP（硬件驅(qū)動程序）。其目標是在組成發(fā)控系統(tǒng)的硬件與在發(fā)控系統(tǒng)中運行的應(yīng)用程序之間提供一個固定的接口。該接口可用來在未知系統(tǒng)硬件和運行狀態(tài)的情況下對應(yīng)用軟件進行開發(fā)。大多數(shù)硬件可以在對應(yīng)用軟件無任何影響的情況下變更，BSP的存在保證了系統(tǒng)應(yīng)用軟件的高效運行。BSP包括對應(yīng)用軟件的控制、調(diào)度和對I／O過程的局部參與的控制。通過BSP，應(yīng)用軟件在邏輯上與硬件隔離。

圖3 顯控板系統(tǒng)框圖

發(fā)控軟件中的BSP包括串口驅(qū)動、CAN口驅(qū)動、I／O 驅(qū)動、顯卡 驅(qū)動、定時器驅(qū)動。

圖4 應(yīng)用程序調(diào)用硬件驅(qū)動程序

在嵌入式系統(tǒng)中調(diào)用BSP通常有三種方式：應(yīng)用程序直接調(diào)用、應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用以及應(yīng)用程序通過操作系統(tǒng)的擴展模塊進行調(diào)用。發(fā)控系統(tǒng)軟件中采用了這三種調(diào)用方式，圖4所示為應(yīng)用程序調(diào)用硬件驅(qū)動程序。

圖5 軟件設(shè)計流程圖

2）應(yīng)用程序。主要目標是通過調(diào)用底層軟件完成發(fā)控系統(tǒng)相應(yīng)的功能。應(yīng)用程序與硬件在邏輯上是隔離的，因此當整個軟件完成以后，如果硬件設(shè)計方面不理想而需要改動時，只需改動BSP即可，由此極大地方便了軟件的維護性以及系統(tǒng)的升級。在保證系統(tǒng)實時性和可靠性的前提下，采用多任務(wù)調(diào)度及時間片輪轉(zhuǎn)的方法，多任務(wù)劃分的原則有：I／O依賴性原則、時間關(guān)鍵性的功能原則、大計算量的功能原則、功能內(nèi)聚原則、時間內(nèi)聚原則、周期執(zhí)行的功能原則。根據(jù)多任務(wù)劃分的原則，發(fā)控系統(tǒng)操控單元的任務(wù)劃分為：CAN任務(wù)、串口任務(wù)、I／O 任務(wù)；解算單元的任務(wù)劃分為：CAN任務(wù)、解算任務(wù)；顯控單元的任務(wù)劃分為：CAN任務(wù)、串口任務(wù)、GUI任務(wù)。軟件設(shè)計流程圖如圖5所示。對于操控單元、解算單元和顯控單元的流程圖只需要依次替換圖5中的任務(wù)即可。

圖6 系統(tǒng)的集成調(diào)試過程

4 系統(tǒng)的集成測試與調(diào)試

采用Abatron公司的BDI3000進行在線調(diào)試應(yīng)用程序，可進行單步調(diào)試、全速運行、斷點設(shè)置、觀察點和跟蹤點設(shè)置、寄存器、內(nèi)存和堆棧察看、命令行接口等，使開發(fā)者可以迅速方便的實現(xiàn)軟件的調(diào)試。

發(fā)控系統(tǒng)軟件在LambdaPRO中使用C語言開發(fā)，進行調(diào)試的步驟如圖6所示。

5 小結(jié)

發(fā)控系統(tǒng)通過采用嵌入式實時操作系統(tǒng)DeltaOS實現(xiàn)和管理系統(tǒng)，構(gòu)建了一個基于MPC8280處理器的高性能計算、管理平臺，以滿足系統(tǒng)的高速響應(yīng)和實時特性。通過對處理單元進行軟件編程就可滿足各種系統(tǒng)功能，具有很強的擴展能力和通用性，同時也有較好的可靠性和抗干擾能力，為將來實現(xiàn)復(fù)雜的控制提供了高性能的計算和管理平臺。經(jīng)測試、電氣聯(lián)試、仿真以及外場試驗表明，系統(tǒng)在復(fù)雜惡劣環(huán)境下，具有較高的實時性和可靠性，完全滿足設(shè)計技術(shù)要求。

［1］張京.嵌入式軟件開發(fā)［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2008.

［2］趙育善，吳斌.導(dǎo)彈引論［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，2006.

［3］羅蕾.嵌入式實時操作系統(tǒng)及應(yīng)用開發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［4］李朋銅.嵌入式設(shè)計及通信設(shè)備開發(fā)詳解——基于MPC82XX處理器［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

［5］DeltaGUI3.0編程手冊［Z］.北京科銀京成技術(shù)有限公司，2006.