艦艇平臺基礎(chǔ)軟硬件標準化總體技術(shù)

顧亞軍，曹寧生

(中國艦船研究院，北京 100192)

艦艇平臺基礎(chǔ)軟硬件標準化總體技術(shù)

顧亞軍，曹寧生

(中國艦船研究院，北京 100192)

對艦艇平臺基礎(chǔ)軟硬件進行標準化設(shè)計可減少備品備件的種類和數(shù)量，降低成本，并有效提升裝備的生命力。本文從建立統(tǒng)一的標準體系、確保模塊互換的硬件設(shè)計技術(shù)、基于中間件的軟件設(shè)計技術(shù)、人性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)和統(tǒng)一的測試環(huán)境設(shè)計技術(shù)等方面對實施基礎(chǔ)軟硬件標準化的總體技術(shù)進行了深入研究。

艦艇平臺;軟硬件;標準化

0 引言

根據(jù)艦艇平臺的基本構(gòu)成和作戰(zhàn)使用需要，艦艇平臺一般具有推進監(jiān)控、電力監(jiān)控、損管監(jiān)控等功能。艦艇平臺是艦艇構(gòu)成與使用的基礎(chǔ)，它為作戰(zhàn)系統(tǒng)提供存在環(huán)境和使用條件，為全艦直接或間接地提供作戰(zhàn)能力，并直接提供生存能力和保障能力。

艦艇平臺基礎(chǔ)硬件主要包括電氣、機械及其他有關(guān)器件組成的具有特定的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測控制、網(wǎng)絡(luò)通信、操作指示等功能的智能化信息處理基本單元，能滿足各類艦船自動化要求的智能硬件模塊或設(shè)備。艦艇平臺基礎(chǔ)軟件主要包括能驅(qū)動硬件正常工作的驅(qū)動程序、進行故障診斷的診斷程序以及中間件程序等。硬件和軟件相互依存，硬件為軟件提供物質(zhì)基礎(chǔ)，軟件離開了相應(yīng)硬件的支持，便無法發(fā)揮相應(yīng)作用;同時也只有在軟件的支持下，硬件才能正常工作。高質(zhì)量的基礎(chǔ)軟硬件是艦艇平臺可靠運行的基礎(chǔ)，對基礎(chǔ)軟硬件進行標準化設(shè)計可有效減少備品備件的種類和數(shù)量，降低成本，并提升裝備的生命力。

發(fā)達國家海軍從20世紀90年代初期便開始重視艦艇平臺基礎(chǔ)硬件的標準化，采用軍用標準和民用標準相結(jié)合進行系統(tǒng)設(shè)計，并在系統(tǒng)監(jiān)控臺、數(shù)據(jù)采集處理裝置、傳感器等設(shè)備通用化、系列化、模塊化基礎(chǔ)之上，強化了軟件標準化設(shè)計。德國MTU公司、日本寺崎公司、挪威KONGSBERG公司、加拿大CAE公司等都有相關(guān)的機電系統(tǒng)產(chǎn)品及集成平臺系統(tǒng)，其產(chǎn)品模塊化程度高，形成高、中、低等不同層次產(chǎn)品，并明確分成推進控制、電站監(jiān)控、機艙監(jiān)測等不同系列產(chǎn)品。

把動力、電力及輔助系統(tǒng)監(jiān)控裝置各功能以通用方式分解為一些通用功能模塊，開發(fā)符合需求的標準化功能模塊及統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備接口，開發(fā)軟件構(gòu)件，按系統(tǒng)特點要求，選擇所需的功能模塊，連同它們的接口一起形成全船的動力、電力及輔助系統(tǒng)監(jiān)控裝置。在艦艇的整個壽命周期內(nèi)，要改變和提高該系統(tǒng)的功能，將由變更、增加、減少標準化的模塊或模塊的升級來實現(xiàn)。這便是國際上目前廣泛應(yīng)用的艦艇平臺基礎(chǔ)軟硬件標準化設(shè)計模式。

對艦艇平臺基礎(chǔ)軟硬件進行標準化已越來越受到各國海軍的重視，相關(guān)技術(shù)研究也愈來愈深入，本文重點論述相關(guān)的總體技術(shù)。

總體設(shè)計工作應(yīng)遵循頂層設(shè)計思想，著重加強總體頂層設(shè)計和軟硬件一體化設(shè)計，建立標準體系、約束系統(tǒng)研制，各系列產(chǎn)品采用統(tǒng)一的技術(shù)體制、軟件共用環(huán)境、硬件系列配置和標準規(guī)范。

總體設(shè)計的目標是應(yīng)能滿足不同專業(yè)用戶的需求，用戶可根據(jù)功能和戰(zhàn)術(shù)使命要求進行模塊的選擇和配置;為提高裝備標準化水平，減少備品備件種類，軟硬件同類模塊應(yīng)實現(xiàn)兼容互換;為滿足技術(shù)發(fā)展的需求，軟硬件模塊應(yīng)可獨立升級。

1 從頂層出發(fā)建立統(tǒng)一的標準體系

為了做好有關(guān)研制工作，應(yīng)從系統(tǒng)頂層設(shè)計著手，對各系統(tǒng)間硬件的共性功能需求進行分析，完成系統(tǒng)功能的基本配置要求，剝離個體的差異，并進行歸納提煉，提出相應(yīng)的系列型譜，包括系列化的控制臺和控制單元。不同系列控制臺和控制單元采用統(tǒng)一的技術(shù)體制、軟件共用環(huán)境、硬件系列配置和標準規(guī)范進行設(shè)計。

為規(guī)范并指導(dǎo)項目研制，應(yīng)堅持“標準先行”，首先應(yīng)建立一套完整的包括總體、硬件、軟件、結(jié)構(gòu)、集成與測試、批生產(chǎn)管理規(guī)范管理等方面的標準化體系，并貫穿整個研制、生產(chǎn)、集成和二次開發(fā)全過程。

2 確保模塊互換的硬件設(shè)計技術(shù)

為滿足不同使用環(huán)境需求，適應(yīng)型譜系列要求，應(yīng)進行豐富的功能一致的標準化模塊設(shè)計，用戶能根據(jù)功能需求進行模塊的選擇和配置。

標準化模塊可分為I/O類、現(xiàn)場控制類、網(wǎng)絡(luò)通信類、顯示操作類和綜合類共五大類30余小類模塊，可通過標準化模塊的組合來構(gòu)成不同的控制臺和控制單元。

I/O類模塊的基本功能為模擬信號采集與處理、脈沖信號采集與處理、數(shù)字信號采集與處理、控制信號產(chǎn)生與輸出、雙CAN冗余通信;現(xiàn)場控制類模塊的基本功能為信號采集、信號處理、網(wǎng)絡(luò)通訊、參數(shù)配置;網(wǎng)絡(luò)通信類的基本功能為以太網(wǎng)通信、以太網(wǎng)與CAN網(wǎng)關(guān)、CAN網(wǎng)中繼與隔離;顯示操作類的基本功能為信息收集、信息顯示、狀態(tài)指示、操作控制;綜合類模塊的基本功能為操作控制、傳令和報警。

標準化模塊主要包括現(xiàn)場總線類的開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量OC輸出模塊、開關(guān)量繼電器輸出模塊、熱電阻輸入模塊、熱電偶輸入模塊、電壓電流輸入模塊、電壓電流輸出模塊、脈沖量輸入/輸出模塊等I/O類模塊;CPCI類的開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量OC輸出模塊、開關(guān)量繼電器輸出模塊、熱電阻輸入模塊、熱電偶輸入模塊、電壓電流輸入模塊、電壓電流輸出模塊、脈沖量輸入/輸出模塊等I/O類模塊，以及現(xiàn)場控制模塊、網(wǎng)關(guān)模塊、CAN中繼模塊、現(xiàn)場顯控模塊、主車鐘、應(yīng)急車鐘、功能定義鍵等模塊。

3 基于中間件的軟件設(shè)計技術(shù)

當采用多家配套開發(fā)模式時，各家在具體的硬件芯片及驅(qū)動電路設(shè)計上必定存在差異，為了保證同類模塊的互換性，確保控制臺硬件的獨立升級和應(yīng)用軟件的可移植性和重用性，保證用戶在構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)軟件時，無需關(guān)心硬件驅(qū)動的形式、接口、通信協(xié)議、版本等的變化，應(yīng)采用統(tǒng)一的軟件體系結(jié)構(gòu)、硬件接口、驅(qū)動程序約定/通信協(xié)議約定和軟件配置項接口調(diào)用，應(yīng)在設(shè)備管理、硬件操控、故障診斷等方面開發(fā)相應(yīng)的中間件，從而屏蔽硬件驅(qū)動和操作系統(tǒng)的差異性，確保同類模塊的互換和獨立升級，實現(xiàn)用戶的應(yīng)用程序開發(fā)不依賴硬件驅(qū)動和操作系統(tǒng)［1］。

智能管理器中間件主要負責根據(jù)用戶需求自動完成系統(tǒng)硬件配置、管理及維護，支持同類硬件模塊的互換功能;操控消息中間件主要負責提供統(tǒng)一的接口調(diào)用，屏蔽不同專業(yè)、不同廠商及不同操作系統(tǒng)下統(tǒng)的差異，支持二次用戶快速開發(fā);故障診斷中間件主要負責提供硬件故障信息的搜集，支持板卡級故障類型快速定位。

為了實現(xiàn)同類硬件模塊互相更換時無需更換用戶應(yīng)用程序的目標，還必須對同類硬件模塊對用戶提供的調(diào)用接口進行統(tǒng)一設(shè)計和約定，統(tǒng)一規(guī)定USB接口通信協(xié)議、CAN通信協(xié)議、網(wǎng)關(guān)接口通信協(xié)議等對外通信協(xié)議，確定各個硬件模塊驅(qū)動程序的統(tǒng)一提供形式和調(diào)用接口，確定故障診斷代碼的統(tǒng)一定義，從而為實現(xiàn)同類硬件模塊兼容互換奠定堅實的基礎(chǔ)。

USB接口通信協(xié)議規(guī)定統(tǒng)一采用 USB2.0協(xié)議規(guī)范;在Windows XP操作系統(tǒng)中統(tǒng)一映射為HID設(shè)備(USB人體工程學設(shè)備類)，設(shè)備讀寫控制統(tǒng)一采用操作系統(tǒng)的USB設(shè)備讀寫控制API接口;傳輸速率為HID中速設(shè)備及以上(不小于640 000 bit/s，包長度為64字節(jié)及以上)，其中功能定義鍵傳輸速率為HID低速設(shè)備及以上(不小于80 000 bit/s，包長度8個字節(jié)及以上)。包長度定義以2的n次方遞增，即 8，16，32，64，128，…，等;在 VxWorks 操作系統(tǒng)下的讀寫控制仿WindowsXP操作系統(tǒng)的API接口。

CAN通信協(xié)議規(guī)定通信波特率統(tǒng)一采用250 Kbit/s;幀結(jié)構(gòu)采用11位ID的報文識別碼和8個數(shù)據(jù)字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū);PDO報文分為3種形式:上行數(shù)據(jù)為定時發(fā)送和請求應(yīng)答方式，下行指令為事件觸發(fā)發(fā)送，上行指令回答為接收到下行指令后觸發(fā)發(fā)送;所有硬件模塊輸出模擬量以實際物理值表示，負數(shù)用補碼表示，0x8000表示模擬量無效值，開關(guān)量0表示斷開，1表示閉合;PDO報文發(fā)送方式包括定時觸發(fā)、事件觸發(fā)和請求應(yīng)答方式;請求應(yīng)答方式支持當收到作為發(fā)送請求的遠程幀指令后，節(jié)點向CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相應(yīng)PDO報文，并發(fā)送遠程幀表示發(fā)送結(jié)束。

網(wǎng)關(guān)接口通信協(xié)議規(guī)定當網(wǎng)關(guān)模塊收到CAN報文中設(shè)備節(jié)點號為本模塊節(jié)點號的CAN報文時，根據(jù)網(wǎng)關(guān)模塊參數(shù)設(shè)置報文的要求將該報文轉(zhuǎn)換為以太網(wǎng)報文并發(fā)出(信息單元標識為0011);以太網(wǎng)報文以TCP/UDP協(xié)議為基礎(chǔ)，每個網(wǎng)關(guān)模塊有且僅有1個IP地址，有且僅有1個設(shè)備節(jié)點號;當網(wǎng)關(guān)模塊收到要求轉(zhuǎn)換為CAN報文的以太網(wǎng)報文時(信息單元標識為1100)，將該報文轉(zhuǎn)換為CAN報文并發(fā)出。

VxWorks操作系統(tǒng)下每個硬件模塊需要提供4個文件:驅(qū)動安裝文件、故障診斷模塊安裝文件、驅(qū)動目標碼和故障診斷目標碼。

Windows XPE操作系統(tǒng)下每個硬件模塊需要提供3類文件:驅(qū)動目標碼、故障診斷模塊安裝文件和故障診斷目標碼。驅(qū)動目標碼由驅(qū)動程序、動態(tài)鏈接庫組成，驅(qū)動程序包括*.inf和對應(yīng)的*.sys文件，動態(tài)鏈接庫包括 *.dll，*.lib和*.h文件;故障診斷代碼包括(廠商號+設(shè)備號).bit(配置文件)，*.dll文件。

4 人性化的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)

控制臺結(jié)構(gòu)采用“積木化”形式，主要由顯示單元、操控單元和電子機箱單元組成。臺體采用鑄鋁結(jié)構(gòu)，既保證了零件的加工精度和整體的造型，同時也提高了控制臺的整體強度和電磁屏蔽效果。

根據(jù)艦艇平臺特點，控制臺可用于駕控室、集控室等多種艙室，這就要求控制臺應(yīng)能同時適應(yīng)坐、站2種操作方式。為了滿足該需求，控制臺的顯示單元設(shè)計成可在一定角度范圍內(nèi)進行自由翻轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)角度應(yīng)符合人機工程。顯示單元通過連接支架與電子機箱上部軸系連接，松開固定加固顯示器的2個螺釘，將加固顯示器向左側(cè)翻轉(zhuǎn)后，可使用鎖緊裝置在與水平面成100°(適合坐姿)、126°(適合站姿)2個角度對顯示單元進行整體調(diào)節(jié)(見圖1)。

圖1 顯示單元翻轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖Fig.1 The sketch map of turn framework of display-unit

為了方便電子機箱內(nèi)部插座轉(zhuǎn)接操作和計算機維修，控制臺的操控單元也應(yīng)能在一定角度范圍內(nèi)進行翻轉(zhuǎn)，并采用氣彈簧助力、快鎖方式鎖緊。向前拉動操控單元下部的拉桿后，其上連接的鎖舌會脫開電子機箱的限位，使操控單元在氣彈簧的推力作用下，自動向上翻轉(zhuǎn)到與水平面成30°位置停住，即可進行電子機箱內(nèi)部插座轉(zhuǎn)接和計算機的維修操作;操作完成后，向下按壓可使操控單元向下翻轉(zhuǎn)，并在翻轉(zhuǎn)到水平位置時，鎖舌受彈簧作用力回位，將操控單元鎖緊(見圖2)。

圖2 操控單元翻轉(zhuǎn)機構(gòu)示意圖Fig.2 The sketch map of turn framework of control-unit

由于商用計算機價格低、與商用主流技術(shù)同步等特點，因此控制臺采用商用計算機可降低成本，保證技術(shù)先進性，但商用計算機又存在著外形尺寸不統(tǒng)一、抗沖擊振動能力低、電磁兼容性低和抗?jié)駸崮芰Σ畹葐栴}。為解決商用計算機的不足，可對控制臺的計算機機箱進行在保證不改變商用計算機板卡的物理尺寸和電氣特性，對其進行適當?shù)目箰毫迎h(huán)境能力加固后，裝入統(tǒng)一設(shè)計的控制臺商用計算機機箱內(nèi)，從而達到艦艇裝備使用要求?？刂婆_商用計算機機箱為6U結(jié)構(gòu)，采用對流散熱設(shè)計，上下表面開設(shè)足夠的風口，由電子機箱解決商用計算機散熱問題。在商用計算機單獨調(diào)試時，允許自帶風機作為調(diào)試工裝，解決商用計算機單獨調(diào)試時的散熱。裝入商用機的電子機箱采用底部進風方式，風路系統(tǒng)主要由下部進風口、商用機箱、底部軸流風機及頂部軸流風機組成。商用機箱具有統(tǒng)一的豎插式結(jié)構(gòu)，保證風路上下暢通。電子機箱內(nèi)部，由于頂部軸流風機的作用，在商用機箱區(qū)形成路線一定的負壓風道，引導(dǎo)風流實現(xiàn)全矢量方向的冷卻作用。

5 統(tǒng)一的測試環(huán)境設(shè)計技術(shù)

當艦艇平臺基礎(chǔ)軟硬件試制完成后，應(yīng)建立統(tǒng)一的測試環(huán)境，對試制模塊和控制臺進行嚴格的功能、性能和互換性測試，以判斷其是否滿足設(shè)計要求。

測試環(huán)境包含自動化仿真測試平臺、半實物仿真測試平臺、被測設(shè)備機箱以及儀器/儀表等設(shè)備，主要針對各類IO接口、通信接口進行測試，檢測其功能、性能、軟件合格性、軟硬件互換性等項目，以確定是否滿足技術(shù)指標。

自動化仿真測試平臺采用6U CPCI計算機技術(shù)構(gòu)建，由于被測模塊的信號種類較多，通道數(shù)量也較多，因此為了實現(xiàn)I/O接口和通信接口的協(xié)同測試，將CPCI計算機規(guī)劃為ETU-1仿真測試計算機1和ETU-2仿真測試計算機2，其中1臺主要針對模擬量信號測試，另1臺主要針對數(shù)字量信號測試。自動化仿真測試計算機共2臺，測試計算機包括各類I/O接口信號源、I/O接口采集設(shè)備、通信接口以及驅(qū)動CPCI總線模塊的計算機主板。

ETU-1仿真測試計算機1主要包括CPCI主板、電壓/電流信號采集、電壓/電流信號發(fā)生器、熱電阻信號發(fā)生器板、熱電偶信號發(fā)生器板、雙冗余CAN總線板、多功能8串口卡等，側(cè)重于模擬量板卡的測試。

ETU-2仿真測試計算機2主要包括CPCI主板、OC門信號采集板、脈沖信號發(fā)生/采集、繼電器信號采集板、開關(guān)量信號發(fā)生器板、雙冗余CAN總線板等，側(cè)重于數(shù)字量板卡的測試。

半實物測試設(shè)備的核心設(shè)計理念是采用LED指示燈和內(nèi)部電路構(gòu)成直觀的信號監(jiān)測系統(tǒng)，同時對于熱電偶、熱電阻等設(shè)備可以直接采用實物進行連接測試，對于外部的被測輸入設(shè)備提供少量定點信號進行激勵。主要完成定性的基本功能檢測，可檢驗I/O引腳定義的合格性;并且可用來測試在ETU-1、ETU-2仿真測試計算機的自動化測試環(huán)境中不能覆蓋的技術(shù)指標。

為了實現(xiàn)測試環(huán)境的各項功能，還需分別開發(fā)約40余個各類硬件模塊的測試軟件，以及約10余個控制臺/單元集成測試軟件。

圖3 測試軟件示意圖Fig.3 The sketch map of test-software

6 結(jié)語

依據(jù)上述總體設(shè)計技術(shù)，充分利用現(xiàn)有成熟成果，開展艦艇平臺基礎(chǔ)軟硬件標準化，可明顯減少備品備件的種類和數(shù)量，降低成本，有效提升裝備的生命力，取得令人滿意的效果。

［1］張云勇，張智江，等.中間件技術(shù)原理與應(yīng)用［M］.北京:清華大學出版社，2004.

General research on standardization technology of basic hardware and software in warship platform system

GU Ya-jun，CAO Ning-sheng
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

The standardization design of hardware and software in warship platform system can effectively reduce the amount and type of spare parts，reduce cost and enhance the vitality of equipment.This paper studied the most important standardization technology of basic hardware and software in warship platform system，included the overall architecture design，software design based in middleware，hardware design ensured the module is interchangeable，user-friendly structural design，uniform test platform design.

warship platform;hardware and software;standardization

U674.7+03.1

A

1672－7649(2011)06－0042－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.011

2011－05－06

顧亞軍(1969－)，男，高級工程師，研究方向為艦載信息基礎(chǔ)平臺總體技術(shù)。