轟炸光電瞄準(zhǔn)主控計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

王昊鵬，劉澤乾，張會勇，劉成亮，李星宇

（1.海軍航空工程學(xué)院 武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程系,山東 煙臺 264000；2.空軍航空大學(xué) 作戰(zhàn)指揮系,吉林 長春 130022；3.空軍航空大學(xué) 吉林 長春 130022）

轟炸光電瞄準(zhǔn)主控計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計

王昊鵬1,2，劉澤乾2，張會勇3，劉成亮2，李星宇3

（1.海軍航空工程學(xué)院 武器系統(tǒng)與運(yùn)用工程系,山東 煙臺 264000；2.空軍航空大學(xué) 作戰(zhàn)指揮系,吉林 長春 130022；3.空軍航空大學(xué) 吉林 長春 130022）

我軍現(xiàn)役主戰(zhàn)轟炸機(jī)均未配備光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其轟瞄設(shè)備為純光學(xué)目視老設(shè)備，夜間及復(fù)雜氣象條件下無法觀測目標(biāo)，不能完成精確轟炸，需要配備光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。主控計算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計為目前轟炸光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)實現(xiàn)過程中待研究的關(guān)鍵技術(shù)。針對主控計算機(jī)設(shè)計實現(xiàn)，本文圍繞轟炸瞄準(zhǔn)任務(wù)，充分考慮可靠性、體積、功耗、成本、重量等因素，通過對控制電子箱結(jié)構(gòu)、功能需求和性能要求的研究，對轟炸光電瞄準(zhǔn)主控計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計，構(gòu)建了基于ARM9處理器、VxWorks操作系統(tǒng)的主控計算機(jī)系統(tǒng)，完成了軟硬件設(shè)計。設(shè)計斷電延時電路確保了斷電后轉(zhuǎn)塔正常收起，采用CPLD實現(xiàn)了通信接口，提高了系統(tǒng)運(yùn)行速度，減小了成本。

光電瞄準(zhǔn)；主控計算機(jī)；ARM-VxWorks；系統(tǒng)設(shè)計

光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)正在取代傳統(tǒng)型光學(xué)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，成為實現(xiàn)全天候精確轟炸的新一代瞄準(zhǔn)系統(tǒng)[1]。而我國光電瞄準(zhǔn)技術(shù)起步較晚，尤其在轟炸作戰(zhàn)領(lǐng)域的應(yīng)用，現(xiàn)役主站轟炸機(jī)均未配備光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，其轟瞄設(shè)備為HM-I和HM-III型純光學(xué)目視老設(shè)備。HM-I、HM-III基本上屬于二戰(zhàn)時期的產(chǎn)品，技術(shù)落后、重量大、操作繁瑣，顯然已經(jīng)無法滿足當(dāng)今信息化作戰(zhàn)要求，主要是表現(xiàn)在目標(biāo)截獲難、轟炸精度低、載機(jī)生產(chǎn)能力弱3個方面。為現(xiàn)役主戰(zhàn)轟炸機(jī)加裝光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，對于提高飛機(jī)夜間訓(xùn)練、作戰(zhàn)能力具有一定的理論及實踐指導(dǎo)意義，能夠為充分發(fā)揮常規(guī)航空炸彈及激光制導(dǎo)炸彈作戰(zhàn)性能打下堅實基礎(chǔ)。

作為整個光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的控制與處理核心，主控計算機(jī)對系統(tǒng)能否完成轟炸任務(wù)及完成對質(zhì)量具有十分重要作用。由于嵌入式計算機(jī)相關(guān)技術(shù)已較為成熟，主控計算機(jī)研發(fā)的關(guān)鍵和難點在于緊緊圍繞轟炸瞄準(zhǔn)任務(wù)及控制箱、載機(jī)結(jié)構(gòu)，綜合考慮成本、開發(fā)時間等因素，選用現(xiàn)有技術(shù)去構(gòu)建合理的主控計算機(jī)軟硬件方案。

1 控制電子箱結(jié)構(gòu)

主控計算機(jī)是控制電子箱（以下簡稱控制箱）的宿主控制與處理模塊，駐留系統(tǒng)軟件，發(fā)出具體瞄準(zhǔn)控制指令，是整個轟炸瞄準(zhǔn)過程的核心控制部件。目前大多數(shù)控制電子箱采用自定義的仿ISA背板總線、X86構(gòu)架處理器的嵌入式主控計算機(jī)系統(tǒng)。這種方案的背板總線易實現(xiàn)，連接簡單，但明顯的缺陷是各模塊之間易發(fā)生相互串?dāng)_、抗干擾能力差，驅(qū)動能力差，速度慢，存在功耗大，體積大，集成度低等缺點[1]。

本文控制箱采用PC/104總線、ARM9處理器的嵌入式主控計算機(jī)系統(tǒng)。如圖1所示，控制箱內(nèi)各個功能模塊集約到相互獨立的板卡上，通過上層模塊的針和下層模塊的孔相互連接，省去了接口電路設(shè)計，同時具有極好的抗震性。

圖1 控制電子箱結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of electronic control box

PC/104是一種專門為嵌入式控制定制的工業(yè)計算機(jī)總線標(biāo)準(zhǔn)，共104根引腳，絕大多數(shù)與ISA總線信號特性完全一致，只是極個別信號有區(qū)別，所以在應(yīng)用中完全可以按ISA總線使用。PC/104總線同時兼容8位和16位，是一種優(yōu)化的、小型、堆棧式結(jié)構(gòu)、功耗低（典型模塊為1~2 W）的嵌入式控制系統(tǒng)[2]，在光電系統(tǒng)中已經(jīng)得到了應(yīng)用[3]。

2 功能需求

轟炸瞄準(zhǔn)過程中，從載機(jī)端來看，主控計算機(jī)作為火控系統(tǒng)子系統(tǒng)的核心模塊，作用是自動輸出飛控、開艙及投彈指令，完成轟炸任務(wù)；從光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)端來看，主控計算機(jī)作為核心處理控制模塊，作用是處理光電探測設(shè)備、載機(jī)及其它各種傳感器的輸入數(shù)據(jù)，控制各模塊正常工作。則主控計算機(jī)需實現(xiàn)的具體功能主要有以下2點：

1)解算飛控參數(shù)：根據(jù)光電瞄準(zhǔn)模型，處理輸入?yún)?shù)，輸出飛控、預(yù)告、投彈指令；

2)總線協(xié)議轉(zhuǎn)換：ARM外總線與PC/104總線、1553B總線協(xié)議轉(zhuǎn)換：ARM外總線-PC/104總線轉(zhuǎn)換以實現(xiàn)處理器與控制箱內(nèi)功能模塊通信，ARM外總線-1553B總線轉(zhuǎn)換實現(xiàn)處理器與載機(jī)通信。

3 性能要求

主控計算機(jī)工作在電子箱內(nèi)，是系統(tǒng)軟件的運(yùn)行載體，性能要求如下：

1)從工作環(huán)境考慮，控制電子箱加裝于照相艙，作為機(jī)載設(shè)備，要求主控計算機(jī)具有一定抗震和抗電磁干擾能力、穩(wěn)定性，工作穩(wěn)定范圍要能達(dá)到-60～+50℃，可靠性高；

2)作為機(jī)載設(shè)備，主控計算機(jī)應(yīng)該體積小、重量輕、方便維護(hù)、實時性強(qiáng)、軟件運(yùn)行穩(wěn)健、自動隔離故障，根據(jù)國軍標(biāo)要求，斷電后需能運(yùn)行50 ms；

3)作為計算機(jī)，主控計算機(jī)應(yīng)該處理速度快、功耗??；

4)從工程開發(fā)角度考慮，主控計算機(jī)系統(tǒng)軟硬件都應(yīng)該易于實現(xiàn)，成本盡可能小。

4 總體設(shè)計

綜合考慮4.1.2功能需求和4.1.3性能要求，參考國內(nèi)外相關(guān)主控計算機(jī)設(shè)計方案，本文構(gòu)建了一種ARM9嵌入式處理器-VxWorks操作系統(tǒng)的嵌入式主控計算機(jī)平臺。

ARM是采用英國劍橋ARM技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)內(nèi)核的微處理器的統(tǒng)稱，采用RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機(jī)）體系結(jié)構(gòu)，將整個計算機(jī)系統(tǒng)或者一部分集成到一塊芯片中，在芯片內(nèi)部集成各種功能和外設(shè)，與傳統(tǒng)的微處理器相比，其最大特點是單片化，使實現(xiàn)同樣功能時的系統(tǒng)體積大大減小。ARM體積小，功耗低，成本低，性能高，已經(jīng)遍及到工業(yè)控制、無線通訊、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、消費(fèi)電子產(chǎn)品、軍用系統(tǒng)等各類產(chǎn)品市場，占據(jù)了32位RISC微處理器75%以上的市場份額，是開發(fā)便攜設(shè)備的首選處理平臺[4-5]。

VxWorks以其卓越的實時性和良好的可靠性，廣泛應(yīng)用于實時性要求極高的領(lǐng)域中，是目前采用最多、最成熟的32位商用實時操作系統(tǒng)（RTOS）[6]。美軍F-16、FA-18戰(zhàn)斗機(jī)、B-2隱形轟炸機(jī)和愛國者導(dǎo)彈上，“勇氣”號火星探測器都采用了VxWorks操作系統(tǒng)。VxWorks已成為事實上的工業(yè)和軍用標(biāo)準(zhǔn)，大量軟硬件廠家都提供VxWorks的擴(kuò)展組件，為程序員提供了一致的開發(fā)、運(yùn)行環(huán)境，減少了重復(fù)勞動[7]。

VxWorks系統(tǒng)本身開銷很小，進(jìn)程調(diào)度、進(jìn)程間通信、中斷處理等系統(tǒng)共用程序精練有效，造成的延遲很短，提供的多任務(wù)機(jī)制中對任務(wù)的控制采用了優(yōu)先級搶占（Preemptive Priority Scheduling）和輪轉(zhuǎn)調(diào)度（Round-Robin Scheduling）機(jī)制，充分保證了實時性。VxWorks系統(tǒng)同其他幾種主要嵌入式系統(tǒng)比較情況見表1[8]。

由表1，在評價嵌入式操作系統(tǒng)的主要7個指標(biāo)內(nèi)核類型、內(nèi)核最小尺寸、實時性、安全可靠性、系統(tǒng)API、內(nèi)核可移植性、服務(wù)執(zhí)行時間中，VxWorks均優(yōu)于或等于已有的其他操作系統(tǒng)，VxWorks的優(yōu)點概括起來就是內(nèi)存小、運(yùn)行快、易開發(fā)、可靠性高。在瞄準(zhǔn)系統(tǒng)最看重的實時性、安全可靠性方面表現(xiàn)優(yōu)異，同時非常豐富的系統(tǒng)API和優(yōu)秀的內(nèi)核可移植性減小了開發(fā)工作量，提高了開發(fā)效率。

4.1 硬件總體設(shè)計

硬件總體設(shè)計如圖2所示。從功能而言，主控計算機(jī)板塊分為最小系統(tǒng)模塊、通信模塊、電源模塊3大部分。

1)最小系統(tǒng)模塊

根據(jù)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)要求而定制的一個最小計算機(jī)系統(tǒng)：以處理器為核心，包括存儲器、定時器、I/O接口、中斷控制、時鐘器、串口、JTAG，實現(xiàn)計算機(jī)的基本功能。

表1 嵌入式系統(tǒng)性能比較Tab.1 Performance comparison in embedded system

圖2 主控計算機(jī)硬件總體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Hardware general structure of master control computer

2)通信模塊

實現(xiàn)ARM與外圍模塊通信：PC104和1553B轉(zhuǎn)接電路與ARM拓展總線相連，分別實現(xiàn)ARM總線與PC104及1553B總線時序轉(zhuǎn)換；I/O控制電路包括RS232通信電路、I/O轉(zhuǎn)換控制電路。RS232通信電路接收前艙光電轉(zhuǎn)塔操控桿輸出的控制信號，I/O轉(zhuǎn)換控制電路輸出I/O離散量信號，控制其他功能板塊工作，同時輸出飛控信號到自整角機(jī)，輸出預(yù)告及投彈信號到投彈控制機(jī)構(gòu)；溫度模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控控制箱溫度，由DS1820數(shù)字化傳感器實現(xiàn)。

3)電源模塊

系統(tǒng)供電：由照相艙28 V直流電源為最小系統(tǒng)電路及功能電路供電，針對不同供電需求，將控制電子箱內(nèi)電源板進(jìn)行分壓濾波處理。照相艙28 V直流電源可滿足斷電延時50 ms要求。

4.2 軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)軟件的作用是控制各個模塊有序工作，按照瞄準(zhǔn)模型，實時控制處理輸入輸出。主控計算機(jī)軟件采用分層設(shè)計思想，由應(yīng)用程序?qū)印⒉僮飨到y(tǒng)層、板級支持包（BSP）三層組成，如圖3所示。整個軟件系統(tǒng)開發(fā)都是以PC機(jī)為平臺，在Tornado開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行。

圖3 主控計算機(jī)軟件總體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Software general structure of master control computer

1)操作系統(tǒng)

操作系統(tǒng)選用VxWorks，主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)任務(wù)進(jìn)程與調(diào)度管理，提高軟件開發(fā)效率，確保系統(tǒng)可靠高效運(yùn)行。

2)BSP

BSP根據(jù)具體硬件而定制，是用戶編寫的啟動代碼和部分驅(qū)動程序的集合，是介于操作系統(tǒng)與底層硬件之間的一個軟件接口，包括初始化與驅(qū)動硬件工作。

初始化實現(xiàn)系統(tǒng)加電后初始化VxWorks操作系統(tǒng)和主控計算機(jī)硬件，使用匯編語言編寫。驅(qū)動程序，主要是PIO外設(shè)驅(qū)動，實現(xiàn)ARM與外設(shè)的正常數(shù)據(jù)通信，使用C語言編寫，實質(zhì)是將具有一定邏輯的連續(xù)I/O操作包裝成函數(shù)，供應(yīng)用程序調(diào)用。

3)應(yīng)用程序

應(yīng)用程序位于操作系統(tǒng)上層，是整個瞄準(zhǔn)過程的控制核心，將瞄準(zhǔn)模型實體化，是由C++語言編寫的多線程程序。

5 結(jié)論

ARM-VxWorks是性能穩(wěn)定、較為成熟的軍用計算機(jī)實現(xiàn)方案，用這種方案實現(xiàn)轟炸光電瞄準(zhǔn)系統(tǒng)主控計算機(jī)，縮短了開發(fā)時間、減小了風(fēng)險。通過將1553B通信模塊集成到主控計算機(jī)板塊上，合并了結(jié)構(gòu)、縮小控制箱體積。采用狀態(tài)機(jī)設(shè)計思想提高了CPLD程序開發(fā)效率。軟件設(shè)計中采用自頂向下的設(shè)計思想可以提供開發(fā)效率，設(shè)計時應(yīng)注意程序模塊化，方便后期系統(tǒng)功能拓展。

[1]張新.基于VME總線的ARM7主控通信模塊設(shè)計[D].上海：上海交通大學(xué)，2008.

[2]Ruilan Wu,Bin Liang,Xinsheng Wang.New fault tolerant robotic central controller for space robot system based on ARM processor[C]//ICIT 2008:1023.

[3]王小鵬.軍用光電技術(shù)與系統(tǒng)概論[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[4]杜鐵征.基于ARM-VxWorks平臺通訊檢測裝置的設(shè)計與實現(xiàn)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2007.

[5]劉尚軍，張志兵.ARM嵌入式技術(shù)原理與應(yīng)用 [M].1版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[6]王勇，叢偉.機(jī)載計算機(jī)軟件[M].1版.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[7]宋曉莉.基于VxWorks的數(shù)據(jù)通信及控制技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2009.

[8]楊名.嵌入式實時水聲通信軟件設(shè)計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

M aster control computer design of bombing targeting system

WANG Hao-peng1,2,LIU Ze-qian2,ZHANG Hui-yong3,LIU Cheng-liang2,LI Xing-yu3
（1.Weapon Systems and Utilization Engineering,Naval Aviation Engineering Institute,Yantai 264000,China; 2.Campaign and Command Department,Aviation University of Air Force,Changchun 130022,China; 3.Aviation University of Air Force,Changchun 130022,China)

The bombers in our army have not been equipped with the Electro-Optic Targeting System(EOTS),which cannot observe targets at night and as a result cannot conduct precise bombing with the all-optic targeting systems as their bombing targeting systems,so the EOTS is needed.The master control computer design was one of the critical technologies in the realization of electro-optic bombing targeting systems.For the implementation of master control computer design,according to the bombing targeting task,give full consideration to reliability,volume,power consumption,cost,weight and other factors,combined the structure of electronic control box,requirements of functional and performance,overall design of bombing electrooptic targeting master control computer system was done.A master control computer plan and corresponding hardware and software were made on the basis of ARM9 processor and VxWorks operating system.A power-off delay circuit was designed to ensure the turret’s normal taking up after power off.CPLD was adopted to act as the role of communication interface,which simultaneously enhanced the system operating speed and reduced the cost.

electro-optic targeting;master control computer;ARM-VxWorks;system design

TN216，TP271

A

1674－6236（2015）10-0011-03

2014-09-05 稿件編號：201409049

軍隊重點科研項目(KJ05138)

王昊鵬(1987—)，男，遼寧沈陽人，博士研究生。研究方向：武器系統(tǒng)建模與仿真。