某型制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 暉，邢廣義

（中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院第四十一研究所，燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710025）

某型制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 暉，邢廣義

（中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第四研究院第四十一研究所，燃燒、流動(dòng)和熱結(jié)構(gòu)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710025）

彈載計(jì)算機(jī)作為整個(gè)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的核心部件，有著最復(fù)雜的電氣功能及對(duì)外接口。以某新型號(hào)制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試方法為研究對(duì)象，Lab Windows／CVI為開發(fā)平臺(tái)，通過(guò)自主編程，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。使用串口服務(wù)器實(shí)現(xiàn)了多串口同時(shí)控制，在CVI環(huán)境中應(yīng)用基于多線程的異步定時(shí)器實(shí)現(xiàn)了多個(gè)高精度時(shí)鐘。該系統(tǒng)具有功能較強(qiáng)、構(gòu)建簡(jiǎn)易、定時(shí)器精度高、具有一定通用性等特點(diǎn)。某型制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)的驗(yàn)收測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠完成具有復(fù)雜電氣功能的彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試任務(wù)。

彈載計(jì)算機(jī)；LabWindows／CVI平臺(tái)；測(cè)試；串行通信；多線程；設(shè)計(jì)

1 引 言

在新型導(dǎo)彈研制周期中制導(dǎo)彈處于最后階段，彈載計(jì)算機(jī)作為整個(gè)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)“大腦”，有著最復(fù)雜的電氣功能及對(duì)外接口［1］。制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)在發(fā)射階段需通過(guò)彈地通信接口完成諸元裝訂、導(dǎo)航啟動(dòng)、數(shù)據(jù)鏈檢測(cè)等發(fā)射時(shí)序；在中制導(dǎo)階段需通過(guò)與慣性測(cè)量裝置（或測(cè)姿儀）通信接口不斷接收導(dǎo)航信息并依據(jù)控制律生成舵指令驅(qū)動(dòng)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)；進(jìn)入末制導(dǎo)后需通過(guò)與數(shù)據(jù)鏈通信接口不斷接收來(lái)自地面發(fā)控裝置上行的導(dǎo)引頭控制指令，并結(jié)合來(lái)自導(dǎo)引頭通信接口發(fā)來(lái)的導(dǎo)引頭狀態(tài)信息依據(jù)制導(dǎo)律生成舵指令驅(qū)動(dòng)舵機(jī)偏轉(zhuǎn)將導(dǎo)彈導(dǎo)向目標(biāo)?？梢姀椵d計(jì)算機(jī)有著復(fù)雜的功能及接口，自然，對(duì)彈載計(jì)算機(jī)的測(cè)試也成為一項(xiàng)較為復(fù)雜的事情。

現(xiàn)有的彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)一般采用上下位機(jī)的形式，即上位機(jī)提供人機(jī)交互界面，下位機(jī)為嵌入式系統(tǒng)，上位機(jī)通過(guò)向下位機(jī)發(fā)送控制指令控制下位機(jī)向相應(yīng)接口發(fā)出／接收信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)彈載計(jì)算機(jī)的測(cè)試。然而這種方式往往系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)間較長(zhǎng)，下位機(jī)嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、研制經(jīng)費(fèi)較大、測(cè)試功能不夠靈活［2］。因此研制一套構(gòu)建簡(jiǎn)易、功能較強(qiáng)、軟硬件擴(kuò)展性好、并具有一定通用性的彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)很有必要。

以某新型制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試為背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠模擬彈載計(jì)算機(jī)在整個(gè)發(fā)射飛行過(guò)程中的外界電氣接口環(huán)境，對(duì)彈載計(jì)算機(jī)進(jìn)行全面測(cè)試，系統(tǒng)具有構(gòu)建簡(jiǎn)易、功能較強(qiáng)、精度較高、軟硬件擴(kuò)展性好，并具有一定通用性等特點(diǎn)。

2 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)架

串行通信作為一種協(xié)議簡(jiǎn)單、成本低廉、穩(wěn)定性高、構(gòu)建方便的數(shù)字通信方式在導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的應(yīng)用最為廣泛［3－4］。本制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)與彈上及地面其它電氣部件的數(shù)字通信也均采用異步RS－422通信方式。測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)架

可見測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，易于構(gòu)建，主要由串口服務(wù)器、直流穩(wěn)壓電源、加固筆記本、測(cè)試電纜等組成。

（1）串口服務(wù)器：測(cè)試系統(tǒng)的核心組成部分，型號(hào)為臺(tái)灣MOXA的Nport 5650I－8－DTL，帶8路RS232／RS422／RS485可配置串口，各路均帶隔離，具有抗干擾能力強(qiáng)、擴(kuò)展性和通用性好等特點(diǎn)；制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)用到其中5個(gè)串口，分別對(duì)應(yīng)發(fā)控接口、數(shù)據(jù)鏈接口、導(dǎo)引頭接口、慣導(dǎo)接口、彈載記錄儀接口。

（2）直流穩(wěn)壓電源：TDK可調(diào)直流穩(wěn)壓電源，用于給彈載計(jì)算機(jī)供電。

（3）加固筆記本電腦：通過(guò)網(wǎng)線連接串口服務(wù)器，對(duì)于筆記本電腦而言，直接看到的是本機(jī)上的8個(gè)串口。

（4）測(cè)試電纜：電纜1和電纜2，用于連接彈載計(jì)算機(jī)對(duì)外接口和測(cè)試設(shè)備，若彈載計(jì)算機(jī)對(duì)外電氣接口不同則測(cè)試電纜不同。

（5）其他：示波器用于采集彈載計(jì)算機(jī)進(jìn)行舵機(jī)自檢時(shí)發(fā)出的舵指令，電纜2上的開關(guān)用于發(fā)出電氣分離信號(hào)（脫插分離信號(hào)），電纜1上的開關(guān)用于控制彈載計(jì)算機(jī)上電或斷電。

3 軟件設(shè)計(jì)

3．1 軟件總體設(shè)計(jì)

顯而易見，測(cè)試軟件是該測(cè)試系統(tǒng)的核心。制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試軟件應(yīng)具備以下主要功能：

（1）多串口控制：能夠至少管理和控制5個(gè)串口。

（2）測(cè)試精度：串口周期發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)間精度應(yīng)盡量高，不大于2ms。

（3）測(cè)試完備性：軟件應(yīng)能模擬與彈載計(jì)算機(jī)相連的所有電氣部件，完成與彈載計(jì)算機(jī)信息交互；能夠發(fā)出錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)對(duì)彈載計(jì)算機(jī)進(jìn)行容錯(cuò)測(cè)試。

④通用性：軟件應(yīng)能根據(jù)不同彈載計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)規(guī)格隨意編輯各串口通信協(xié)議，做到通用；應(yīng)能更改串口服務(wù)器各物理串口與串口號(hào)的映射關(guān)系，對(duì)各串口參數(shù)可配置。

⑤數(shù)據(jù)完整性：對(duì)各串口接收的數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行完整保存，便于后續(xù)數(shù)據(jù)分析。

軟件開發(fā)環(huán)境選用Lab Windows／CVI 2012。LabWindows／CVI（C／C＋＋for Visual Instrument）是美國(guó)NI公司推廣的面向測(cè)控領(lǐng)域的專業(yè)軟件開發(fā)環(huán)境，其優(yōu)勢(shì)在于完全建立在ANSI C基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)了功能強(qiáng)大、使用靈活的C語(yǔ)言平臺(tái)與用于數(shù)據(jù)采集、分析與顯示的測(cè)控專業(yè)工具的有機(jī)結(jié)合，特有的交互式編程方法及豐富的功能面板和函數(shù)庫(kù)可以很方便地設(shè)計(jì)出非常友好的測(cè)控操作界面［5－6］。

3．2 定時(shí)器設(shè)計(jì)

制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)與其它部件數(shù)據(jù)交互復(fù)雜，大多數(shù)數(shù)據(jù)都是以一定周期發(fā)送或接收的，比如最關(guān)鍵的數(shù)據(jù)鏈上行的導(dǎo)引頭控制指令、慣導(dǎo)輸出的導(dǎo)航數(shù)據(jù)、導(dǎo)引頭輸出的導(dǎo)引頭狀態(tài)信息、發(fā)送給彈載記錄儀的記錄數(shù)據(jù)等，因此測(cè)試系統(tǒng)定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間精度較為重要。

LabWindows／CVI環(huán)境提供了高精度定時(shí)器，這是其作為專業(yè)測(cè)控軟件開發(fā)環(huán)境相比一般通用軟件開發(fā)環(huán)境的一大優(yōu)勢(shì)。LabWindows／CVI的高精度定時(shí)器基于多線程機(jī)制。Lab Windows／CVI提供了兩種多線程機(jī)制，一種是線程池，另一種是異步定時(shí)器［7－8］，其中異步定時(shí)器是以Windows下多媒體定時(shí)器為基礎(chǔ)的高精度定時(shí)器，定時(shí)精度為1ms。本彈載計(jì)算機(jī)軟件中所有周期性發(fā)送或接收數(shù)據(jù)的功能均采用異步定時(shí)器實(shí)現(xiàn)，軟件共開出6個(gè)異步定時(shí)器，模擬了與彈載計(jì)算機(jī)相連的所有電氣部件。Lab Windows／CVI環(huán)境下一個(gè)應(yīng)用程序中最多可以開出16個(gè)異步定時(shí)器。

3．3 串口及通信協(xié)議管理

LabWindows／CVI作為專業(yè)的測(cè)控軟件開發(fā)環(huán)境提供了RS232函數(shù)庫(kù)，該函數(shù)庫(kù)對(duì)Windows下的串口操作API進(jìn)行了高度封裝，使用非常方便。RS232函數(shù)庫(kù)相比其它開發(fā)環(huán)境下的串口API優(yōu)勢(shì)在于對(duì)于被操作串口的數(shù)量及波特率不受限制，均可配置。雖然RS232函數(shù)庫(kù)是針對(duì)RS232設(shè)計(jì)的，但對(duì)于軟件而言，并不關(guān)心外部串口電平狀態(tài)，本測(cè)試系統(tǒng)中在串口服務(wù)器的配合下，可以任意實(shí)現(xiàn)RS232、RS422、RS485的串口通信。

對(duì)于制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)而言，與之通信的電氣部件較多，通信協(xié)議也各不相同。為了便于用戶對(duì)通信協(xié)議的編輯，做到一定的通用性，本軟件對(duì)于協(xié)議的管理采用加載．ini配置文件的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)串口的發(fā)送和接收都對(duì)應(yīng)一個(gè)協(xié)議配置文件，用戶只需將串口通信協(xié)議以一定格式寫入各自的配置文件中，軟件啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)加載協(xié)議，使用方便。

3．4 軟件界面設(shè)計(jì)

軟件界面設(shè)計(jì)遵從以下原則：①最小最大化原則：用戶承擔(dān)的工作量盡量少，計(jì)算機(jī)承擔(dān)的工作量盡量大；②合理利用空間，保持界面簡(jiǎn)潔、自然友好，界面不可顯得擁擠。；③依照功能和重要性對(duì)界面上的控件等元素合理布局，重要操作位于界面醒目位置，方便用戶操作；④能夠以最直觀的方式顯示控制結(jié)果及測(cè)試數(shù)據(jù)；⑤測(cè)試數(shù)據(jù)的保存應(yīng)簡(jiǎn)單、快速。軟件界面總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 軟件界面總體設(shè)計(jì)

5路串口控制位于界面頂端第一排醒目位置，串口開關(guān)采用LabWindows／CVI自帶的二值開關(guān)控件，波特率可通過(guò)下拉框進(jìn)行選擇，旁邊的LED燈用來(lái)直觀顯示串口打開狀態(tài)。

模擬數(shù)據(jù)鏈發(fā)出的導(dǎo)引頭控制指令開關(guān)采用二值開關(guān)控件，用戶可通過(guò)界面設(shè)置控制指令發(fā)送周期以及導(dǎo)引頭轉(zhuǎn)入手動(dòng)跟蹤狀態(tài)、轉(zhuǎn)入自動(dòng)跟蹤狀態(tài)、轉(zhuǎn)比相對(duì)于計(jì)時(shí)零點(diǎn)的時(shí)刻，時(shí)刻到后控制指令轉(zhuǎn)入相應(yīng)狀態(tài)。

模擬導(dǎo)引頭發(fā)出的導(dǎo)引頭狀態(tài)信息開關(guān)采用二值開關(guān)控件，用戶可通過(guò)界面設(shè)置狀態(tài)信息發(fā)送周期、導(dǎo)引頭俯仰／偏航框架角以及視線角速度數(shù)值。

5路串口的接收區(qū)均采用TextBox控件，實(shí)時(shí)顯示串口接收內(nèi)容，并具備顯示／停止顯示開關(guān)，“清空”按鈕用來(lái)清空接收區(qū)。

5路串口的發(fā)送區(qū)均采用ListBox控件，軟件啟動(dòng)后自動(dòng)加載各路串口配置的通信協(xié)議，用戶選中某個(gè)協(xié)議后點(diǎn)擊“發(fā)送”即可發(fā)送數(shù)據(jù)，各發(fā)送區(qū)均具有“周期發(fā)送”單項(xiàng)框，選中后軟件將自動(dòng)周期發(fā)送選中的協(xié)議，發(fā)送周期也可以通過(guò)旁邊的發(fā)送周期設(shè)置框進(jìn)行設(shè)置。

軟件具備“電氣分離”模擬開關(guān)，模擬脫插分離，以便為導(dǎo)引頭控制指令提供計(jì)時(shí)零點(diǎn)，采用二值開關(guān)控件，二值開關(guān)復(fù)位后軟件回到初始狀態(tài)。

軟件為各個(gè)串口均開出了較大的數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，可保證各串口接收到的所有數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，界面上各串口接收區(qū)均配備有保存數(shù)據(jù)按鈕，用戶點(diǎn)擊后可將串口接收到的所有數(shù)據(jù)一次保存為二進(jìn)制流文件，方便下一步數(shù)據(jù)處理。

4 測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用結(jié)果

彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)順利完成了某型制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)的測(cè)試驗(yàn)收工作，且已通過(guò)了導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)考核，彈載計(jì)算機(jī)全程工作正常。經(jīng)多次試驗(yàn)測(cè)量，本測(cè)試系統(tǒng)在同時(shí)控制5個(gè)串口時(shí)10ms定時(shí)器誤差最大為1．8ms，滿足不大于2ms的精度要求。另外，在更換測(cè)試電纜及重新配置各串口通信協(xié)議的情況下，該測(cè)試系統(tǒng)也順利完成了另一型號(hào)程控彈彈載計(jì)算機(jī)的測(cè)試驗(yàn)收任務(wù)，并已通過(guò)了導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)考核，能夠說(shuō)明本彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)具有一定的通用性。

5 結(jié)束語(yǔ)

彈載計(jì)算機(jī)作為整個(gè)導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的“大腦”，有著最復(fù)雜的電氣功能及對(duì)外接口，其測(cè)試工作也是一項(xiàng)較為復(fù)雜的任務(wù)。現(xiàn)行的彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)大多基于上下位機(jī)形式構(gòu)建，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、構(gòu)建時(shí)間較長(zhǎng)、研制經(jīng)費(fèi)較高。以某新型制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試為背景，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套相對(duì)簡(jiǎn)易的彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠模擬彈載計(jì)算機(jī)在整個(gè)工作過(guò)程中的外部電氣接口，完成與彈上其它電氣部件的信息交互，對(duì)彈載計(jì)算機(jī)功能進(jìn)行測(cè)試。某型制導(dǎo)彈彈載計(jì)算機(jī)以及另一型程控彈彈載計(jì)算機(jī)的測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)具有測(cè)試功能較強(qiáng)、構(gòu)建簡(jiǎn)易、具有一定通用性等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性。

［1］ 羅陽(yáng)，張紅波，王春雷．基于PXI＋LVDS的彈載計(jì)算機(jī)測(cè)試系統(tǒng)［J］．航空兵器，2011（1）：60－64．LUO Yang，ZHANG Hong－bo，WANG Chun－lei．Test System of Missile－Borne Computer Based on PXI and LVDS［J］．AERO WEAPONRY，2011（1）：60－64．

［2］ 葉中脈，秦開宇，陳華偉，等．航電系統(tǒng)通用總線監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．測(cè)控技術(shù)，2012，31（3）：94－97．YEZhong－mai，QINKai－yu，CHENHua－wei．Design and Implementation of Monitor Soft for Universal Avionics Bus［J］．Measurement＆Control Technology，2012，31（3）：94－97．

［3］ 鄭紅星，曹曉緋．RS422在反坦克導(dǎo)彈上的應(yīng)用研究［J］．彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，4（4）：32－35．ZHENG Hongxing，CAO Xiaofei．The Study of Application of RS422 to Anti－tank Missile［J］．JOURNAL OF PROJECTILES，ROCKETS，MISSILESANDGUIDANCE，2008，4（4）：32－35．

［4］ 趙冬冬，竇滿峰，陳哲．RS－422總線在大功率BLDCM通信中的抗干擾設(shè)計(jì)［J］．測(cè)控技術(shù)，2010，29（8）：76－78．ZHAO Dong－dong，DOU Man－feng，CHEN Zhe．Anti Jamming Design of RS－422 Communication Bus in High Power BLDCM［J］．Measurement＆Control Technology，2010，29（8）：76－78．

［5］ 李騰飛，張輝．基于Labwindows／CVI和Matlab的濾波器設(shè)計(jì)［J］．電子科技，2007（3）：29－35．Li Tengfei，Zhang Hui．Designing filters with Labwindows／CVI and Matlab［J］．ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY，2007（3）：29－35．

［6］ 王浩，齊建宇．基于Labwindows／CVI的捷聯(lián)慣導(dǎo)測(cè)試軟件設(shè)計(jì)［J］．航天控制，2011，29（2）：56－60．WANG Hao，QI Jianyu．The Test Software Design for Strap－down Inertial Navigation Based on Labwindows／CVI［J］．AEROSPACE CONTROL，2011，29（2）：56－60．

［7］ 譚秀萍，吳曉輝，范蟠果，等．Labwindows／CVI多線程技術(shù)在電負(fù)載系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．測(cè)控技術(shù)，2011，30（8）：79－83．TAN Xiu－ping，WU Xiao－h(huán)ui，F(xiàn)AN Pan－guo．Labwindows／CVI Multi－thread Technology in Electrical－Load System［J］．Measurement＆Control Technology，2011，30（8）：79－83．

［8］ 王俊鳴，張智軍，張安旭，等．基于Labwindows／CVI的多線程技術(shù)的電磁兼容預(yù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］．彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2008，28（2）：311－314．WANG Junming，ZHANG Zhijun，ZHANG Anxu．Design and Realization of EMC Prearrangement Test System Based on Multithreading Technique of Labwindows／CVI［J］．JOURNALOFPROJECTILES，ROCKETS，MISSILES AND GUIDANCE，2008，28（2）：311－314．

Design on Test System of Guided－Missile－Borne Computer

Li Hui，Xing Guangyi
（National Key Laboratory of Combustion，F(xiàn)low and Thermo－structure，The 41st Institute of the Academy of China Aerospace Science and Technology Corporation，Xi’an 710025，China）

The missile－borne computer，as the core component of the control system of missile，has the most complex electric functions and external interfaces．The test method of the missile－borne computer of a new guided missile is provided for studying，a missile－borne computer test system is designed and implemented by programming based on Lab Windows／CVI development platform．The serial port server is applied to control multiple serial ports simultaneously，asynchronous timer based on multithreading is applied to achieve several high precision timers in CVI environment．The system has such features as powerful function，simple structure，high precision timer and certain versatility．The test results of the guided－missile－borne computer show that the system can accomplish the test task of missile－borne computer with complex electric functions．

Missile－Borne Computer；LabWindws／CVI Platform；Test；Serial Communication；Multithreading；Design

10．3969／j．issn．1002－2279．2015．04．020

TP392

A

1002－2279（2015）04－0077－04

李暉（1984－），男，陜西省咸陽(yáng)市人，碩士研究生，工程師，主研方向：計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制。

2015－01－09