某型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

歐陽寰,王超勇,韓兆福,黎子芬

(海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

某型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)檢測儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

歐陽寰,王超勇,韓兆福,黎子芬

(海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

為解決某型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)檢測儀檢測技術(shù)老舊且故障頻發(fā)，不能滿足作戰(zhàn)和訓(xùn)練要求的問題，設(shè)計(jì)了一種新型的檢測儀；基于該型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的功能結(jié)構(gòu)和維護(hù)保障規(guī)程，首先分析了該型計(jì)算機(jī)檢測儀的功能需求；然后提出了基于Compact RIO平臺和觸摸屏式計(jì)算機(jī)的檢測儀總體結(jié)構(gòu)；最后設(shè)計(jì)了檢測儀的硬件結(jié)構(gòu)和匹配的軟件設(shè)計(jì)思路；檢測儀的硬件主要包括4個(gè)模塊：控制模塊、測量模塊、顯示模塊和電源模塊；軟件實(shí)現(xiàn)采用LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，設(shè)計(jì)過程分成開發(fā)模式和運(yùn)行模式兩階段;該檢測儀能夠?qū)ξ淦骺刂葡到y(tǒng)中機(jī)載計(jì)算機(jī)的輸入輸出信號進(jìn)行精確測量和分析，技術(shù)先進(jìn)，且顯示直觀，能較好地提高維修保障效率。

武器控制系統(tǒng)；計(jì)算機(jī)檢測儀； Compact RIO平臺

0 引言

某型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)的機(jī)載計(jì)算機(jī)是機(jī)載武器的控制核心，對全機(jī)武器系統(tǒng)工作的可靠性起著重要作用。其主要功能是按照準(zhǔn)備和發(fā)射(投放)武器彈丸的各種方式程序?qū)Ω鳈C(jī)載武器彈丸實(shí)施邏輯運(yùn)算控制。在機(jī)載計(jì)算機(jī)內(nèi)，以程序方式完成對武器控制系統(tǒng)各部件的控制，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)與空對地火控系統(tǒng)、空對空火控系統(tǒng)的信息交換。該裝備為引俄裝備，原有的檢測儀技術(shù)老舊且故障頻發(fā)，不能滿足保障該型飛機(jī)遂行各種作戰(zhàn)和訓(xùn)練任務(wù)的要求，因此急需設(shè)計(jì)采用新技術(shù)且能夠完成武器控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)檢測功能的檢查儀。

1 機(jī)載計(jì)算機(jī)功能結(jié)構(gòu)

武器控制系統(tǒng)機(jī)載計(jì)算機(jī)由1個(gè)中央處理器模塊、1個(gè)一次性指令模塊、3個(gè)串行交換模塊、2個(gè)擴(kuò)展槽和供電系統(tǒng)等模塊構(gòu)成，機(jī)載計(jì)算機(jī)的所有模塊通過系統(tǒng)總線相連。

各外部接口通過機(jī)載計(jì)算機(jī)的整體連接器與相應(yīng)交換模塊連接。系統(tǒng)總線線路配置在機(jī)載計(jì)算機(jī)的配線板上，其功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 機(jī)載計(jì)算機(jī)功能結(jié)構(gòu)框圖

機(jī)載計(jì)算機(jī)各模塊間的信息交換是通過系統(tǒng)總線實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)總線是地址和數(shù)據(jù)線分開的、異步的。數(shù)據(jù)位數(shù)為32。最大傳輸能力為40 MB/s。系統(tǒng)總線地址區(qū)總?cè)萘繛?6 MB。機(jī)載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)總線無仲裁[1]。

2 計(jì)算機(jī)檢測儀功能分析

該型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)機(jī)載計(jì)算機(jī)檢查儀主要用于設(shè)備故障或定檢時(shí)對武器控制系統(tǒng)中機(jī)載計(jì)算機(jī)的輸入輸出信號進(jìn)行測試和校驗(yàn)，在分析其維護(hù)規(guī)程的基礎(chǔ)上，機(jī)載計(jì)算機(jī)檢測儀需要完成如下功能：

1)為機(jī)載計(jì)算機(jī)提供交流115 V/400 Hz和直流27 V電源，保證機(jī)載計(jì)算機(jī)的正常上電啟動和工作的功耗需要；

2)模擬機(jī)載計(jì)算機(jī)的總線負(fù)載，實(shí)時(shí)采集、顯示武器控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的總線信號，并判斷信號輸出通道數(shù)據(jù)通訊的正確性；

3)實(shí)時(shí)采集、顯示機(jī)載計(jì)算機(jī)的27 V模擬量電壓信號，并判斷給出輸入輸出線的切斷電阻和接通電流的超差結(jié)果；

4)實(shí)時(shí)采集、顯示機(jī)載計(jì)算機(jī)的一次性指令信號，并判斷給出一次性指令輸入線、輸出線在有無指令時(shí)的供電電壓、切斷電阻和負(fù)載電流的超差結(jié)果；

5)實(shí)時(shí)采集、顯示機(jī)載計(jì)算機(jī)的“故障”輸出線信號、 “擴(kuò)展檢查”輸入線和 “有檢測設(shè)備的自檢”線路，并判斷給出在有無信號時(shí)的供電電壓、切斷電阻和負(fù)載電流的超差結(jié)果；

6)提供檢測數(shù)據(jù)的回放、保存、查詢功能。

3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

武器控制系統(tǒng)機(jī)載計(jì)算機(jī)檢查儀是一個(gè)基于Compact RIO平臺[2]和觸摸屏式計(jì)算機(jī)TPC[3]的測量系統(tǒng)，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，兩者通過網(wǎng)線連接構(gòu)成對等的局域網(wǎng)，主要包括硬件和應(yīng)用軟件兩部分。

圖2 武器控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)檢查儀總體結(jié)構(gòu)

其中，運(yùn)行時(shí)的硬件主要包括Compact RIO系統(tǒng)平臺、觸摸屏式計(jì)算機(jī)、顯示控制面板和傳感器等，開發(fā)階段的硬件還有開發(fā)機(jī)。應(yīng)用軟件包括測量應(yīng)用軟件和顯示應(yīng)用軟件兩部分，都是在開發(fā)機(jī)上編程實(shí)現(xiàn)，測量應(yīng)用軟件下載在嵌入式控制器中，顯示應(yīng)用軟件下載在觸摸屏式計(jì)算機(jī)中。所有的顯示和操作都是通過觸摸屏式計(jì)算機(jī)的觸摸屏進(jìn)行的。

4 硬件設(shè)計(jì)

4.1 硬件設(shè)計(jì)原則

根據(jù)使用方的要求，采用新技術(shù)的基礎(chǔ)上，在硬件設(shè)計(jì)上主要依據(jù)下面三條原則：1)能夠完成維護(hù)規(guī)程要求的所有功能，基本不改變操作方法；2)改變面板顯示方法，用液晶顯示屏顯示ARINC429、多路交換、一次性指令、二次電源及設(shè)備良好的檢測信息；3)不改變安裝架、電纜及連接關(guān)系。

4.2 技術(shù)難點(diǎn)

4.2.1 開關(guān)量控制

由于原開關(guān)量信號中有直流27 V、交流115 V兩種，另外信號是多路的，要求開關(guān)量控制模塊有不同的耐壓值。

通過比較分析，直流27 V開關(guān)量控制將采用NI 9485，該模塊屬于固態(tài)繼電器，耐壓值為直流60 V。原檢測設(shè)備中需要13路27 V開關(guān)量，而9485只有8路并行開關(guān)，所以在設(shè)計(jì)中采用了2塊NI 9485控制直流27 V開關(guān)量。

交流115 V開關(guān)量控制采用NI 9481，該模塊屬于電磁型繼電器，耐壓值為250 V。原檢測設(shè)備中需要10路交流115 V開關(guān)量，而9481只有4路并行開關(guān)，所以在設(shè)計(jì)中采用了3塊NI 9485控制交流115 V開關(guān)量。

4.2.2 被測信號測量

對于被測信號的采集測量將采用9403 IO模塊。9403屬于TTL電平數(shù)字信號采集器，如果要對直流27 V、交流400 Hz 115 V、交流400 Hz 36 V被測量進(jìn)行采集，就需要將這些被測量進(jìn)行信號調(diào)理、隔離，以滿足數(shù)字IO接口要求以及設(shè)備的安全需求。圖3為交流信號調(diào)理電路，而直流信號調(diào)理電路在此基礎(chǔ)上僅去掉整流濾波。

圖3 交流信號調(diào)理電路

4.3 硬件組成

武器控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)檢查儀的硬件主要由控制模塊、測量模塊、顯示模塊和電源模塊等4部分組成，如圖4所示。

圖4 武器控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)檢查儀的硬件組成框圖

檢查儀可同時(shí)對數(shù)字量通道、開關(guān)量通道和模擬量通道進(jìn)行檢測。其中控制模塊包括嵌入式控制器、嵌入式機(jī)箱、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊和觸摸屏的觸摸；測量模塊包括電流傳感器和采集模塊；顯示模塊包括觸摸屏式計(jì)算機(jī)；電源模塊包括直流轉(zhuǎn)換模塊。控制模塊和測量模塊構(gòu)成檢查儀的核心部分。

5 軟件設(shè)計(jì)

硬件平臺的選擇決定了軟件開發(fā)平臺的選擇，Compact RIO的硬件平臺只能采用NI的配套軟件進(jìn)行匹配開發(fā)設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)決定了應(yīng)用軟件的架構(gòu)形式，檢查儀的雙計(jì)算機(jī)架構(gòu)需要兩個(gè)應(yīng)用軟件的開發(fā)和支持。

5.1 軟件開發(fā)平臺的選擇

針對不同的硬件，需要相應(yīng)的軟件模塊進(jìn)行開發(fā)，檢查儀的軟件開發(fā)平臺主要包括LabVIEW開發(fā)系統(tǒng)、LabVIEW RT開發(fā)環(huán)境、LabVIEW FPGA開發(fā)環(huán)境和LabVIEW觸摸屏模塊。使用LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，可在同一個(gè)環(huán)境中編寫人機(jī)界面(HMI)和可編程自動化控制器(PAC)，這樣可將開發(fā)成本降到最小[4]。

5.2 軟件開發(fā)總體思路

由于硬件系統(tǒng)主要包括Compact RIO和觸摸屏式計(jì)算機(jī)TPC兩部分，組成一個(gè)對等的局域網(wǎng)，兩者分別包含各自的應(yīng)用軟件。根據(jù)檢查儀研制的不同階段，軟件可分為開發(fā)模式階段和運(yùn)行模式階段，具體形態(tài)如圖5所示，兩者的區(qū)別是開發(fā)模式依賴于開發(fā)機(jī)，而運(yùn)行模式脫離于開發(fā)機(jī)。

圖5 檢查儀開發(fā)模式與運(yùn)行模式

開發(fā)模式是指在檢查儀硬件尚未集成時(shí)所進(jìn)行的軟件開發(fā)或硬件集成后所進(jìn)行的軟件調(diào)試、修改維護(hù)。在檢查儀硬件尚未集成時(shí)，提前進(jìn)行軟件框架設(shè)計(jì)，開展相關(guān)技術(shù)演練(人機(jī)界面、數(shù)據(jù)采集、輸出控制、TCP/IP雙機(jī)通信、數(shù)據(jù)模擬、客戶端和服務(wù)器設(shè)置等)和技術(shù)難點(diǎn)(檢查儀的狀態(tài)控制等)的攻關(guān)；硬件集成后，針對調(diào)試中出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行相應(yīng)的軟件修改和技術(shù)改進(jìn)。開發(fā)機(jī)分時(shí)模擬Compact RIO(觸摸屏式計(jì)算機(jī)TPC)軟件與觸摸屏式計(jì)算機(jī)TPC(Compact RIO)進(jìn)行通信。

運(yùn)行模式是指檢查儀研制最終的形態(tài)，Compact RIO和觸摸屏式計(jì)算機(jī)TPC可采用交叉網(wǎng)線對等連接，工作于雙機(jī)協(xié)調(diào)模式。

實(shí)際的檢查儀包括Compact RIO嵌入式系統(tǒng)和觸摸屏式計(jì)算機(jī)，兩者之間可采用交叉網(wǎng)線連接進(jìn)行TCP/IP通信，即前面板無需留有網(wǎng)線接口。開發(fā)時(shí)，開發(fā)機(jī)需要與這兩者連接進(jìn)行多次的修改完善，一旦硬件完成后，帶來了一定程度的不方便，為此增加一塊集線器Hub，在前面板留有與開發(fā)機(jī)相連的網(wǎng)線接口，避免了拆卸硬件的麻煩，同時(shí)不影響運(yùn)行時(shí)的通信。

5.3 測試軟件流程設(shè)計(jì)

自動測試設(shè)備軟件，是基于NI公司的編程環(huán)境LabView-2010。該軟件屬于G語言，其特點(diǎn)是：圖形化編程、條理清晰、結(jié)構(gòu)明了，打包發(fā)布后可形成實(shí)時(shí)運(yùn)行庫，脫離Lab View環(huán)境運(yùn)行，方便用戶的使用與升級。

利用LabView2010對NI cDAQ9178進(jìn)行編程，硬件機(jī)箱的驅(qū)動主要基于NI公司的MAX軟件，利用MAX軟件完成配置NI cDAQ9178及其內(nèi)部所插板卡后，就可以調(diào)用相應(yīng)驅(qū)動程序進(jìn)行相應(yīng)數(shù)據(jù)采集與開關(guān)控制，測試軟件工作流程如圖6所示。

圖6 測試軟件流程圖

依據(jù)檢測維護(hù)規(guī)程，將每一步的操作步驟以表格形式存放。自動測試開始并同時(shí)計(jì)數(shù)，并依此查詢所要輸出的控制量。電源組件接收到控制信號量，因其內(nèi)部編碼將延遲一段時(shí)間才能有輸出，所以軟件中必須有等待時(shí)間，當(dāng)達(dá)到規(guī)定等待時(shí)間后，利用9403對被采集的IO量進(jìn)行采樣并存儲。

判斷檢測步驟到達(dá)最后一步，將所有的采樣與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，從而形成一個(gè)檢測報(bào)告，以文件形式存儲至硬盤中，以供用戶查閱。最后，將原來系統(tǒng)占有的硬件資源釋放，準(zhǔn)備下一次的自動測試任務(wù)。

6 結(jié)束語

該型飛機(jī)機(jī)載計(jì)算機(jī)檢測儀的設(shè)計(jì)，難點(diǎn)是如何精確測量和分析各種輸入的信號。檢測儀的成功設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)能夠彌補(bǔ)實(shí)際維護(hù)工作檢測儀顯示不直觀、使用數(shù)量不夠的矛盾。在技術(shù)、使用等方面比較好的適合飛機(jī)維護(hù)人員的使用習(xí)慣，為后續(xù)同類型的檢測設(shè)備的研仿提供了有益的技術(shù)支持。

[1] 楊建新，葛銀茂，等. 基于Compact RIO的綜合魚雷模擬器設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制，2009，17(9)：1780-1782.

[2] 李小魁，王忠勇. 基于嵌入式操作系統(tǒng)平臺下的觸摸屏驅(qū)動程序的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)[J]. 計(jì)算機(jī)與數(shù)字工程，2009，37(4)：73-76.

[3] 譚延軍,聶友偉. 基于LabVIEW 平臺的虛擬儀器編程[J]. 微處理機(jī)，2013，6：76-78.

[4] 李 斌，馬 一. 基于Compact RIO的多路信號采集及處理平臺設(shè)計(jì)[J]. 艦船電子工程， 2013，33(5)：110-111，125.

Design and Realization of a Computer Detecting Instrument for Weapon Control System of a Certain Type of Aircraft

Ouyang Huan, Wang Chaoyong, Han Zhaofu, Li Zifen

(Qingdao Campus， Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao 266041,China)

A new computer detecting instrument is designed for the weapon control system of a certain type of aircraft, because the old one cannot meet the operational and training needs. The detection technology inside the old one is obsolete, and frequent failures are common. Firstly, the functional requirement of the detector is analyzed based on the functional configuration of the computer and the maintenance regulations for it. Secondly, the overall structure is proposed which is based on Compact RIO platform and touch screen computer. Lastly, the hardware structure and the matching software of the detector are designed. The hardware mainly includes four modules: the control module, the measuring module, the display module and the power-supply module. The tool for software development is LabVIEW. The design process is divided into two phases: the development model and the running model. The detector can accurately measure and analyses the input and output signals of the computer. The detection technology inside it is advanced and results are displayed more directly. The detector can better improve the efficiency of repair guarantee.

weapon control system; computer detecting instrument; Compact RIO platform

2016-07-04；

2016-07-31。

歐陽寰(1970-)，男，江西彭澤人，碩士，副教授，主要從事航空火控專業(yè)教學(xué)科研及計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)計(jì)。

1671-4598(2016)12-0103-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.12.029

TP302.1

A