基于VPX總線的潛射導彈綜合電氣系統(tǒng)集成化設計

馬瑞萍，劉丙杰，楊繼鋒

(1.海軍裝備研究院，北京 100086; 2.海軍潛艇學院，山東 青島 266119)

基于VPX總線的潛射導彈綜合電氣系統(tǒng)集成化設計

馬瑞萍1，劉丙杰2，楊繼鋒2

(1.海軍裝備研究院，北京 100086; 2.海軍潛艇學院，山東 青島 266119)

針對當前型號裝備存在的帶寬不足、體積龐大、信息共享程度不高、硬件標準化程度不高等問題，提出了潛射導彈測控系統(tǒng)集成化設計使用需求、維修保障需求、環(huán)境對系統(tǒng)的需求、信息采集與共享需求，對VPX總線與PXI、VXI、LXI總線的可選擇性、速度、集成度、體積、精度、電磁屏蔽等性能進行了對比，提出了潛射導彈地面綜合電氣系統(tǒng)集成化設計方案，該方案包括指揮控制中心、中間控制系統(tǒng)和執(zhí)行部分三層網(wǎng)絡結(jié)構；針對潛射導彈測試控制信號，提出了基于VPX總線的測控系統(tǒng)設計方案，并分析了主要組成及其功能;通過對此方案的驗證試驗及分析可知，潛射導彈綜合電氣系統(tǒng)采用VPX總線設備可實現(xiàn)集成化、小型化，滿足部隊使用與維修保障需求。

潛射導彈;VPX總線；綜合電氣系統(tǒng)

0 引言

隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的迅速發(fā)展，現(xiàn)代信息戰(zhàn)對潛射導彈地面綜合電氣系統(tǒng)的信息化水平、維修保障能力提出了很高的要求。

潛射導彈地面綜合電氣系統(tǒng)是武器系統(tǒng)測試、發(fā)射的核心部分。由于潛艇內(nèi)部空間小、環(huán)境惡劣、維修保障困難，這就對地面綜合電氣系統(tǒng)的可靠性、維修性提出了很高的要求。當前，導彈地面電氣系統(tǒng)采用了VXI總線、PXI總線、LXI等總線設備，包括測控系統(tǒng)、指揮控制系統(tǒng)、瞄準系統(tǒng)等，大大提高了裝備的模塊化、集成化水平。但是存在帶寬不足、體積龐大、信息共享程度不高、硬件標準化程度不高等問題。

新型潛射導彈地面綜合電氣系統(tǒng)在設計中要充分考慮潛射武器需求及技術成熟度水平。為此，本文提出基于VPX總線的潛射導彈測控系統(tǒng)集成化設計方案。

1 潛射導彈測控系統(tǒng)集成化設計需求

以往型號導彈武器在使用中存在的裝備類型多、型號多、接口多的問題，給用戶的使用保障帶來很大困難。針對此問題，提出潛射導彈測控系統(tǒng)集成化設計需求。

1.1 使用需求

根據(jù)當前潛射導彈在部隊使用中存在的問題，對新型潛射導彈測控系統(tǒng)的使用需求主要有：

1)裝備操作便捷，要求不高。

提高裝備自動化程度，減少人員操作內(nèi)容，且操作簡單、便捷，操作內(nèi)容對人員的技術水平、熟練程度要求不高。

2)界面顯示內(nèi)容要符合部隊使用要求。

界面顯示內(nèi)容要容易理解，與導彈發(fā)射無關的顯示內(nèi)容、與基層級維修無關的顯示內(nèi)容應取消，增加裝備狀態(tài)信息，為操作人員提供裝備總體狀態(tài)信息。裝備界面色彩搭配合理，界面布局結(jié)構要清晰。

3)關鍵操作具備防誤操作功能。

為了防止在心理緊張、長期水下航行等特殊情況下的關鍵誤操作情況發(fā)生，應設置導彈發(fā)射、均衡等關鍵誤操作預防功能，提高武器系統(tǒng)的安全性。

4)裝備具有訓練模式，實現(xiàn)裝備作戰(zhàn)、訓練一體化。

所有裝備應具有作戰(zhàn)、訓練等多種模式，提供等效外部條件和模擬訓練環(huán)境，為部隊海上訓練提供保障條件。

5)裝備體積盡量小，適應潛艇空間要求。

1.2 維修保障需求

1)裝備具備故障診斷功能。

裝備應具備板卡級故障診斷功能，為部隊維修設備提供維修建議；故障診斷范圍盡可能大。

2)裝備拆卸方便。

裝備的可拆卸性決定了裝備的維修性和保障性。裝備在設計之初就應考慮可拆卸問題，裝備的可拆卸范圍應充分考慮潛艇的空間、基層級維修要求等問題。

3)提高裝備的模塊化、標準化水平。

裝備(模塊)型號、類型盡可能少，裝備接口類型、型號盡可能減少，部件盡可能采用標準化 、模塊化水平，提高裝備的互換性和維修性。

4)盡量采用總線通信方式，減少電纜數(shù)量。

當前裝備的電纜數(shù)量、種類非常多，給部隊的使用和維護保障帶來很大影響。新型潛射導彈應盡量采用以太網(wǎng)、串口、無線等總線通信方式，減少電纜數(shù)量總類。

1.3 環(huán)境對系統(tǒng)的需求

潛艇空間狹小，環(huán)境惡劣，對裝備的小型化和環(huán)境適應能力提出很高的要求。潛射導彈測控系統(tǒng)要求在滿足裝備操作維護的前提下，盡量小型化設計，并且滿足防潮、防鹽霧、防震動等要求。

1.4 信息采集與共享需求

由于以往相似型號武器信息共享不充分，不及時，導致大量工作重復進行，嚴重影響了裝備的戰(zhàn)備完好性。新型潛射導彈要求所有裝備測試信息、環(huán)境信息、操作信息、裝備狀態(tài)信息、維修保障信息實現(xiàn)實時采集，并能以一定的方式實現(xiàn)共享，及時掌握裝備狀態(tài)，并對同型號武器裝備提供數(shù)據(jù)參考。

2 VPX總線及總線對比

目前測控總線主要包括PXI、VXI、LXI，各類總線性能比較如表1所示。

表1 總線性能比較表

通過上述分析，可以發(fā)現(xiàn)VPX總線在速度、集成度、精度、電磁屏蔽、兼容性、互換性等方面有較大的優(yōu)勢，所以本文選擇VPX總線作為新型潛射導彈測控系統(tǒng)的基本總線。

VPX總線在眾多文獻中都有介紹，本文僅介紹與潛射導彈地面綜合電氣系統(tǒng)集成化設計的相關內(nèi)容。

VPX(VITA 46)總線采用高速串行總線替代并行總線是其最主要變化。VPX支持RapidIO、PCIE和Advanced Switching Inter connect等現(xiàn)代的工業(yè)標準的串行交換結(jié)構，來支持更高的背板帶寬。這些高速串行交換可以提供每個差分對250 MB/s的數(shù)據(jù)傳輸率，1個信道最高1 GB/s的理論速率。VPX的核心交換提供32個差分對，組成4×4的信道端口，每個信道都是雙向的。VPX總線的理論合計帶寬為8 GB/sec[3-4]。

OPENVPX標準是在VPX的基礎上定義的系統(tǒng)級兼容框架，OPENVPX是系統(tǒng)級標準，而VPX是板級標準[3]。OPENVPX并不能替代VPX，兩者互為補充，二者使VPX模塊兼容性更好，系統(tǒng)集成時，可以不再依賴某一具體廠家，系統(tǒng)集成更加容易。

3 基于VPX總線的潛射導彈地面綜合電氣系統(tǒng)集成化設計

3.1 地面綜合電氣系統(tǒng)集成化設計

地面綜合電氣系統(tǒng)主要功能是實現(xiàn)多枚導彈的測試、保障、發(fā)射準備和發(fā)射。與陸基導彈、艦載導彈不同之處在于，潛射導彈發(fā)射的所有準備工作都是在水下進行，而且需要實現(xiàn)多枚導彈的齊射，這就需要充分考慮水下環(huán)境和水下發(fā)射保障問題。據(jù)此，潛射導彈地面綜合電氣系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 綜合電氣系統(tǒng)集成化結(jié)構圖

系統(tǒng)分為三層，第一層為指揮控制中心，主要由計算機系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集設備組成，主要實現(xiàn)導彈發(fā)射控制的關鍵階段及關鍵流程的指揮和控制，并匯總搜集導彈及其他設備的狀態(tài)。

第二層為中間控制系統(tǒng)，由大型服務器組成，完成接收指揮控制中心指令，向指揮控制中心傳輸數(shù)據(jù)，發(fā)送測試、發(fā)射筒控制指令，計算彈道參數(shù)，接收導彈測試數(shù)據(jù)，預測導彈裝備狀態(tài)及故障診斷等功能。中間控制系統(tǒng)采用集成優(yōu)化設計方案，將以往的分布式計算機及相關部件集成為一個大型服務器，大大減小設備體積，利于操作和維護保養(yǎng)。大型服務器內(nèi)置測試軟件、數(shù)據(jù)處理軟件、控制軟件、彈道計算軟件、輔助決策軟件等。

第三層為執(zhí)行部分，包括基于VPX的測控部分和發(fā)射筒控制部分。測控部分主要與彈上系統(tǒng)相連，完成導彈的測試、發(fā)射和控制任務，發(fā)射筒控制部分主要完成發(fā)射筒的均壓、閥件控制等功能。

3.2 基于VPX總線的測控系統(tǒng)設計

3.2.1 硬件設計

測控系統(tǒng)主要完成導彈控制系統(tǒng)、伺服機構、發(fā)動機等分系統(tǒng)的測試和控制任務。主要測試、控制信號包括：直流電壓、交流電壓、電流、頻率、時序信號、數(shù)字信號等。被測信號如表2所示。

表2 被測信號及控制信號信息

根據(jù)潛射導彈測控系統(tǒng)設計需求，提出如圖2所示的測控系統(tǒng)硬件設計結(jié)構圖：

圖2 基于VPX總線的測控系統(tǒng)原理圖

VPX系統(tǒng)由VPX機箱、主控板、功能板組成。VPX機箱符合(VITA 46)規(guī)范，主要搭載主控板、RapidIO板、數(shù)字IO板、以太網(wǎng)總線等總線通信背板。VPX 背板上的連接器為全互連的結(jié)構。機箱中有2個獨立的電源模塊，機箱采用風冷散熱。

主控板卡由兩片F(xiàn)PGA和一片通用雙核處理器PowerPC組成。板卡上設置4個FMC 接口, 分別安裝了測頻模塊、AD數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)字IO模塊、繼電器模塊。這些模塊通過導彈的彈測接口與導彈連接，對導彈各個分系統(tǒng)進行測試、控制，并將測試數(shù)據(jù)送入FPGA，F(xiàn)PGA對測試數(shù)據(jù)進行處理、判斷、存儲。在FPGA與PowerPC以及VPX的P1口之間使用RapidIO交換機確保芯片間和模塊間10Gbps的數(shù)據(jù)傳輸[5]。為了系統(tǒng)的靈活性，減少系統(tǒng)接口電纜，F(xiàn)PGA卡使用工業(yè)以太網(wǎng)接口，提高系統(tǒng)維修性。

測控系統(tǒng)的信息處理系統(tǒng)由功能板卡完成，該板卡包含4塊PowerPC模塊以及各接口開關。該板卡通過RapidIO口與FPGA板卡互聯(lián)，接收各個模塊的原始測試數(shù)據(jù)。在對數(shù)據(jù)進行綜合處理后，將導彈狀態(tài)信息傳輸至指揮控制中心。PowerPC板卡可以完成所有數(shù)據(jù)的處理。所有VPX總線測試信息都通過以太網(wǎng)傳輸至中間控制系統(tǒng)。

3.2.2 軟件設計

軟件包括發(fā)射流程軟件、系統(tǒng)測試軟件、彈道計算軟件、狀態(tài)監(jiān)控軟件等。所有軟件均安裝在大型服務器內(nèi)。發(fā)射流程軟件主要實現(xiàn)導彈發(fā)射流程的配電、技術準備、流程控制、點火等功能，發(fā)射流程軟件采用模塊化、容錯設計方案。系統(tǒng)測試軟件主要實現(xiàn)控制系統(tǒng)測試控制、測試數(shù)據(jù)分析、測試結(jié)果傳輸?shù)裙δ堋椀烙嬎丬浖饕瓿蓜踊鶙l件下的彈道參數(shù)計算。狀態(tài)監(jiān)控軟件主要完成導彈裝備的狀態(tài)監(jiān)控，并實時給出發(fā)射決策。

系統(tǒng)軟件的通用化要求不僅要考慮軟件的當前需求，還要考慮未來的軟件擴展需求，并靈活適應測試系統(tǒng)用戶不同的需求。

系統(tǒng)軟件采用通用的體系結(jié)構，滿足不同用戶需求。根據(jù)不同潛射導彈武器系統(tǒng)的需求，提出測試軟件體系結(jié)構分為四層：通信層、控制層、測試方法層和測試應用層，體系結(jié)構如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件通用體系結(jié)構

系統(tǒng)軟件一般包括設備驅(qū)動層和測試應用層。設備驅(qū)動層一般將測試軟件中與硬件相關的部分封裝成DLL動態(tài)庫或控件等通用模塊，用于控制硬件設備完成實際的測試。設備驅(qū)動層不能獨立運行，必須依靠測試應用層的調(diào)用。測試應用層包括用戶界面控制模塊、測試資源配置模塊、通信模塊、日志管理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等。用戶界面控制模塊是人機交互的窗口，負責控制指令的發(fā)送與狀態(tài)的監(jiān)視。測試資源配置模塊將測試數(shù)據(jù)與系統(tǒng)軟件進行分離，利用XML描述系統(tǒng)配置信息，軟件通過讀取XML文件，對不同的測試任務配置不同的測試資源。這樣可以通過更改XML配置文件來滿足不同測試需求，而無需對測試程序進行修改。通信模塊負責設備之間的通信。日志管理模塊用來記錄操作指令、設備狀態(tài)、信號交互等信息，以備日后分析查詢。數(shù)據(jù)處理模塊是對發(fā)送的數(shù)據(jù)根據(jù)既定協(xié)議填充偵結(jié)構，對接收的數(shù)據(jù)進行解析、保存和分析。上述功能模塊單獨開發(fā)，最終集成到整個軟件框架中，完成系統(tǒng)測試。

4 實驗驗證與分析

為了驗證上述設計方案，項目組組建了一套驗證試驗系統(tǒng)，VPX總線設備采用6U機箱，內(nèi)置AD采集模塊、繼電器控制模塊、數(shù)字IO模塊、CPU模塊等4塊功能模塊，服務器采用浪潮服務器，基本配置為：2顆XeonE5-2609，內(nèi)存8 G，硬盤1T*2，雙千兆網(wǎng)口；導彈采用自研導彈信息等效器模擬彈上信號，包括模擬信號、數(shù)字信號、頻率信號、時序信號燈。系統(tǒng)外部總線采用1 000 M工業(yè)以太網(wǎng)總線。內(nèi)部軟件包括中心控制軟件、測試軟件、彈道計算軟件等。測試、發(fā)射程序模擬當前型號武器系統(tǒng)基本功能。

對驗證系統(tǒng)同時對若干發(fā)導彈同時進行功能測試、速度測試、模塊匹配性測試，測試結(jié)果如表3所示。

表3 功能測試

表4 速度測試

表5 模塊匹配性測試

表6 體積與人員需求對比

從上述驗證系統(tǒng)試驗結(jié)果看，本文提出的基于VPX系統(tǒng)的集成化設計思路基本正確，技術實現(xiàn)也具有可行性，系統(tǒng)間信號匹配良好，測試速度非常高，系統(tǒng)體積也比當前型號體積大大減小，裝備操作人員數(shù)量也大大減少。

5 結(jié)束語

根據(jù)上述分析，一枚導彈的測試與控制只需兩塊板卡即可完成，一個8槽VPX機箱可同時完成4枚導彈的測試與控制，大大縮小了裝備體積，且數(shù)據(jù)傳輸速率、處理速度有了很大幅度的提高，由于VPX在制冷、可靠性等方面要求與VXI總線相近，完全可以滿足潛射導彈測控系統(tǒng)的設計要求。本文提出的驗證方案只是對若干發(fā)導彈進行的，且軟件模塊采用的是模擬軟件，與實際軟件有一定的差異，但是對系統(tǒng)驗證效果影響不大。

[1] 吉玉潔，張小林. VPX總線標準研究及其在無人機中的應用展望[J]. 計算機測量與控制，2012,20(4)：1112-1115.

[2] VPX：VMEbus for the 21 Century[DB/OL].htep://pdf, www.ge.com.

[3] 王 燕，曹子劍，水道雁. 基于VPX總線的高速數(shù)字電路測試系統(tǒng)研究及應用[J]. 計算機測量與控制，2016,24(1)：4-6.

[4] 蒙 佺. VPX抗惡劣環(huán)境通信計算平臺關鍵技術研究[J]. 測控技術，2012,31(10)：88-92.

[5] 鄭東衛(wèi),陳 矛,羅丁利. VPX總線的技術規(guī)范及應用[J]. 火控雷達技術，2009,38(4):73-77.

IntegratedDesignofComprehensiveElectricalSystemofSubmarine-LaunchedMissileBased-onVPXBus

MaRuiping1，LiuBingjie2，YangJifeng2

(1.NavyEquipmentInstitute,Beijing100086,China; 2.NavySubmarineAcademy,Qingdao266119,China)

To overcome lack of bandwidth，huge of volume, difficulty of information sharing, lack of standardization of current equipment, the paper proposed integrated design requirement of testing-controlling system of submarine-launched missile, including of using requirement, preparing requirement, environment requirement. The paper contrasted VPX bus with other buses, and proposed integrated design scheme of comprehensive electrical system and testing-controlling system based on VPX bus of submarine-launched missile. The integrated design conclude three network layers: command layer, middle layer and actuator layer. The paper proposed testing and controlling design scheme based on VPX bus, and analysis its functions. The validating experiment demonstrated that the proposed design scheme can implement integration and miniaturization and meet application and maintenanance requirements of army.

submarine-launched missile; VPX bus; comprehensive electrical system

2016-12-11；

2017-02-21。

馬瑞萍(1965-)，女，陜西蒲縣人，高級工程師，博士學位，主要從事導彈測控方向的研究。

1671-4598(2017)07-0132-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

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