便攜式通用發(fā)控系統(tǒng)性能測(cè)試裝置的研究*

韓小文，趙明，孫進(jìn)，冀祥

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

發(fā)控系統(tǒng)是地面武器系統(tǒng)發(fā)射車(chē)重要的組成部分，它主要負(fù)責(zé)完成導(dǎo)彈狀態(tài)檢測(cè)和發(fā)射控制，負(fù)責(zé)完成與上級(jí)控制系統(tǒng)信息交互，負(fù)責(zé)完成與發(fā)射車(chē)內(nèi)部控制系統(tǒng)信息交互，負(fù)責(zé)完成與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)信息交互。發(fā)控系統(tǒng)性能測(cè)試對(duì)于發(fā)射車(chē)起著至關(guān)重要的作用。

目前發(fā)控系統(tǒng)外圍接口涉及內(nèi)部控制系統(tǒng)、上級(jí)控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及導(dǎo)彈系統(tǒng)，主要信號(hào)特征為開(kāi)關(guān)數(shù)字量信號(hào)及通信信號(hào)，發(fā)控系統(tǒng)絕大部分性能指標(biāo)必須借助外圍實(shí)裝系統(tǒng)或若干模擬器完成測(cè)試驗(yàn)證；其次，調(diào)試系統(tǒng)過(guò)于龐大，不便于外場(chǎng)測(cè)試；另外，隨著項(xiàng)目增多，發(fā)控系統(tǒng)功能性能的多樣性，要求實(shí)現(xiàn)多種測(cè)試系統(tǒng)滿足測(cè)試不同發(fā)控系統(tǒng)需求。傳統(tǒng)的測(cè)試模式已經(jīng)無(wú)法滿足不同發(fā)控系統(tǒng)及其日益頻繁試驗(yàn)測(cè)試需求。因此研制了一套便攜式通用發(fā)控系統(tǒng)性能測(cè)試裝置尤為必要，該裝置可用于多型發(fā)控系統(tǒng)試驗(yàn)過(guò)程性能指標(biāo)測(cè)試驗(yàn)證，該裝置的應(yīng)用極大的降低研制多種模擬器的成本，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)目發(fā)控系統(tǒng)測(cè)試共用，提高系統(tǒng)性能指標(biāo)測(cè)試效率，同時(shí)可減少人力資源投入成本[1-6]。

1 方案總體設(shè)計(jì)

發(fā)控系統(tǒng)測(cè)試設(shè)備框圖如圖1所示。

梳理多型發(fā)控系統(tǒng)對(duì)外接口關(guān)系，配置資源最大化，便攜式通用發(fā)控系統(tǒng)性能測(cè)試裝置需具備如下功能：

(1) 具備模擬上級(jí)控制系統(tǒng)與發(fā)控系統(tǒng)電氣接口及信息接口功能；

(2) 具備模擬內(nèi)部控制系統(tǒng)與發(fā)控系統(tǒng)電氣接口及信息接口功能；

(3) 具備模擬監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與發(fā)控系統(tǒng)電氣接口及信息接口功能；

(4) 具備發(fā)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)分析處理功能；

(5) 具備模擬導(dǎo)彈故障功能。

發(fā)控系統(tǒng)對(duì)外接口信號(hào)特征如表1所示。根據(jù)測(cè)試裝置功能及發(fā)控系統(tǒng)對(duì)外接口信號(hào)特征分析，便攜式測(cè)試裝置包括便攜式工控機(jī)、故障模擬盒以及測(cè)試電纜3部分。便攜式工控機(jī)硬件包括便攜式計(jì)算機(jī)、CPU模塊、2塊數(shù)字量IO模塊、2塊RS422通訊模塊(一塊為同步卡，一塊為異步卡)、CAN通訊模塊，以太網(wǎng)接口；軟件包括上級(jí)控制模擬軟件、內(nèi)部控制模擬軟件、監(jiān)測(cè)軟件及數(shù)據(jù)分析軟件等。用于模擬上級(jí)控制系統(tǒng)、內(nèi)部控制系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，提供發(fā)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析，提供人機(jī)交互操作。故障模擬盒用于導(dǎo)彈信號(hào)測(cè)試轉(zhuǎn)接及故障模擬。測(cè)試電纜用于發(fā)控系統(tǒng)與便攜式測(cè)試裝置之間互聯(lián)以及發(fā)控系統(tǒng)故障隔離定位。便攜式測(cè)試裝置原理框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的設(shè)計(jì)理念。將測(cè)試裝置分成若干相互獨(dú)立的功能模塊，采用標(biāo)準(zhǔn)化部件從而最大程度地降低研制成本縮短研制周期，通用化的設(shè)計(jì)將實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置在多型號(hào)發(fā)控系統(tǒng)測(cè)試的應(yīng)用。

2.1 便攜式工控機(jī)

便攜式工控機(jī)采用便攜式嵌入式計(jì)算機(jī)，提供人機(jī)交互、標(biāo)準(zhǔn)PCI接口插槽以及網(wǎng)口等外圍接口。RS422通訊模塊、CAN通訊模塊與數(shù)字量IO模塊插于PCI插槽。便攜式工控機(jī)提供系統(tǒng)軟件運(yùn)行的硬件平臺(tái)。便攜式工控機(jī)主要參數(shù)如下：

(1) 便攜式機(jī)箱：采用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)便攜式機(jī)箱,15″液晶顯示。

(2) 電源模塊：輸入為交流220 V，50 Hz。

(3) CPU板：主處理器主頻大于2.0 GHz；提供兩路以太網(wǎng)接口；提供通用外圍設(shè)備接口。

(4) 底板:底板總線為PCI總線；PCI插槽數(shù)量6個(gè)。

2.2 PCI總線功能模塊設(shè)計(jì)

PCI總線功能模塊設(shè)計(jì)如下：

(1) 數(shù)字量I/O模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字量I/O模塊包括8路繼電器輸出和8路隔離數(shù)字量輸入。數(shù)字I/O模塊原理框圖如圖3所示，輸入模塊對(duì)信號(hào)進(jìn)行限流，然后經(jīng)光電耦合器隔離后進(jìn)行整形，進(jìn)入FPGA控制和處理電路，F(xiàn)PGA對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行處理、轉(zhuǎn)換并存儲(chǔ)，然后通過(guò)數(shù)據(jù)線和地址線送到PCI接口電路，控制計(jì)算機(jī)通過(guò)PCI接口來(lái)讀取輸入的數(shù)字信號(hào)。輸出模塊工作時(shí),數(shù)字信號(hào)經(jīng)PCI接口電路處理，進(jìn)入FPGA控制和處理電路，經(jīng)鎖存器送至光繼電器輸出[5-8]。

序號(hào)互聯(lián)系統(tǒng)接口類(lèi)型備注1上級(jí)控制系統(tǒng)以太網(wǎng)2路RS422(同步)2路CAN總線2路2內(nèi)部控制系統(tǒng)數(shù)字量輸入/輸出大于4路RS422(異步)4路CAN總線4路3監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)字量輸入/輸出大于4路RS422(異步)2路4導(dǎo)彈數(shù)字量輸入、輸出若干

(2) RS422通信接口板工作原理

RS422總線通訊模塊由PCI總線芯片、FPGA、光耦、DC-DC、驅(qū)動(dòng)電路等主要部分組成。功能接口部分采用光電耦合器HCPL2631實(shí)現(xiàn)通訊接口與計(jì)算機(jī)之間的隔離，驅(qū)動(dòng)電路采用MAXIN公司的MAX490E實(shí)現(xiàn)TLL電平與422電平轉(zhuǎn)換，通訊過(guò)程中并串轉(zhuǎn)換、串并轉(zhuǎn)換及HDLC協(xié)議的實(shí)現(xiàn)均是

在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)。RS422同步通訊模塊(原理如圖4所示)FPGA中控制程序?yàn)橥酱型ㄓ崊f(xié)議HDLC；RS422異步通訊模塊(原理如圖5所示)

FPGA中控制程序?yàn)楫惒酱型ㄓ崊f(xié)議UART[5-9]。

(3) CAN通信接口板工作原理

CAN總線通訊模塊由PCI總線芯片、CAN通信控制器SJA1000、光電隔離器、高性能CAN總線收發(fā)器82C250等主要部分組成。原理框圖如圖6所示。

2.3 故障模擬盒

故障模擬盒(如圖7所示)串接于發(fā)控系統(tǒng)的發(fā)射通道內(nèi)，用于模擬導(dǎo)彈故障信號(hào)，用于輔助發(fā)控系統(tǒng)特定信號(hào)檢測(cè)，同時(shí)可用于發(fā)控系統(tǒng)故障檢測(cè)、定位及隔離。故障模擬盒滿足如下要求：

(1) 雙態(tài)撥動(dòng)開(kāi)關(guān)：實(shí)現(xiàn)發(fā)控系統(tǒng)與導(dǎo)彈系統(tǒng)接口的所有線路的通斷控制。

(2) 檢測(cè)孔：用于電壓、電流及電阻參數(shù)的測(cè)量，還可以模擬線路短接情況。

(3) 線路線徑、線路屏蔽滿足發(fā)控系統(tǒng)性能測(cè)試要求，測(cè)試過(guò)程不影響發(fā)控系統(tǒng)性能。

(4) 小型化：體積小，質(zhì)量輕，便于外場(chǎng)攜帶。

(5) 實(shí)現(xiàn)發(fā)控系統(tǒng)與導(dǎo)彈模擬器之間直連互通，便于隔離外部故障。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試裝置通用化、靈活性及可擴(kuò)展性，軟件按照結(jié)構(gòu)化、層次化、模塊化進(jìn)行功能劃分。軟件總體框架包括系統(tǒng)測(cè)試軟件、編程語(yǔ)言環(huán)境、PCI模塊即插即用驅(qū)動(dòng)程序及PCI模塊支持的DLL庫(kù)函數(shù)部分，如圖8所示。針對(duì)不同發(fā)控系統(tǒng)，只需開(kāi)發(fā)應(yīng)用層系統(tǒng)測(cè)試軟件，底層驅(qū)動(dòng)均采用通用接口。系統(tǒng)測(cè)試軟件是測(cè)試裝置的核心。本文針對(duì)某型發(fā)控系統(tǒng)測(cè)試需求對(duì)系統(tǒng)測(cè)試軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)進(jìn)行舉例說(shuō)明，系統(tǒng)測(cè)試軟件分為上級(jí)控制模擬軟件、內(nèi)部控制模擬軟件、監(jiān)測(cè)軟件及數(shù)據(jù)分析軟件四部分。系統(tǒng)測(cè)試軟件均在WindowsXP操作系統(tǒng)下基于Microsoft Visual Studio平臺(tái)采用C/C++語(yǔ)言編寫(xiě)[10-15]。

3.1 上級(jí)控制模擬軟件設(shè)計(jì)

3.1.1 軟件功能

上級(jí)控制模擬軟件的主要功能有：

(1) 模擬上級(jí)控制命令處理功能：主要包括系統(tǒng)接入、加電/斷電、參數(shù)裝訂、發(fā)射、系統(tǒng)退出等命令。

(2) 實(shí)時(shí)交互信息顯示功能：實(shí)現(xiàn)發(fā)控系統(tǒng)與上級(jí)控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)按照約定協(xié)議文件進(jìn)行解析、顯示。

(3) 模擬上級(jí)控制故障功能：主要包括模擬上級(jí)控制系統(tǒng)通信鏈路故障以及其他無(wú)效命令等。

3.1.2 軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)軟件功能需求，軟件結(jié)構(gòu)劃分為通信數(shù)據(jù)處理模塊(RS422通信處理模塊、TCP/IP通信模塊及CAN通信模塊)、數(shù)據(jù)記錄模塊、命令處理模塊、故障信息模擬模塊及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息處理模塊等。

通信模塊用于將來(lái)自網(wǎng)口或RS422同步通訊口、CAN通訊接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行接收和拆包，同時(shí)用于上級(jí)控制端模擬數(shù)據(jù)打包和發(fā)送至網(wǎng)口、RS422同步通訊口或CAN通訊接口。數(shù)據(jù)記錄模塊用于將接收及發(fā)送的原始數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)記錄文件。命令處理模塊用于將接收到的報(bào)文進(jìn)行解析處理以及形成上級(jí)控制命令報(bào)文。

3.2 內(nèi)部控制模擬軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 軟件功能

內(nèi)部控制模擬軟件的主要功能有：

(1) 模擬內(nèi)部控制命令處理功能：主要包括子系統(tǒng)接入、設(shè)備測(cè)試、參數(shù)裝訂、調(diào)轉(zhuǎn)測(cè)試、子系統(tǒng)斷開(kāi)等命令。

(2) 實(shí)時(shí)交互信息顯示功能：實(shí)現(xiàn)內(nèi)部控制系統(tǒng)與發(fā)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)交互數(shù)據(jù)按照約定協(xié)議文件進(jìn)行解析、顯示。

(3) 模擬內(nèi)部控制故障功能：主要包括模擬內(nèi)部控制系統(tǒng)故障以及其他無(wú)效命令等。

3.2.2 軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)軟件功能需求，軟件結(jié)構(gòu)劃分為RS422通信數(shù)據(jù)處理模塊、CAN通信模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、命令處理模塊、故障信息模擬模塊及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息處理模塊等。

通信數(shù)據(jù)處理模塊用于處理RS422異步通訊口、CAN通訊接口的數(shù)據(jù)接收和拆包以及數(shù)據(jù)打包和發(fā)送。數(shù)據(jù)記錄模塊用于將接收及發(fā)送的原始數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)記錄文件。命令處理模塊用于將接收到的報(bào)文進(jìn)行解析處理以及形成內(nèi)部控制命令報(bào)文。故障信息模擬模塊用于模擬設(shè)置內(nèi)部控制系統(tǒng)正常、故障狀態(tài)信息。

3.3 監(jiān)測(cè)軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 軟件功能

監(jiān)測(cè)軟件的主要功能有：

(1) 控制命令處理功能：主要包括系統(tǒng)接入、監(jiān)測(cè)控制、遠(yuǎn)程加電/斷電、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)獲取功能及參數(shù)報(bào)表生成等命令。

(2) 實(shí)時(shí)交互信息顯示功能：實(shí)現(xiàn)發(fā)射車(chē)內(nèi)部控制系統(tǒng)、發(fā)控系統(tǒng)及導(dǎo)彈狀態(tài)信息監(jiān)測(cè)顯示。

3.3.2 軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)軟件功能需求，軟件結(jié)構(gòu)劃分為RS422通信數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)記錄模塊、命令處理模塊、激活曲線生成模塊、參數(shù)報(bào)表生成模塊及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息處理模塊等。

通信數(shù)據(jù)處理模塊用于處理RS422異步通訊口的數(shù)據(jù)接收和拆包以及數(shù)據(jù)打包和發(fā)送。數(shù)據(jù)記錄模塊用于將接收及發(fā)送的原始數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)記錄文件。命令處理模塊實(shí)現(xiàn)將接收到的報(bào)文進(jìn)行解析處理以及形成控制命令報(bào)文。激活曲線生產(chǎn)模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)射過(guò)程激活時(shí)序曲線的繪制。參數(shù)報(bào)表生成模塊實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)解析及結(jié)果報(bào)告生成。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息處理模塊實(shí)現(xiàn)發(fā)射車(chē)內(nèi)部控制系統(tǒng)、發(fā)控系統(tǒng)狀態(tài)信息、導(dǎo)彈狀態(tài)信息等實(shí)時(shí)顯示。

3.4 數(shù)據(jù)分析軟件設(shè)計(jì)

3.4.1 軟件功能

數(shù)據(jù)處理軟件的主要功能有：

(1) 數(shù)據(jù)文件上傳下載。數(shù)據(jù)文件上傳下載用于用于獲取發(fā)控系統(tǒng)所記錄存放的數(shù)據(jù)文件。本軟件通過(guò)UDP通信方式與發(fā)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件上傳下載。

(2) 數(shù)據(jù)文件解析。數(shù)據(jù)文件解析即將獲取的數(shù)據(jù)文件(與上級(jí)通信數(shù)據(jù)、內(nèi)部通信數(shù)據(jù)、導(dǎo)彈通信數(shù)據(jù)、操作記錄數(shù)據(jù)以及發(fā)射相關(guān)數(shù)據(jù)等)進(jìn)行加載、讀取，然后按照約定協(xié)議文件進(jìn)行解析。

(3) 解析信息顯示。解析信息顯示功能即將(2)中解析得到的信息顯示在界面信息對(duì)話框中。

(4) 關(guān)鍵參數(shù)生成報(bào)告，主要用于將試驗(yàn)關(guān)鍵參數(shù)利用Word自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告。

(5) 繪制發(fā)射時(shí)序曲線，主要繪制導(dǎo)彈發(fā)射過(guò)程時(shí)序曲線。

3.4.2 軟件結(jié)構(gòu)

根據(jù)軟件功能需求，軟件結(jié)構(gòu)劃分為FTP模塊、文件操作模塊、數(shù)據(jù)解析組包模塊、界面管理模塊、參數(shù)生成報(bào)告模塊、繪圖模塊以及記錄數(shù)據(jù)解析模塊。

4 測(cè)試驗(yàn)證

便攜式通用發(fā)控系統(tǒng)性能測(cè)試裝置實(shí)現(xiàn)如圖9所示。便攜式通用發(fā)控系統(tǒng)性能測(cè)試裝置性能指標(biāo)驗(yàn)證主要通過(guò)與發(fā)控系統(tǒng)對(duì)接測(cè)試，按照測(cè)試規(guī)程來(lái)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。

便攜式通用發(fā)控系統(tǒng)性能測(cè)試裝置與發(fā)控系統(tǒng)按照測(cè)試互聯(lián)圖進(jìn)行線纜連接，加電測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如下：

(1) 電氣、機(jī)械接口

測(cè)試裝置與發(fā)控系統(tǒng)的電氣接口(供電信號(hào)、開(kāi)關(guān)量輸入輸出信號(hào)、通信信號(hào))滿足發(fā)控系統(tǒng)對(duì)外電氣接口要求。測(cè)試裝置與發(fā)控系統(tǒng)互聯(lián)機(jī)械接口匹配。

(2) 信息接口

測(cè)試裝置與發(fā)控系統(tǒng)通信正常， 通信協(xié)議滿足發(fā)控系統(tǒng)對(duì)外信息協(xié)議要求。測(cè)試裝置與發(fā)控系統(tǒng)信息接口匹配。

(3) 功能驗(yàn)證

上級(jí)控制模擬器：具備模擬上級(jí)控制命令發(fā)送功能，具備解析發(fā)控系統(tǒng)回報(bào)信息解析顯示功能；命令執(zhí)行過(guò)程以及信息顯示正確。

內(nèi)部控制模擬器：具備模擬內(nèi)部控制命令發(fā)送功能，具備解析發(fā)控系統(tǒng)回報(bào)信息解析顯示功能；命令執(zhí)行過(guò)程以及信息顯示正確。

監(jiān)測(cè)軟件：命令執(zhí)行過(guò)程及信息顯示與發(fā)控系統(tǒng)狀態(tài)信息一致。

測(cè)試結(jié)果信息通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行解析查看，與實(shí)際相吻合。結(jié)果如圖10所示。

(4) 故障模擬測(cè)試

軟件故障模擬：分別在上級(jí)控制模擬器及內(nèi)部控制模擬器軟件故障設(shè)置選項(xiàng)中設(shè)置相應(yīng)的故障，測(cè)試裝置與發(fā)控系統(tǒng)互聯(lián)加電，查看發(fā)控系統(tǒng)顯示信息中的故障提示信息，與預(yù)設(shè)置的故障信息一致。

硬件故障模擬：將故障模擬盒串接于發(fā)控系統(tǒng)任意一發(fā)射通道中，將所需測(cè)試故障點(diǎn)對(duì)應(yīng)的模擬開(kāi)關(guān)撥至“斷”狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試流程，上級(jí)控制模擬器及發(fā)控系統(tǒng)顯示相應(yīng)的故障信息，與預(yù)設(shè)故障信息一致。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的便攜式通用發(fā)控系統(tǒng)性能測(cè)試裝置經(jīng)過(guò)硬件、軟件調(diào)試以及與多型發(fā)控系統(tǒng)對(duì)接聯(lián)調(diào)測(cè)試，最終應(yīng)用于多型發(fā)控系統(tǒng)各項(xiàng)試驗(yàn)性能測(cè)試中。經(jīng)測(cè)試結(jié)果分析表明，該裝置滿足多型發(fā)控系統(tǒng)性能測(cè)試需求，同時(shí)滿足測(cè)試便攜式的要求，便于測(cè)試人員攜帶，方便于試驗(yàn)室環(huán)境及外場(chǎng)環(huán)境測(cè)試。該裝置的應(yīng)用極大地提高了發(fā)控系統(tǒng)各項(xiàng)試驗(yàn)測(cè)試效率，降低了人力成本。