某型飛機空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)檢測儀的軟件設(shè)計

韓兆福 王超勇 楊明緒

摘要：為解決某型飛機空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)在發(fā)射啟動階段無法檢測滿負載能力和紋波電壓的問題，本文設(shè)計了空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)檢測儀。采用實時嵌入式控制器、實時操作系統(tǒng)（realtime operating system，RTX）、變速率采樣及緩沖式傳輸?shù)燃夹g(shù)，實現(xiàn)了納秒級供電瞬間電壓和電流波形的還原及實時檢測，提高了檢測深度，縮小了故障定位范圍，實現(xiàn)了供電系統(tǒng)綜合檢測。使用結(jié)果表明，該檢測儀運行穩(wěn)定可靠、檢測準確度高、擴展性好，能有效提高部隊空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)維護保障能力。該設(shè)計可應(yīng)用于其他主戰(zhàn)機型空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)的原位檢測，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞：空艦導(dǎo)彈; 供電系統(tǒng); 檢測儀; 軟件設(shè)計

中圖分類號： V249; TJ762.2+4文獻標(biāo)識碼： A

文章編號： 10069798（2019）01011106; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.020

某型飛機空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)作為YJ××空艦導(dǎo)彈的大功率供電專用電源，對空艦導(dǎo)彈系統(tǒng)的可靠性起著重要作用。自該型飛機列裝以來，發(fā)生了多起與供電系統(tǒng)相關(guān)的故障，主要故障形式包括單枚導(dǎo)彈發(fā)射故障和滿負荷攻擊導(dǎo)彈發(fā)射故障兩種。由于該系統(tǒng)沒有故障監(jiān)控，地面維護檢查時不能發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，戰(zhàn)備訓(xùn)練時，通常以單枚導(dǎo)彈攻擊為主，只有戰(zhàn)斗任務(wù)時才采用滿負荷導(dǎo)彈攻擊，因此，在空中可以發(fā)現(xiàn)單枚導(dǎo)彈攻擊故障，滿負荷導(dǎo)彈攻擊故障不能發(fā)現(xiàn)，從而降低了飛機火控系統(tǒng)戰(zhàn)時滿掛出動的可靠性。目前，歐美國家生產(chǎn)的大型航空器及軍機對機上電源系統(tǒng)監(jiān)測是靠機上傳感器進行，不需對電源系統(tǒng)進行性能檢測，中國生產(chǎn)的大飛機也采用機上傳感器進行監(jiān)控，只有個別型號的軍機除外，但由于這些型號的飛機列裝不久，軍內(nèi)也無此方面的研究。近年來，一些專家對地面電源性能檢測進行了研究，高紅紅[1]采用單片機與計算結(jié)合對機載電源檢測系統(tǒng)進行了設(shè)計，該設(shè)計只能對電流輸出10 A以下的小型電源進行檢測;劉建鋒[2]基于虛擬儀器技術(shù)對航空地面電源進行研究，但只對電源靜態(tài)工作環(huán)境下的性能檢測進行了探討，缺乏復(fù)雜電磁環(huán)境下大型機載設(shè)備工作時原位檢測的研究;張文華等人[3]采用微型計算機控制技術(shù)，對變電站直流電源檢測設(shè)備進行設(shè)計，但缺乏電源向用電設(shè)備供電瞬間電壓突變的檢測及大功率模擬負載網(wǎng)絡(luò)的研究。目前，部隊對空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)的維護通常采用掛載導(dǎo)彈模擬器與模擬訓(xùn)練彈進行輔助檢查，特點是只能提供很小的模擬負載電流，其模擬工作不足以反映空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)的滿負荷能力?；诖耍疚难兄屏丝张瀸?dǎo)彈供電系統(tǒng)檢測儀，該檢測儀主要應(yīng)用于原位檢測該型飛機空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)在空艦導(dǎo)彈啟動階段的滿負載能力和紋波電壓，判明供電系統(tǒng)的供電品質(zhì)，消除安全隱患，以便空艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)和訓(xùn)練任務(wù)可靠完成。該研究有效提高了部隊空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)維護保障能力。

1檢測儀的開發(fā)與運行

檢測儀硬件架構(gòu)包括Compact RIO平臺和觸摸屏式計算機（touch panel computer，TPC）兩部分，通過構(gòu)建局域網(wǎng)進行信息交換，兩者有各自配套的應(yīng)用軟件[45]。根據(jù)檢測儀功能研制的進度，軟件分為開發(fā)模式和運行模式兩個階段，開發(fā)模式主要依賴于開發(fā)機，而運行模式則脫離開發(fā)機。檢測儀的開發(fā)及運行模式如圖1所示。

開發(fā)模式是指在檢測儀硬件尚未集成時所進行的軟件開發(fā)或硬件集成后所進行的軟件調(diào)試、修改及維護。在檢測儀硬件尚未集成時，提前進行軟件框架設(shè)計[68]，開展相關(guān)技術(shù)演練（人機界面、數(shù)據(jù)采集、輸出控制、TCP/IP雙機通信、數(shù)據(jù)模擬、用戶端和服務(wù)器設(shè)置等）和關(guān)鍵技術(shù)（檢測儀的狀態(tài)控制等）的攻關(guān);硬件集成完畢后，針對系統(tǒng)調(diào)試中出現(xiàn)的問題及瑕疵進行相應(yīng)的軟件修改和技術(shù)改進。開發(fā)機主要用于Compact RIO平臺軟件與觸摸屏式計算機（TPC）進行信息交換。運行模式是指檢測儀研制完成的最終形態(tài)。嵌入式系統(tǒng)Compact RIO和TPC采用局域網(wǎng)進行交聯(lián)，工作于雙機協(xié)調(diào)模式[912]。實際的檢測儀包括嵌入式系統(tǒng)Compact RIO和TPC，兩者之間采用交叉網(wǎng)線構(gòu)成的局域網(wǎng)進行TCP/IP通信，因此前面板無需留有網(wǎng)線接口。

檢測儀操作模式采取Compact RIO + TPC協(xié)調(diào)工作操作模式，檢測儀的信息關(guān)系如圖2所示。所有的操作完全通過TPC的觸摸屏，采集任務(wù)由Compact RIO平臺完成，兩者之間通過Ethernet進行通信，TPC向Compact RIO發(fā)送相應(yīng)的控制命令，Compact RIO實時向TPC發(fā)送測量數(shù)據(jù)[13]。

2檢測儀的軟件設(shè)計

2.1雙機TCP自動連接及通信設(shè)計

TCP采用基于連接的協(xié)議，表示各傳輸點必須在數(shù)據(jù)傳輸前進行交聯(lián)。信息傳輸在用戶端和服務(wù)器之間進行，服務(wù)器只能是1個，用戶端可多個。檢測儀包括cRIO平臺和TPC，現(xiàn)將cRIO平臺設(shè)置為服務(wù)器，TPC設(shè)置為客戶端[1415]，兩者可任意設(shè)置，但兩者有嚴格的啟動順序，服務(wù)器啟動之后才能啟動TPC，若TPC先啟動，cRIO平臺后啟動，則無法進行雙機連接。因此，必須設(shè)計特定的流程，確保TCP連接與啟動順序無關(guān)。

2.1.1cRIO平臺服務(wù)器創(chuàng)建

cRIO服務(wù)器通過“創(chuàng)建TCP偵聽器”函數(shù)創(chuàng)建偵聽器，并等待位于指定端口的已接受的TCP連接?！皞陕犉鲃?chuàng)建”的超時毫秒默認值為-1，表示無限等待，正確啟動順序確保TCP連接成功[1619]。一旦客戶端先啟動，偵聽器將一直等待，因此，將“偵聽器創(chuàng)建”的超時毫秒設(shè)置為500 ms，同時增加一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，一旦500 ms沒有偵聽到連接，則循環(huán)繼續(xù)，再次偵聽，直至連接成功，跳出循環(huán)。cRIO服務(wù)器如圖3所示。

2.1.2TPC用戶端連接

TPC用戶端通過“打開TCP連接”函數(shù)創(chuàng)建，打開由地址和遠程端口或服務(wù)名稱指定的TCP網(wǎng)絡(luò)連接?！按蜷_TCP連接”的超時毫秒默認值為60 000 ms，即1 min，如果服務(wù)器沒啟動，用戶端等待1 min才能作后續(xù)處理，耗時較長。因此，將超時毫秒設(shè)置為900 ms，同時增加一個循環(huán)結(jié)構(gòu)，如果900 ms后沒有連接成功，則循環(huán)繼續(xù)，再次打開TCP連接，直至連接成功，跳出循環(huán)。TPC用戶端連接如圖4所示。

2.1.3雙機通信

雙機通信主要是指嵌入式控制器cRIO與觸摸屏式計算機TPC之間的雙向數(shù)據(jù)交換，傳輸數(shù)據(jù)主要有電壓和電流測量數(shù)據(jù)及狀態(tài)命令。嵌入式控制器cRIO主要通過外部計算機實時采集的電壓和電流數(shù)據(jù)傳送到觸摸

屏式計算機TPC，并顯示相應(yīng)的測量數(shù)據(jù);觸摸屏式計算機TPC為了實現(xiàn)相應(yīng)的狀態(tài)控制，通過將其接收到的狀態(tài)控制信號信息以命令字的形式傳送到嵌入式控制器cRIO，并實時接收顯示嵌入式控制器cRIO發(fā)送的測量數(shù)據(jù)。為完成相應(yīng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換[2023]，可通過觸摸屏式計算機TPC發(fā)送的狀態(tài)命令實現(xiàn)。雙機通信示意圖如圖5所示。

2.2TPC功能設(shè)計與實現(xiàn)

觸摸屏式計算機用于顯示和控制，TPC端狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖6所示。

單機狀態(tài)： TPC啟動，完成硬件和人機界面的初始化。選擇“連接”菜單項，實現(xiàn)雙機連接;選擇“讀取”菜單項，顯示此前保存過的測量數(shù)據(jù)。

電壓監(jiān)控狀態(tài)： TPC接收并顯示cRIO發(fā)送的測量電壓數(shù)據(jù)，供監(jiān)視用。選擇“開始”菜單項，轉(zhuǎn)入電流測量狀態(tài);選擇“停止”菜單項，轉(zhuǎn)入雙機連接狀態(tài)。

電流測量狀態(tài)： TPC接收并顯示cRIO發(fā)送的測量電壓、電流數(shù)據(jù)。選擇“停止”菜單項，轉(zhuǎn)入雙機連接狀態(tài)。

雙機連接狀態(tài)： cRIO不向TPC發(fā)送測量電壓、電流數(shù)據(jù)，為此現(xiàn)有狀態(tài)不變。此時，選擇“保存”菜單項，轉(zhuǎn)入測量數(shù)據(jù)保存狀態(tài)。

測量數(shù)據(jù)保存狀態(tài)： 將測量到的電壓、電流數(shù)據(jù)保存，以供以后調(diào)用。

“連接”命令： 實現(xiàn)TPC與cRIO之間的TCP連接。連接成功后，cRIO發(fā)送自動轉(zhuǎn)入電壓監(jiān)控狀態(tài)，此后再次選擇“連接”菜單項，將無作用。

“開始”命令： 雙機連接時，選擇“開始”菜單項，轉(zhuǎn)入電壓監(jiān)控狀態(tài)，再次選擇“開始”菜單項，轉(zhuǎn)入電壓+電流顯示狀態(tài)。

“停止”命令： 電壓監(jiān)控狀態(tài)時，選擇“停止”菜單項，轉(zhuǎn)入雙機連接狀態(tài);電壓+電流顯示狀態(tài)時，選擇“停止”菜單項，轉(zhuǎn)入停止?fàn)顟B(tài)。

“讀取”命令： 可讀取此前保存過的測量數(shù)據(jù)，并顯示測量數(shù)據(jù)。

“保存”命令： 可將當(dāng)前的測量數(shù)據(jù)保存，以便以后查閱。

為保證檢測儀的正常工作，TPC上的菜單項根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)自動設(shè)置有效或無效狀態(tài)，避免不正確的使用[24]?？刂撇藛谓庙椚绫?所示。

2.3cRIO功能設(shè)計與實現(xiàn)

cRIO嵌入式系統(tǒng)主要接收解析TPC發(fā)送的命令，控制模擬負載的接通狀態(tài)，同時將測量電壓和電流的數(shù)據(jù)發(fā)送到TPC。cRIO端狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖7所示。

單機狀態(tài)： cRIO啟動，完成硬件和軟件的初始化，等待雙機TCP連接。

雙機狀態(tài)： 雙機TCP連接成功，等待“開始”命令。

電壓測量狀態(tài)： 一旦接收到“開始”命令，進入電壓測量監(jiān)控狀態(tài)，同時將測量的電壓數(shù)據(jù)發(fā)送到TPC顯示。

電壓+電流測量狀態(tài)： 再次接收到“開始”命令，接通所有模擬負載，同時測量電壓和電流，并將測量的電壓、電流數(shù)據(jù)發(fā)送到TPC顯示。

2.4自檢功能設(shè)計

通過依次接通一組繼電器和大功率負載，采集上傳相應(yīng)的電壓和電流，自動判斷該組合的工作情況，并在觸摸屏計算機上顯示。

3檢測儀系統(tǒng)設(shè)計

3.1檢測儀狀態(tài)劃分

檢測儀的應(yīng)用軟件主要包括觸摸屏式計算機軟件TPC VI、嵌入式控制器軟件RT VI和FPGA軟件FPGA VI三部分，其中，觸摸屏式計算機軟件TPC VI提供人機操作界面，后兩者構(gòu)成嵌入式系統(tǒng)。檢測儀的狀態(tài)分別由TPC、RT和FPGA三者共同決定，所有的顯示和操作通過TPC的觸摸屏進行。三者之間通過狀態(tài)控制和采集數(shù)據(jù)傳輸兩個通道進行連接。

檢測儀狀態(tài)的合理劃分，有效控制檢測儀的狀態(tài)，有利于軟件開發(fā)、多人合作、設(shè)計相互轉(zhuǎn)換之間的信息交換。檢測儀的軟件整體可劃分為初始化、等待（狀態(tài)1）、低速采集（狀態(tài)2）和高速采集（狀態(tài)3）四種狀態(tài)。

觸摸屏式計算機主要用于顯示和控制，進一步分為9個子狀態(tài);cRIO嵌入式系統(tǒng)主要接收解析TPC發(fā)送的命令，控制模擬負載的接通狀態(tài)，同時將測量電壓和電流數(shù)據(jù)發(fā)送到TPC，進一步細分為11個子狀態(tài)。

3.2信息交換

檢測儀需要傳輸?shù)男畔⒅饕ㄓ脩舻牟僮餍畔ⅰPGA的狀態(tài)信息和采集數(shù)據(jù)。用戶的操作信息作為檢測儀的控制輸入，最終將控制FGPA的工作狀態(tài)，其狀態(tài)的改變依TPC→RT→FPGA的順序進行傳遞控制;FPGA的狀態(tài)信息上傳到TPC顯示;FPGA的采集數(shù)據(jù)上傳到TPC進行實時的計算機處理和顯示。FPGA的狀態(tài)信息和采集數(shù)據(jù)通過DMA FIFO傳送到RT，然后通過TCP傳送到TPC。

操作觸摸屏式計算機的下拉菜單，通過TCP將相應(yīng)的命令信號傳送到cRIO嵌入式系統(tǒng)，再通過DMA FIFO將命令信號傳送到FPGA，從而完成對FPGA的狀態(tài)控制。此外，F(xiàn)PGA在嚴格的時序下自動工作，完成相應(yīng)的任務(wù)后，通過反向的通道將FPGA的狀態(tài)信息上傳到TPC，并顯示給用戶。

3.3傳感器的選取

由于被測對象的輸出電流相對較大，一般采集模塊無法滿足測量要求，無法直接測量其電流。因此，選用霍爾型電流傳感器測量啟動電流和穩(wěn)定電流。霍爾電流傳感器是應(yīng)用霍爾效應(yīng)原理開發(fā)的新一代電流傳感器，能在電隔離條件下測量直流、交流、脈沖及各種不規(guī)則波形的電流。電流傳感器輸出的是與電流成比例的小電壓，送到模擬量采集模塊NI 9205，即可簡潔、可靠地完成兩枚空艦導(dǎo)彈啟動時的大電流測量。

4結(jié)束語

本文設(shè)計了空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)檢測儀，該檢測儀能夠進行微秒級周期控制，解決了供電瞬間電壓和電流波形實時檢測與還原困難的問題，及時準確的判斷供電系統(tǒng)的供電品質(zhì)，有效解決了某型飛機空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)性難以檢測的難題，為空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)的日常維護和故障排除提供了必要的檢測條件和有效可行的檢測手段，提高了一線部隊對空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)維護保障能力。同時，系統(tǒng)也存在不足，在調(diào)試過程中出現(xiàn)大功率負載網(wǎng)絡(luò)負載電阻，由于存在通電時間過長，電阻發(fā)熱失效的問題，通過軟件處理限定工作時間解決問題。該研究為其他兩型戰(zhàn)機導(dǎo)彈供電系統(tǒng)檢測的拓展應(yīng)用及產(chǎn)品生產(chǎn)提供了方法和借鑒。

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