基于嵌入式系統(tǒng)的多管火箭彈檢測(cè)設(shè)備*

劉航航,馬 驥,李曉穎,郭彥辰,于岳辰

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

目前制導(dǎo)火箭彈主要運(yùn)用了彈道修正技術(shù)和制導(dǎo)技術(shù),加裝改進(jìn)了制導(dǎo)控制系統(tǒng)及部件,這些部件涉及到機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、信息處理等領(lǐng)域,組成復(fù)雜,系統(tǒng)性強(qiáng)[1-2],一個(gè)關(guān)鍵器件或部件發(fā)生故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)武器系統(tǒng)不能工作或制導(dǎo)精度、作戰(zhàn)效能大大降低,因此非常有必要對(duì)經(jīng)過(guò)貯存或運(yùn)輸后的火箭彈進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)。國(guó)內(nèi)已有相關(guān)單位對(duì)導(dǎo)彈展開(kāi)了檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)[3-4],也有單位對(duì)火箭彈發(fā)控系統(tǒng)或彈上某些部件展開(kāi)了檢測(cè)研究工作[5],但未見(jiàn)對(duì)火箭彈檢測(cè)方案的研究報(bào)導(dǎo)。文中提出的基于嵌入式系統(tǒng)的多管火箭彈道修正彈檢測(cè)設(shè)備,適用于箱裝狀態(tài)下多管火箭彈的檢測(cè),可在廠房、倉(cāng)庫(kù)、技術(shù)陣地等場(chǎng)合快速完成檢測(cè)工作,具有很大的應(yīng)用潛力。

1 總體方案

總體測(cè)試方案如圖1所示,火箭彈是在箱裝狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè),檢測(cè)設(shè)備通過(guò)信息交換單元配合完成對(duì)火箭彈的檢測(cè)。為節(jié)約成本和簡(jiǎn)化硬件系統(tǒng),設(shè)計(jì)檢測(cè)設(shè)備一次只能檢測(cè)一發(fā)火箭彈,信息交換單元主要完成對(duì)指定火箭彈供電電源和控制信號(hào)的切換。如要對(duì)整箱火箭彈進(jìn)行檢測(cè),可按照次序控制信息交換單元進(jìn)行切換。

圖1 檢測(cè)設(shè)備系統(tǒng)框圖

火箭彈檢測(cè)系統(tǒng)主要由供電組件、檢測(cè)設(shè)備主機(jī)組成,供電組件為檢測(cè)設(shè)備主機(jī)、信息交換單元及火箭彈提供能源；主機(jī)主要功能是控制供電組件為信息交換單元及儲(chǔ)運(yùn)發(fā)箱內(nèi)的火箭彈供電,并輸出激勵(lì)信號(hào)、完成時(shí)序控制、數(shù)據(jù)采集分析、檢測(cè)結(jié)果輸出,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與導(dǎo)出等功能。

將檢測(cè)設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)及結(jié)果導(dǎo)出進(jìn)行統(tǒng)一管理,進(jìn)行長(zhǎng)期的跟蹤與監(jiān)測(cè),可以完整了解火箭彈在貯存、運(yùn)輸過(guò)程中狀態(tài)的變化情況,為火箭彈的保養(yǎng)維修、貯存管理、可靠使用奠定良好的基礎(chǔ)。

2 硬件設(shè)計(jì)方案

硬件功能框圖如圖2所示,主要包括主控模塊、存儲(chǔ)模塊、供電控制模塊、通訊接口、電源控制接口以及人機(jī)交互等模塊。

圖2 硬件系統(tǒng)框圖

2.1 主控模塊

檢測(cè)設(shè)備的硬件電路是基于NXP公司的ARM控制器LPC2294設(shè)計(jì)的,該芯片是一款具有極高集成度并以ARM7TDMI-S為內(nèi)核的微控制器, CPU可以高達(dá)72 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘運(yùn)行,集成豐富的片內(nèi)資源,此外可通過(guò)總線外擴(kuò)控制器。主控模塊還包括晶振、復(fù)位電路、外擴(kuò)SRAM,復(fù)位信號(hào)通過(guò)MAX708控制輸出,外擴(kuò)SRAM通過(guò)數(shù)據(jù)總線和控制總線訪問(wèn),其容量為512 KB。

2.2 以太網(wǎng)接口模塊

設(shè)計(jì)有2路以太網(wǎng)接口,微控制器通過(guò)一路以太網(wǎng)接口與信息交換單元進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,通過(guò)另一路接口向上位機(jī)導(dǎo)出存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)方案如圖3所示,微控制器通過(guò)數(shù)據(jù)總線、讀使能信號(hào)、寫(xiě)使能信號(hào)和指令信號(hào)、復(fù)位信號(hào)、片選信號(hào)和中斷信號(hào)對(duì)以太網(wǎng)控制器進(jìn)行訪問(wèn)、控制及數(shù)據(jù)收發(fā)。以太網(wǎng)接口電路包括以太網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡(luò)變壓器和晶振。以太網(wǎng)控制器選用DM9000系列產(chǎn)品,該控制器內(nèi)集成了10/100 M自適應(yīng)的PHY和4K DWORD的SRAM,支持3.3 V和5.0 V,提供了介質(zhì)無(wú)關(guān)的接口,支持8/16/32位接口訪問(wèn)內(nèi)部存儲(chǔ)器,完全符合IEEE 802.3U規(guī)格。

圖3 以太網(wǎng)接口設(shè)計(jì)方案示意圖

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案選用成熟可靠的SD卡AF512SDI進(jìn)行存儲(chǔ)。微控制器與SD卡二者電平匹配可以直連;并通過(guò)P型MOS管可以控制SD卡的電源信號(hào);操作前可以通過(guò)在位檢測(cè)信號(hào)判定SD卡是否插接到位;數(shù)據(jù)線、命令線、時(shí)鐘線采用PESD器件提供靜電保護(hù)。

2.4 電源接口控制模塊

為確保檢測(cè)的安全性與可靠性,只有在檢測(cè)設(shè)備自身狀態(tài)正常的前提下才可以給被測(cè)對(duì)象供電,如果被測(cè)對(duì)象狀態(tài)異常時(shí)需要第一時(shí)間切斷供電電源,因此微控制器通過(guò)繼電器控制火箭彈電源的通斷,控制信號(hào)經(jīng)達(dá)林頓管ULN2003驅(qū)動(dòng)控制繼電器的開(kāi)啟與閉合,從而達(dá)到控制供電電源通斷的目的。ULN2003是7通道的達(dá)林頓管陣列,單通道可承受最大500 mA的灌電流,因此,可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多路的信號(hào)切換控制,而且該芯片內(nèi)部集成了反向續(xù)流二極管,具有較好的保護(hù)性。

2.5 人機(jī)交互模塊

人機(jī)交互模塊包括功能輸入按鍵和狀態(tài)顯示模塊兩部分。檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)有多路DI接口,用于采集判定用戶的按鍵操作。狀態(tài)顯示模塊選用成熟的串口屏,微控制器與顯示屏之間通過(guò)RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互,將用戶操作的提示信息,檢測(cè)過(guò)程中的關(guān)鍵信息、狀態(tài)、告警信息,檢測(cè)結(jié)果等信息輸出至顯示屏,以盡可能實(shí)現(xiàn)友好的人機(jī)交互。微控制器采用內(nèi)部集成的UART模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)管理。

2.6 二次電源模塊設(shè)計(jì)

為了減少檢測(cè)設(shè)備對(duì)被測(cè)產(chǎn)品的影響,檢測(cè)設(shè)備對(duì)外接口與核心控制電路采取了隔離措施,因此供電電源進(jìn)入控制電路后經(jīng)DC/DC和LDO分別轉(zhuǎn)化為VCC5.0和VCC3.3兩路供電信號(hào),其中VCC5.0給UART接口芯片、數(shù)字隔離器等供電,VCC3.3給微控制器、數(shù)字隔離器等供電。

3 軟件設(shè)計(jì)方案

3.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

火箭彈檢測(cè)設(shè)備軟件基于μCOS-Ⅱ?qū)崟r(shí)嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。架構(gòu)如圖4所示,程序分為應(yīng)用層與驅(qū)動(dòng)層,驅(qū)動(dòng)層封裝了對(duì)以太網(wǎng)、串口等各模塊控制信號(hào)的操作與數(shù)據(jù)讀寫(xiě),各個(gè)模塊獨(dú)立封裝,便于后續(xù)程序的修改與維護(hù);應(yīng)用層按照檢測(cè)流程與時(shí)序?qū)崿F(xiàn)信息交互。

圖4 軟件架構(gòu)示意圖

軟件整體架構(gòu)是基于μCOS操作系統(tǒng)的多任務(wù)機(jī)制,并設(shè)置了外部以太網(wǎng)中斷、串口中斷和內(nèi)部周期為T(mén)的定時(shí)器中斷。當(dāng)通訊接口有數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí),外部中斷會(huì)觸發(fā)相應(yīng)的數(shù)據(jù)接收任務(wù)完成對(duì)數(shù)據(jù)的接收;內(nèi)部定時(shí)器每隔T時(shí)間產(chǎn)生一次中斷,該中斷啟動(dòng)應(yīng)用層邏輯處理的任務(wù),在該任務(wù)中查詢是否有接收到以太網(wǎng)或串口數(shù)據(jù)或者用戶按鍵輸入,依據(jù)用戶輸入指令執(zhí)行對(duì)應(yīng)的功能模塊,對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行判定、分析,并執(zhí)行相關(guān)的數(shù)據(jù)回復(fù)、流程控制或者狀態(tài)輸出,詳見(jiàn)圖5。

圖5 軟件工作示意圖

3.2 軟件功能設(shè)計(jì)

軟件功能主要包括自檢、檢測(cè)、輔助三大功能。火箭彈檢測(cè)設(shè)備軟件上電初始化完成自檢后,實(shí)時(shí)輪詢用戶按鍵輸入、通訊接口輸入信息,按照功能指令執(zhí)行相關(guān)檢測(cè)、輔助功能模塊,并及時(shí)輸出有關(guān)狀態(tài)信息,軟件工作流程見(jiàn)圖6。

圖6 軟件工作流程示意圖

3.2.1 自檢功能

為確保產(chǎn)品可靠工作以減免外部激勵(lì)對(duì)被測(cè)對(duì)象的不良影響,檢測(cè)設(shè)備在對(duì)火箭彈檢測(cè)之前首先要進(jìn)行自檢,自檢模塊包括RS232通訊接口、NET通訊接口、存儲(chǔ)模塊等,通訊接口通過(guò)外部電纜形成回路進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)確認(rèn),存儲(chǔ)模塊自檢通過(guò)微控制器的數(shù)據(jù)操作實(shí)現(xiàn)。自檢完成后輸出自檢結(jié)果,如果狀態(tài)異?？奢o助指導(dǎo)用戶快速定位故障單元。

3.2.2 檢測(cè)功能

進(jìn)入檢測(cè)流程后,用戶首先設(shè)置檢測(cè)方案,檢測(cè)方案分兩種,一是對(duì)指定管位的火箭彈檢測(cè),二是對(duì)整箱火箭彈進(jìn)行檢測(cè),設(shè)置完成控制電源輸出給信息交換單元和火箭彈供電,并判定被測(cè)對(duì)象的自檢狀態(tài),如自檢結(jié)果正常進(jìn)行信息交互實(shí)現(xiàn)對(duì)要求功能的檢測(cè),并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析,給出判定結(jié)果并顯示。

3.2.3 輔助

輔助功能主要包括記錄查詢、數(shù)據(jù)導(dǎo)出及記錄刪除。

用戶可以查詢檢測(cè)記錄,檢測(cè)設(shè)備默認(rèn)給出歷史檢測(cè)記錄,用戶可根據(jù)需求對(duì)特定管位的火箭彈檢測(cè)記錄進(jìn)行檢索。

數(shù)據(jù)導(dǎo)出有兩種方案,一種是將SD卡取出借助于外部設(shè)備進(jìn)行導(dǎo)出,另一種方案是上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)接口與檢測(cè)設(shè)備交互,檢測(cè)設(shè)備軟件按照上位機(jī)指令要求從SD卡讀取數(shù)據(jù)并上傳。

用戶可以對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行清除,當(dāng)記錄較多影響用戶使用體驗(yàn)時(shí)可以對(duì)部分或全部記錄刪除;此外在戰(zhàn)場(chǎng)特殊狀態(tài)用戶不希望數(shù)據(jù)存留時(shí)可一鍵操作清除所有數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

1)火箭彈檢測(cè)設(shè)備硬件系統(tǒng)基于ARM微控制器設(shè)計(jì),充分利用了微控制器的資源和總線,實(shí)現(xiàn)對(duì)外部多接口、多功能模塊的管理,為火箭彈的檢測(cè)設(shè)備研制奠定良好基礎(chǔ)。

2)火箭彈檢測(cè)設(shè)備軟件基于μCOS操作系統(tǒng)設(shè)計(jì),采用多任務(wù)機(jī)制,高效可靠的實(shí)現(xiàn)了對(duì)火箭彈的檢測(cè)任務(wù)。驅(qū)動(dòng)層各個(gè)模塊獨(dú)立封裝,應(yīng)用層借助于中斷響應(yīng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收管理,便于后續(xù)程序的修改與維護(hù)。

3)有關(guān)應(yīng)用和試驗(yàn)情況表明檢測(cè)設(shè)備可以對(duì)火箭彈的狀態(tài)做出有效的有價(jià)值的評(píng)估,為火箭彈生命周期內(nèi)的保障維護(hù)工作提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

4)火箭彈檢測(cè)設(shè)備具有較好的軟硬件架構(gòu)和通用性,借助于信息交換單元具備了良好的通用性和可擴(kuò)展性,可快速適配于基于相同武器平臺(tái)研制的火箭彈的檢測(cè)。