基于1553B總線的飛控軟件測(cè)試仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)

王新亮，陳 凱，薛琪琪，董敏周，王民鋼

(西北工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院，西安 710000)

0 引言

為了保證導(dǎo)彈飛行任務(wù)的成功率，需要一套完善的彈載飛控軟件測(cè)試仿真平臺(tái)，以完成導(dǎo)彈的性能測(cè)試和發(fā)射流程控制[1]。近年來(lái)，開(kāi)發(fā)出的適用于多種應(yīng)用環(huán)境的仿真平臺(tái)多采用分布式控制模式，應(yīng)用CAN總線、429總線、485總線和1553B總線等進(jìn)行仿真系統(tǒng)各部分之間數(shù)據(jù)指令的通信，實(shí)現(xiàn)分布式仿真平臺(tái)的設(shè)計(jì)[2]。

1553B總線是一種命令響應(yīng)式多路數(shù)據(jù)總線，它具有高可靠、抗干擾能力強(qiáng)、靈活、速率較高(1Mbit/s)、擴(kuò)充和維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，其強(qiáng)大的功能能夠滿足不同用戶的工業(yè)測(cè)量和自動(dòng)化控制需求，良好的兼容性適用于各類系統(tǒng)配置。因此，1553B總線以其良好的實(shí)時(shí)性、可靠性及高效性在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[3]。

實(shí)際應(yīng)用中，不同型號(hào)導(dǎo)彈采用的1553B總線協(xié)議不完全一致，工作環(huán)境有所差異，不同工作時(shí)間總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容、物理意義不同，使1553B總線測(cè)試軟件對(duì)不同工作環(huán)境的通用性不高，靈活性較差。文獻(xiàn)[4]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于仿真卡的1553B仿真測(cè)試軟件，但對(duì)測(cè)發(fā)控仿真系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)沒(méi)有提及；文獻(xiàn)[5]介紹了1553B總線全仿真平臺(tái)的軟件、硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，并驗(yàn)證其可行性，但是缺少可視化的圖形界面；文獻(xiàn)[6]基于UML，在LabVIEW中實(shí)現(xiàn)了某型武器火控系統(tǒng)內(nèi)部的1553B通訊仿真，但使用LabVIEW實(shí)現(xiàn)通用性較差。

本文利用HiGale View仿真系統(tǒng)，基于C語(yǔ)言和M語(yǔ)言編程，開(kāi)發(fā)了基于1553B總線通信的導(dǎo)彈飛控軟件測(cè)試系統(tǒng)仿真平臺(tái)。介紹了仿真平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)與具體實(shí)現(xiàn)，并驗(yàn)證其通信功能穩(wěn)定可靠。

1 系統(tǒng)組成及原理

基于1553B總線的飛控軟件測(cè)試仿真平臺(tái)系統(tǒng)組成如圖1，系統(tǒng)主要由測(cè)控主機(jī)、BC(工控機(jī))、RT(彈載飛控機(jī))和MT(彈載記錄儀)組成。

測(cè)控主機(jī)起到用戶輸入指令命令和實(shí)時(shí)監(jiān)控變量功能，具有完整的人機(jī)交互界面，是測(cè)試任務(wù)的發(fā)布端。

1553B總線控制器BC是一臺(tái)插有1553B板卡的工控機(jī)，工控機(jī)作為地面測(cè)發(fā)控的前端控制主機(jī)，運(yùn)行QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，通過(guò)以太網(wǎng)口通信接收測(cè)控主機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)指令，完成數(shù)據(jù)的解析，并按照測(cè)控主機(jī)的命令類型和預(yù)先制定的報(bào)文格式通過(guò)1553B總線向飛控機(jī)發(fā)送測(cè)試指令。同時(shí)，BC周期性的接收總線上飛控機(jī)的返回信息，完成數(shù)據(jù)解析并通過(guò)以太網(wǎng)口反饋給測(cè)控主機(jī)設(shè)備。

彈載飛控機(jī)(RT)為彈上搭載飛控軟件和導(dǎo)航軟件的設(shè)備，具有統(tǒng)一的1553B接口，是導(dǎo)彈正常工作的核心設(shè)備。在導(dǎo)彈發(fā)射前，需要按照接收的1553B總線BC端傳來(lái)的指令有序進(jìn)行彈上設(shè)備自檢、諸元裝訂和信號(hào)采集等工作，完成工作后按照?qǐng)?bào)文格式進(jìn)行編碼通過(guò)1553B總線返回信息給工控機(jī)[7]。記錄儀(BM)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)聽(tīng)1553B總線上的數(shù)據(jù)流，記錄飛控機(jī)的工作進(jìn)程并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。飛控機(jī)測(cè)試過(guò)程中，1553B數(shù)據(jù)通信過(guò)程，可以有效地增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

圖1 1553B仿真平臺(tái)系統(tǒng)組成

測(cè)控主機(jī)以文本格式讀取諸元裝訂、初始對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)等參數(shù)，設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件的開(kāi)關(guān)按鍵通過(guò)以太網(wǎng)口發(fā)送給工控機(jī)，工控機(jī)對(duì)輸入的數(shù)據(jù)識(shí)別并按照?qǐng)?bào)文格式進(jìn)行打包，通過(guò)工控機(jī)的1553B板卡實(shí)現(xiàn)與飛控機(jī)的信號(hào)通信，并解析返回的報(bào)文判斷飛控機(jī)及彈上設(shè)備是否工作正常，發(fā)送解碼后接收數(shù)據(jù)及開(kāi)關(guān)量給測(cè)控主機(jī)進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)飛控軟件的測(cè)試功能。

2 測(cè)試軟件的具體實(shí)現(xiàn)

2.1 上位機(jī)軟件

上位機(jī)(測(cè)控主機(jī))軟件運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)中，通過(guò)以太網(wǎng)口與工控機(jī)通信，控制工控機(jī)工作。上位機(jī)是用戶交互界面，本文使用Higale View軟件將模型下載到工控機(jī)中，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示以及接收工控機(jī)數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件的主要功能包括：工控機(jī)模型加載、數(shù)據(jù)指令輸入、接收返回?cái)?shù)據(jù)和用戶界面管理[8]。

首先，Higale View軟件將Simulink模型通過(guò)以太網(wǎng)口加載到工控機(jī)，然后讀取工作目錄下的文本文件數(shù)據(jù)作為輸入，通過(guò)Higale View軟件可以控制模型機(jī)開(kāi)始運(yùn)行與停止。

用戶界面管理是上位機(jī)軟件的核心功能，Higale View軟件提供了變量監(jiān)控和數(shù)據(jù)記錄功能，允許用戶自由定制仿真監(jiān)控界面實(shí)現(xiàn)界面監(jiān)控和在線調(diào)參并對(duì)仿真模型中某些變量在仿真過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄。設(shè)置開(kāi)關(guān)量控制模型的運(yùn)行，并在界面中將開(kāi)關(guān)量設(shè)置為開(kāi)關(guān)按鈕，可以便捷地控制仿真平臺(tái)的運(yùn)行；監(jiān)控模型機(jī)1553B總線BC端發(fā)送與接收的變量，可以實(shí)現(xiàn)仿真平臺(tái)1553B總線通信的實(shí)時(shí)監(jiān)控，從而清晰地判斷出系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，通過(guò)Higale View監(jiān)控界面按鍵、指示燈、表格等進(jìn)行圖形化顯示。

2.2 工控機(jī)軟件

工控機(jī)軟件運(yùn)行在QNX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，工控機(jī)軟件是整個(gè)仿真平臺(tái)的核心部分，通過(guò)以太網(wǎng)口與上位機(jī)通信加載模型，通過(guò)1553B總線接口經(jīng)過(guò)耦合器連接與飛控機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)收發(fā)操作。工控機(jī)軟件采用C語(yǔ)言和M語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)VS2010調(diào)用NI公司1553B函數(shù)庫(kù)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)程序，在Simulink中調(diào)用S-fun函數(shù)封裝驅(qū)動(dòng)模塊。

2.2.1 工控機(jī)軟件的功能

1)身份認(rèn)證功能：顯示測(cè)試設(shè)備硬件狀態(tài)、板卡序列號(hào)、通道號(hào)等，并通過(guò)配置設(shè)備地址、子地址完成設(shè)備連接；

2)測(cè)試設(shè)備配置：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行配置，包括總線模塊的初始化及工作模式(BC、RT、MT)的配置；

3)命令獲?。汗た貦C(jī)軟件從上位機(jī)獲取命令指令，以完成后續(xù)通信操作；

4)數(shù)據(jù)打包：按照規(guī)定的報(bào)文格式打包命令或者數(shù)據(jù)指令，1553B總線傳輸每條消息最多32個(gè)字節(jié)，通過(guò)1553B總線周期發(fā)送；

5)數(shù)據(jù)發(fā)送(BC模式)：查詢當(dāng)前測(cè)試設(shè)備是否正在處理總線消息，在上位機(jī)軟件發(fā)送總線命令數(shù)據(jù)包前，查詢當(dāng)前測(cè)試設(shè)備是否正在處理總線消息，如果當(dāng)前測(cè)試設(shè)備空閑，則發(fā)送總線消息，否則將等待到測(cè)試設(shè)備空閑為止；

6)測(cè)試結(jié)果分析：對(duì)彈載計(jì)算機(jī)返回的消息數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包分析，并產(chǎn)生監(jiān)控變量以判斷飛控機(jī)是否工作正常，變量為1則工作正常，變量為0則工作異常。

根據(jù)用戶需求可以把軟件劃分為以下幾個(gè)功能模塊：身份認(rèn)證模塊、測(cè)試設(shè)備配置模塊、總線命令獲取模塊、總線數(shù)據(jù)打包模塊、總線消息發(fā)送模塊、測(cè)試結(jié)果分析模塊[9]。如圖2所示。

圖2 工控機(jī)軟件功能模塊圖

2.2.2 軟件實(shí)現(xiàn)流程

工控機(jī)軟件的流程設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 工控機(jī)軟件設(shè)計(jì)流程圖

第一步，讀取1553B板卡信息并打開(kāi)板卡，通過(guò)調(diào)用函數(shù)庫(kù)中的M1553_Open()函數(shù)打開(kāi)板卡，并通過(guò)M1553_GetSerialNum()和hr_getBaseAddr()函數(shù)獲取板卡序列號(hào)和通道號(hào)。

第二步，板卡設(shè)備的初始化包括板卡的初始化和仿真模式的初始化， 首先通過(guò)調(diào)用M1553_Reset()函數(shù)復(fù)位板卡初始狀態(tài)，通過(guò)M1553_AddTimeTag()函數(shù)啟動(dòng)/停止時(shí)間標(biāo)簽，并使用M1553_SetResponseTimeout()函數(shù)設(shè)置應(yīng)答超時(shí)。然后，通過(guò)調(diào)用BC_Init()和 RT_Init ()和MT_Init()函數(shù)初始化全功能板卡的BC、RT和MT工作模式，并使用MT_Start()和MT_SetCmdFilterTable()函數(shù)使能MT并設(shè)置所有方式被監(jiān)控。

第三步，讀取數(shù)據(jù)輸入。工控機(jī)的測(cè)試信號(hào)通過(guò)上位機(jī)軟件輸入[10]，包括彈地通訊檢查、進(jìn)入發(fā)射流程、初始對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)備、初始對(duì)準(zhǔn)參數(shù)裝訂、箭動(dòng)點(diǎn)火準(zhǔn)備、諸元裝訂等指令。

預(yù)裝數(shù)據(jù)以文本形式輸入，使用textread()函數(shù)讀取文本文件，并將16位消息輸入信息轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)格式為兩個(gè)字節(jié)，以1553B總線消息格式發(fā)送。將導(dǎo)彈地面裝訂參數(shù)，如諸元裝訂、初始對(duì)準(zhǔn)參數(shù)等以文本格式輸入，使裝訂參數(shù)可隨時(shí)更改，靈活使用，并使仿真系統(tǒng)的通用性大大增強(qiáng)。

第四步，對(duì)數(shù)據(jù)輸入與Higale View控制臺(tái)輸入的仿真參數(shù)進(jìn)行打包封裝，通過(guò)結(jié)構(gòu)體BCMsgArray輸入到S-fun驅(qū)動(dòng)模塊中。在結(jié)構(gòu)體BCMsgArray中定義數(shù)組Msg以存儲(chǔ)1553B總線的發(fā)送消息，按照通信協(xié)議進(jìn)行收發(fā)操作。

因此，在數(shù)據(jù)封裝前必須制定工控機(jī)(BC)與飛控機(jī)(RT)之間(應(yīng)用層)的通訊協(xié)議。通訊協(xié)議是通過(guò)通信消息的相互傳送來(lái)實(shí)現(xiàn)。通訊消息由消息頭和消息體組成，其中消息頭為所有通訊消息必須具備的公共報(bào)頭，對(duì)不同需求的地面仿真平臺(tái)系統(tǒng)，需要制定不同的通訊協(xié)議。

第五步，配置消息參數(shù)并發(fā)送消息。通過(guò)Higale View控制臺(tái)輸入的地址、字地址、周期和工作模式等配置消息參數(shù)作為消息的命令字，讀取結(jié)構(gòu)體BCMsgArray數(shù)組Msg構(gòu)成作為數(shù)據(jù)字，通過(guò)BC_WriteMsg()函數(shù)將消息寫(xiě)入1553B總線中，并使用BC_Start()函數(shù)啟動(dòng)BC發(fā)送消息，示例代碼如下所示：

memset(&Msg,0,sizeof(SMSG_STRUCT));

iRT=MsgArray[0].RTAddr; //RT地址

iTR=MsgArray[0].RTEnable; //RT使能

iSA=MsgArray[0].RTSubAddr; //RT字地址

iLEN=MsgArray[0].MsgLengh; //消息長(zhǎng)度

Msg. CmdWord1 = SETCMD(iRT, iTR, iSA, iLEN); //命令字轉(zhuǎn)換

Msg. CmdWord2 = 0;

for(i = 0; i

{Msg.Datablk[i] = MsgArray[0].Msg[i]; }

//寫(xiě)入數(shù)據(jù)字

BC_WriteMsg (hcard, TESTCHX, MsgId++, &Msg) //BC寫(xiě)消息

BC_AddEndOfListFlag(hcard,TESTCHX,

MsgId++)

BC_Start(hcard, TESTCHX) //啟動(dòng)BC

第六步，解析接收到的RT消息，并進(jìn)行結(jié)果分析。為了保證消息準(zhǔn)確到達(dá)彈載計(jì)算機(jī)或者準(zhǔn)確返回到地面測(cè)試設(shè)備，在應(yīng)用層協(xié)議制定的時(shí)候采用消息應(yīng)答的方式，即在彈載計(jì)算機(jī)接收到上位機(jī)發(fā)送的通信消息后，返回一個(gè)通信消息給地面測(cè)試設(shè)備。返回的通信消息主要目的是向發(fā)送表明消息是否準(zhǔn)確到達(dá)接收方。

通過(guò)BC_GetMsgNum_Newly()函數(shù)在發(fā)送BC后周期性的接收RT消息，若沒(méi)有收到RT返回消息，則在500 ms內(nèi)周期性發(fā)送BC消息的同時(shí)接收RT消息，若超時(shí)未響應(yīng)則返回超時(shí)錯(cuò)誤；若接收到RT返回消息，則通過(guò)BC_ReadNextMsg()函數(shù)讀取消息并進(jìn)行解碼分析，然后按照規(guī)定報(bào)文格式定義的返回信息進(jìn)行判斷，如果格式正確則把監(jiān)控變量置1，并按正常操作流程進(jìn)行導(dǎo)彈的發(fā)射任務(wù)，如果錯(cuò)誤則置0，Higle View監(jiān)控界面通過(guò)此開(kāi)關(guān)量以LED燈展示測(cè)試結(jié)果，便于對(duì)飛控軟件測(cè)試結(jié)果進(jìn)行直觀判斷。

3 關(guān)鍵技術(shù)思路和難點(diǎn)

3.1 變量的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能

在仿真平臺(tái)的測(cè)試過(guò)程中，往往不止需要1553B總線發(fā)送/接收信息，還需要對(duì)其他變量以及局部的輸入輸出進(jìn)行監(jiān)控，如果在各個(gè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際數(shù)據(jù)都能得到理想結(jié)果，則可證明軟件設(shè)計(jì)正確，否則對(duì)局部參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控可以定位仿真過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的原因。因此變量的實(shí)時(shí)監(jiān)控問(wèn)題是仿真平臺(tái)切實(shí)可用的關(guān)鍵技術(shù)。

本文首先是在工控機(jī)模型中設(shè)置多個(gè)變量輸出，如程序運(yùn)行控制、測(cè)試分析結(jié)果等變量，多個(gè)局部輸入輸出，如讀取文件的輸出和封裝結(jié)果輸出。然后通過(guò)上位機(jī)Higale View軟件加載模型到模型機(jī)，并對(duì)模型中的變量進(jìn)行監(jiān)控。Higale View軟件提供了多種仿真圖形顯示，本文中工控機(jī)的1553B發(fā)送和接收以表格形式顯示，檢測(cè)結(jié)果輸出以LED燈形式顯示，并可在仿真過(guò)程中在線更改仿真參數(shù)，使仿真測(cè)試過(guò)程更加靈活、便捷。

3.2 1553B總線傳輸通信協(xié)議

飛控軟件測(cè)試仿真平臺(tái)考慮在不同需求和應(yīng)用下，比如某些測(cè)試項(xiàng)的增加，測(cè)試流程的更改，這些因素使仿真平臺(tái)的通用性難以保證。

本文將數(shù)據(jù)輸入和打包封裝分為兩個(gè)模塊，便捷的讀取數(shù)據(jù)文本并進(jìn)行數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換作為數(shù)據(jù)輸入，并將輸入信息封裝為1553B總線通信需要的數(shù)據(jù)格式，通用性大大加強(qiáng)，能夠適應(yīng)不同測(cè)試任務(wù)及不同數(shù)據(jù)輸入。

數(shù)據(jù)封裝是基于應(yīng)用層協(xié)議(地面測(cè)試設(shè)備(BC)與彈載計(jì)算機(jī)(RT)之間的通訊協(xié)議)與1553B總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送前的封裝[11]。

1553B總線信息的一個(gè)報(bào)文可以由命令字、狀態(tài)字和0至32個(gè)數(shù)據(jù)字組成。1553B總共定義了10種報(bào)文格式：BC→RT、RT→BC、RT→RT、廣播(BC→RTs)、廣播(RT→RTs)、方式命令、廣播方式命令、帶數(shù)據(jù)字方式命令(發(fā)送)、帶數(shù)據(jù)字方式命令(接收)及帶數(shù)據(jù)字方式命令(廣播)。其中BC→RT、RT→BC報(bào)文格式如圖4和圖5所示。

圖4 BC→RT報(bào)文格式

圖5 RT→BC報(bào)文格式

4 軟件實(shí)現(xiàn)結(jié)果與分析

本次實(shí)驗(yàn)所設(shè)計(jì)的仿真系統(tǒng)中，將本仿真平臺(tái)作為地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)，與飛控計(jì)算機(jī)RT端進(jìn)行通信。通過(guò)HiGale View軟件將模型下載到模型機(jī)(工控機(jī))中，并提供圖形化人機(jī)交互界面，通過(guò)HiGale實(shí)時(shí)監(jiān)控界面查看返回?cái)?shù)據(jù)與對(duì)比結(jié)果。本文設(shè)計(jì)的仿真平臺(tái)已經(jīng)應(yīng)用在多款導(dǎo)彈武器的測(cè)試中，完成了對(duì)導(dǎo)彈武器的性能測(cè)試及地面測(cè)發(fā)控流程的控制，實(shí)驗(yàn)測(cè)試證明，本文涉及的仿真平臺(tái)可以較好實(shí)現(xiàn)基于1553B的仿真平臺(tái)系統(tǒng)通信功能，且通信功能穩(wěn)定可靠，能夠按照工作流程對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行功能測(cè)試，增加了導(dǎo)彈發(fā)射系統(tǒng)的可靠性。

HiGale View觀測(cè)軟件界面如圖6所示：

圖6 HiGale View界面圖

圖中，表格顯示為1553B總線BC端和RT端的輸入輸出實(shí)時(shí)顯示，BC_TxCheck方形按鍵為開(kāi)始檢測(cè)流程開(kāi)關(guān)，圓形指示燈為彈地通訊檢查、進(jìn)入發(fā)射流程、初始對(duì)準(zhǔn)準(zhǔn)備等指令的檢測(cè)結(jié)果，如果完成指定工作則指示燈亮，否則指示燈不亮。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的導(dǎo)彈飛控軟件測(cè)試系統(tǒng)仿真平臺(tái)，采用目前較為先進(jìn)的1553B總線通訊技術(shù)，結(jié)合導(dǎo)彈地面測(cè)試設(shè)備，使用Higale仿真系統(tǒng)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一個(gè)供飛行控制軟件可閉環(huán)運(yùn)行的測(cè)試仿真平臺(tái)。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了基于1553B總線測(cè)試仿真平臺(tái)的功能和性能滿足高通用性、高可靠性通信要求，證明了該方案的合理可行性。