竹武林,范惠林,劉成亮,侯滿義

(空軍航空大學(xué)航空軍械系,吉林長春 130022)

某型武裝直升機(jī)裝備了第三代觀瞄裝置,實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的搜索、探測(cè)、捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn),觀瞄裝置的性能決定了武器系統(tǒng)的跟蹤性能、瞄準(zhǔn)精度和命中精度.對(duì)觀瞄裝置的工作性能進(jìn)行檢測(cè),將有助于提高觀瞄裝置和整個(gè)武器系統(tǒng)的工作可靠性,保證武器正常發(fā)射和精確命中.本文研究實(shí)現(xiàn)了基于PC/104的觀瞄裝置檢測(cè)系統(tǒng).

1 檢測(cè)原理與需求分析

觀瞄裝置是光、機(jī)、電一體化系統(tǒng),裝有多種精密光電器件,各種信號(hào)交織復(fù)雜.觀瞄裝置的光電吊艙內(nèi)部安裝有紅外熱像儀、電視觀瞄儀、激光測(cè)距機(jī)等光電組件和加速度、角度位置傳感器、陀螺儀等,此外還有力矩電機(jī)、伺服電路和驅(qū)動(dòng)電路.其系統(tǒng)組成如圖1所示.電子箱接收光電吊艙的狀態(tài)數(shù)據(jù)、火控信息、圖像信息,以及武器控制單元的火控參數(shù)等,經(jīng)過轉(zhuǎn)換后傳輸給綜合顯示器、火控計(jì)算機(jī)和武器控制單元,同時(shí)將外部操作命令和火控計(jì)算機(jī)命令進(jìn)行處理,轉(zhuǎn)換成指令,控制瞄準(zhǔn)線運(yùn)動(dòng)和操作系統(tǒng)各組件[1].

光電吊艙與電子箱之間的通信接口采用的是RS-422標(biāo)準(zhǔn).因此檢測(cè)系統(tǒng)與光電吊艙進(jìn)行RS422通信,采用主從通信方式獲取吊艙內(nèi)紅外、電視和激光等部件傳感器的自檢信息、狀態(tài)信息和參數(shù)信息,以確定各部件的工作狀態(tài).

火控計(jì)算機(jī)與武器控制單元之間通過ARINC429總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信.檢測(cè)系統(tǒng)模擬火控計(jì)算機(jī),預(yù)存火控解算結(jié)果,轉(zhuǎn)換成429編碼數(shù)據(jù),與武器管理單元通信[2],針對(duì)檢測(cè)任務(wù)項(xiàng)將命令數(shù)據(jù)發(fā)送到武器控制單元;并接收武器控制單元上傳的響應(yīng)、數(shù)據(jù)和狀態(tài)指示等.檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)關(guān)系如圖2所示.

圖1 觀瞄裝置組成Fig.1 The structure of observing and aiming equipment

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信號(hào)關(guān)系圖Fig.2 Relations between data flows in the test system

觀瞄裝置各機(jī)構(gòu)部件的供電均為直流電,共有+28 V,+15 V,-15 V,+12 V,-12 V,+5 V 6種電壓提供給各組件.檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量經(jīng)過電子箱后提供給光電吊艙的6路電壓信號(hào),檢測(cè)電壓變化情況及對(duì)觀瞄裝置性能的影響.

由于PC/104模塊體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高,將PC/104嵌入式工業(yè)測(cè)控平臺(tái)應(yīng)用到檢測(cè)系統(tǒng)的開發(fā)中,其模塊化的堆棧結(jié)構(gòu),使得系統(tǒng)易于配置,能顯著提高在復(fù)雜環(huán)境下的檢測(cè)性能.因此檢測(cè)系統(tǒng)以PC/104嵌入式系統(tǒng)為控制核心,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)任務(wù)的調(diào)度管理、數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)的采集處理和顯示等功能[3].

檢測(cè)軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能:①管理通信接口卡和數(shù)據(jù)采集卡的硬件資源;②運(yùn)行檢測(cè)軟件,管理調(diào)度檢測(cè)任務(wù);③實(shí)現(xiàn)串行通信協(xié)議和ARINC429協(xié)議;④實(shí)時(shí)收發(fā)和處理數(shù)據(jù).

檢測(cè)軟件平臺(tái)選擇Windows XP,軟件開發(fā)環(huán)境選擇VisualC++6.0.

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要由PC104計(jì)算機(jī)、串行通信卡、ARINC429總線接口卡、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路板、LCD顯示器、電源及鍵盤鼠標(biāo)組成,如圖3所示.系統(tǒng)擴(kuò)展板卡共占用68個(gè)8 b IO空間地址,避開主板已占用的地址,在BIOS設(shè)置了3個(gè)板卡的基地址和地址空間大小.

觀瞄光電吊艙的組件OCU、TV、LR、FLR與檢測(cè)系統(tǒng)之間通信的速率、數(shù)據(jù)幀長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容不同,因此將串行通信卡提供的4個(gè)端口分別對(duì)應(yīng)4個(gè)部件,每個(gè)通道單獨(dú)接收,降低了軟件處理數(shù)據(jù)的復(fù)雜性[4].每個(gè)通道16Bytes的FIFO緩沖區(qū),使得系統(tǒng)忙的時(shí)候,避免了因不能快速處理中斷而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失,降低了CPU的負(fù)載.

檢測(cè)系統(tǒng)通過ARINC429總線與武器管理單元和光電吊艙通信,每個(gè)通道配有獨(dú)立的256 b×16 b的FIFO.

在檢測(cè)6路電壓信號(hào)時(shí),設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路,將各路電壓變換到A/D卡模擬量輸入的范圍內(nèi).同時(shí)檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)通信避開電源信號(hào),防止干擾.

圖3 硬件系統(tǒng)組成框圖Fig.3 The framework of hardware system

3 軟件設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

3.1 檢測(cè)軟件結(jié)構(gòu)和功能

檢測(cè)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)[5],分為觀瞄自檢、傳感器功能檢測(cè)、火控信息檢測(cè)、數(shù)據(jù)文件管理和用戶管理5個(gè)模塊.軟件的邏輯結(jié)構(gòu)如圖4所示.

圖4 檢測(cè)軟件邏輯結(jié)構(gòu)圖Fig.4 The logical structure of the software

軟件初始化包括軟件界面庫和驅(qū)動(dòng)程序接口函數(shù)庫的加載,板卡的參數(shù)設(shè)置,通信參數(shù)設(shè)置,通信板卡的上電自檢,用戶界面線程、數(shù)據(jù)接收線程和數(shù)據(jù)處理線程的創(chuàng)建.

自檢模塊在觀瞄上電后檢測(cè)系統(tǒng)向觀瞄發(fā)送強(qiáng)制自檢命令,觀瞄向檢測(cè)系統(tǒng)回復(fù)自檢信息,完成觀瞄的自檢;傳感器檢測(cè)模塊和火控信息檢測(cè)模塊分別對(duì)各自部件的檢測(cè)進(jìn)行控制,向檢測(cè)部件發(fā)送控制命令,接收響應(yīng)信息并進(jìn)行處理,確定各部件的狀態(tài);數(shù)據(jù)文件管理模塊實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的自動(dòng)保存、調(diào)閱,Excel文件的管理等;用戶管理模塊負(fù)責(zé)用戶目錄的創(chuàng)建,提供登錄檢測(cè)軟件、更改用戶和密碼等服務(wù).

3.2 多線程處理

檢測(cè)系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)接收和處理觀瞄發(fā)送的命令響應(yīng)信息,而Windows XP操作系統(tǒng)是非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),為了保證系統(tǒng)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性,軟件采用了多線程技術(shù).在軟件初始化時(shí),創(chuàng)建了用戶界面線程和兩個(gè)數(shù)據(jù)接收線程.用戶界面線程負(fù)責(zé)界面處理,包括響應(yīng)用戶的輸入和各種事件消息[6].對(duì)于實(shí)時(shí)性要求不高的電壓量數(shù)據(jù),軟件初始化時(shí)創(chuàng)建定時(shí)器,在消息響應(yīng)函數(shù)中實(shí)現(xiàn)定時(shí)采集電壓量信號(hào),并進(jìn)行處理和顯示.

串口數(shù)據(jù)接收線程通過查詢方式循環(huán)檢測(cè)各通道的FIFO,當(dāng)FIFO里有數(shù)據(jù)并且判斷數(shù)據(jù)量大于等于數(shù)據(jù)幀長度時(shí),接收數(shù)據(jù);而ARINC429數(shù)據(jù)接收線程一直檢測(cè)通道的FIFO,FIFO不為空時(shí)接收數(shù)據(jù).串口數(shù)據(jù)接收控制流程如圖5所示.

圖5 串口數(shù)據(jù)接收控制流程Fig.5 The control flow of receiving serial data

3.3 串行通信差錯(cuò)控制

串行通信通常采用主從式結(jié)構(gòu).本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)工作在主站模式,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的組成、數(shù)據(jù)的發(fā)送接收和處理,觀瞄工作在從站模式,響應(yīng)主站的命令并回復(fù)相應(yīng)的狀態(tài)信息[7].

觀瞄收到檢測(cè)系統(tǒng)的控制命令后作出響應(yīng),向檢測(cè)系統(tǒng)回復(fù)相應(yīng)的狀態(tài)信息,數(shù)據(jù)幀格式包括兩方面的內(nèi)容:即檢測(cè)系統(tǒng)下發(fā)給觀瞄控制命令和觀瞄上傳給檢測(cè)系統(tǒng)的狀態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù).圖6所示為狀態(tài)信息編碼格式[8].

直升機(jī)上有多種電子設(shè)備,電磁環(huán)境復(fù)雜,數(shù)據(jù)通信過程中會(huì)受到多種噪聲信號(hào)的干擾,為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?數(shù)據(jù)通信必須有差錯(cuò)控制功能.串行通信采用限定時(shí)間接收和計(jì)算校驗(yàn)兩種方法來判斷數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤,并進(jìn)行差錯(cuò)處理[9].

當(dāng)接收到一幀數(shù)據(jù)后,首先計(jì)算各字節(jié)的校驗(yàn)和,與數(shù)據(jù)幀的校驗(yàn)字節(jié)比較,若不相同即接收信息無效,檢測(cè)系統(tǒng)不對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并顯示錯(cuò)誤信息.而觀瞄則不執(zhí)行錯(cuò)誤的控制命令.

在主從式通信方式中,通信由主站發(fā)起,當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出一幀數(shù)據(jù)后,檢測(cè)軟件啟動(dòng)一個(gè)定時(shí)器,如果在定時(shí)器設(shè)定的時(shí)間內(nèi),檢測(cè)系統(tǒng)沒有收到觀瞄的應(yīng)答幀(即狀態(tài)數(shù)據(jù)信息),檢測(cè)系統(tǒng)則作出超時(shí)響應(yīng),并重發(fā)數(shù)據(jù)[10],若超出規(guī)定的發(fā)送次數(shù)仍無響應(yīng),檢測(cè)軟件報(bào)告通信錯(cuò)誤.串行通信控制流程如圖7所示.

圖6 狀態(tài)信息編碼格式Fig.6 The format of coding status information data

圖7 串行通信控制流程Fig.7 The control flow of serial communication

4 結(jié)束語

PC/104嵌入式計(jì)算機(jī)作為控制核心的觀瞄裝置檢測(cè)系統(tǒng),采用多線程,提高了檢測(cè)的實(shí)時(shí)性,采用差錯(cuò)控制技術(shù),提高了數(shù)據(jù)通信的可靠性.應(yīng)用結(jié)果表明,整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理,工作可靠,檢測(cè)精度高,操作維護(hù)方便,在功能上完全滿足對(duì)直升機(jī)觀瞄裝置的測(cè)試需求,提高了故障檢測(cè)與診斷效率,提高了武裝直升機(jī)的維護(hù)保障能力.

[1]李陽.武裝直升機(jī)晝夜觀瞄系統(tǒng)電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析[D].南京:南京理工大學(xué),2004.

[2]陳芳.基于PC/104的ARINC429通訊總線的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京:南京航空航天大學(xué),2005.

[3]王虎,段哲民,王海濤.基于多線程的太陽能陣列數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2009,17(1):228-230.

Wang Hu,Duan Zhemin,WangHaitao.Multi-threaded dataacquisition system of solararrays[J].Computer Measurement&Control,2009,17(1):228-230.(in Chinese)

[4]張超,許化龍.導(dǎo)彈控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2009,17(10):2015-2017.

Zhang Chao,Xu Hualong.Design of data acquisition system based on PC/104Bus for missile control system[J].Computer Measurement&Control,2009,17(10):2015-2017.(in Chinese)

[5]王婷,朱莊生.星務(wù)管理軟件框架設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2010,S1:34-37.

Wang Ting,Zhu Zhuangsheng.Design and realization of the housekeeping software frame[J].Journal of System Simulation,2010,S1:34-37.(in Chinese)

[6]劉書智,李琳娜.Visual C++實(shí)踐與提高——串口通信與工程應(yīng)用篇[M].北京:中國鐵道出版社,2009:41-53,131-140.

[7]李文明,張濤,鄭麗娜.基于主從多機(jī)通信控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2008,16(5):657-659.

Li Wenming,Zhang Tao,Zheng Lina.Design and realization of multi-chip communication of master and slave[J].Computer Measurement&Control,2008,16(5):657-659.(in Chinese)

[8]張海林,楊勇.自動(dòng)化系統(tǒng)中的串行通信協(xié)議的設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2003,31:159-160,218.

Zhang Hailin,Yang Yong.The design of serial communication protocol in automatic control system[J].Computer Engineering and Applications,2003,31:159-160,218.(in Chinese)

[9]杜曉滔.基于PLC和串行通信的船舶電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2008.

[10]徐會(huì)杰.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中串行通信協(xié)議的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].河南科技大學(xué)學(xué)報(bào):(自然科學(xué)版),2008,29(5):30-32.

Xu Huijie.Design and implementation of serial communication protocolin data acquisition system[J].Journalof Henan U-niversity ofScience&Technology,2008,29(5):30-32.(in Chinese)