基于嵌入式技術(shù)的通用模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究及應(yīng)用

胡鍇冰,高 遠(yuǎn),劉冬雪

(海裝駐北京地區(qū)第二軍事代表室,北京 100039)

0 引言

飛行器發(fā)射前需進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)、匹配試驗(yàn)、對(duì)接測(cè)試、接口測(cè)試、性能測(cè)試等調(diào)試、驗(yàn)證環(huán)節(jié),為避免測(cè)試時(shí)對(duì)飛行器造成損害、對(duì)其壽命造成不良影響,在測(cè)試系統(tǒng)中使用飛行器模擬系統(tǒng)代替飛行器,模擬飛行器對(duì)地面發(fā)控系統(tǒng)的輸入、輸出、通信等電氣接口,在飛行器發(fā)射前完成對(duì)發(fā)射控制系統(tǒng)的軟硬件接口檢測(cè)、功能驗(yàn)證、人員訓(xùn)練等。隨著飛行器的發(fā)展和技術(shù)更迭,在原有系列產(chǎn)品基礎(chǔ)上衍生出多種類(lèi)型的飛行器產(chǎn)品,針對(duì)不同系列的型號(hào)產(chǎn)品,需要各自配備能滿足測(cè)試、訓(xùn)練要求的飛行器模擬裝置,模擬裝置通用性低、重復(fù)性投入多、研制周期長(zhǎng)的問(wèn)題日益凸顯。

隨著電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,嵌入式技術(shù)以其自身的強(qiáng)時(shí)效性、低功耗、高專用性等優(yōu)勢(shì)成為現(xiàn)代科技發(fā)展中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù),目前已廣泛應(yīng)用于軍用領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域和通信領(lǐng)域[1]。基于嵌入式技術(shù)的通用飛行器模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法,模擬飛行器電氣電路、通信及工作狀態(tài),可適配多種類(lèi)型的飛行器。由于嵌入式系統(tǒng)可編程的特點(diǎn)[2],使模擬系統(tǒng)具有更好的靈活性、可擴(kuò)展性和通用性。

1 通用模擬訓(xùn)練系統(tǒng)概述

通用模擬訓(xùn)練系統(tǒng)采用DSP +CPLD 嵌入式架構(gòu),充分利用DSP 和CPLD 豐富的IO 資源和編程資源,為模擬系統(tǒng)的通用性提供資源保證。模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的硬件平臺(tái)資源可覆蓋當(dāng)前各型飛行器模擬系統(tǒng)功能需求,輸入、輸出信號(hào)通道設(shè)計(jì)均有余量。針對(duì)不同測(cè)試需求,僅需根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整軟件中輸入、輸出信號(hào)通道數(shù),選擇通信接口類(lèi)型,即可滿足測(cè)試所需的資源。

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)硬件主要由信號(hào)調(diào)理模塊、計(jì)算機(jī)控制模塊和通信模塊組成,實(shí)現(xiàn)輸入控制信號(hào)檢測(cè)、模擬狀態(tài)信號(hào)輸出、模擬彈地通信等飛行器模擬功能[2]。通用模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 通用模擬訓(xùn)練系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Block diagram of general simulation training system

計(jì)算機(jī)控制模塊通過(guò)自動(dòng)讀取飛行器類(lèi)型信息,完成控制信息采集、狀態(tài)信號(hào)輸出功能以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。信號(hào)調(diào)理模塊實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的隔離和輸出信號(hào)的變換。通信模塊實(shí)現(xiàn)多種類(lèi)、多通道通訊接口,以便滿足不同型號(hào)飛行器產(chǎn)品模擬的需求,與計(jì)算機(jī)控制模塊之間通過(guò)SPI 總線進(jìn)行信息交互,通信模塊功能相對(duì)獨(dú)立,通過(guò)更換具有不同通信接口的模塊即可與更多的飛行器類(lèi)型相適配,具有良好的可擴(kuò)展性。

根據(jù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)選用的硬件平臺(tái),可實(shí)現(xiàn)的電氣功能指標(biāo)總結(jié)如表1 所示。

表1 電氣功能指標(biāo)Tab.1 Electrical function index

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 計(jì)算機(jī)控制模塊設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)控制模塊以DSP 為控制核心,DSP 芯片及其外圍電路組成CPU 控制單元,根據(jù)類(lèi)型設(shè)置信息確定輸出電壓的通道數(shù)量和輸入信號(hào)檢測(cè)通道數(shù)量,完成信息處理、程序及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。DSP通過(guò)總線連接CPLD 擴(kuò)展IO,CPLD 解析DSP 的指令后相應(yīng)的GPIO 動(dòng)作實(shí)現(xiàn)輸入IO 檢測(cè)和輸出IO控制。DSP 和CPLD 的調(diào)試JTAG 接口引出到模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的對(duì)外連接器上,方便實(shí)時(shí)調(diào)試和程序升級(jí)。DSP 外擴(kuò)SRAM 和FLASH,進(jìn)行程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。計(jì)算機(jī)控制模塊通過(guò)串行外設(shè)接口SPI 控制與通信模塊之間的數(shù)據(jù)交互。按照類(lèi)型設(shè)置信息,模擬對(duì)應(yīng)型號(hào)飛行器的自檢通信、飛行器測(cè)試等通信功能的模擬。計(jì)算機(jī)控制模塊組成如圖2 所示。

圖2 計(jì)算機(jī)控制模塊組成框圖Fig.2 Block diagram of computer control module

DSP 采用TI 公司的TMS320 系列處理器,該芯片利用改進(jìn)的哈佛總線結(jié)構(gòu)與多流水線技術(shù),內(nèi)部集成硬件乘法器可大大提高系統(tǒng)的浮點(diǎn)或定點(diǎn)的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力[3]。器件內(nèi)部集成了存儲(chǔ)資源、可編程I/O、定時(shí)器和SPI 等通信接口,其強(qiáng)大的功能和豐富的資源確保模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

CPLD 選用Xilinx 公司的XC2C512-10FG324I,具有512 宏單元,低功耗、快速特性的可編程系統(tǒng),四塊獨(dú)立的IO BANK 提供270 個(gè)可用IO,滿足多路信號(hào)控制和檢測(cè)的需求。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理模塊作為執(zhí)行模塊,將輸入的轉(zhuǎn)電控制、激活通路檢查等控制信號(hào)送光耦隔離,輸出至CPLD 的IO 端口供DSP 檢測(cè)查詢。針對(duì)不同的輸入信號(hào)采用積分電路和鎖存器提升輸入信號(hào)平滑性,剔除瞬態(tài)抖動(dòng)干擾。DSP 軟件根據(jù)通訊協(xié)議輸出控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作,繼電器觸點(diǎn)的閉合或斷開(kāi)模擬飛行器通斷量電氣信號(hào),繼電器觸點(diǎn)切換輸出電壓模擬飛行器的開(kāi)關(guān)量電氣信號(hào)[4]。信號(hào)調(diào)理模塊組成如圖3 所示。

圖3 信號(hào)調(diào)理模塊組成框圖Fig.3 Block diagram of signal conditioning module

2.3 通信模塊設(shè)計(jì)

通信模塊由DSP 單元、FPGA 單元及隔離驅(qū)動(dòng)電路組成,如圖4 所示。其中DSP 單元包含SPI 協(xié)議控制器,用于解析來(lái)自計(jì)算機(jī)控制模塊的指令和通信接口的控制操作[5],如1553B 通道的RT 地址使能、RS-422 接口波特率和字格式的設(shè)置、CAN 通信接口波特率設(shè)置等,為與外部接口速率相匹配且留有余量,SPI 接口波特率配置為5 Mbps;DSP 內(nèi)部的CAN 通信模塊與外部的驅(qū)動(dòng)電路共同實(shí)現(xiàn)CAN通訊接口。FPGA 單元實(shí)現(xiàn)RS422 和1553B 通訊協(xié)議,配合外圍隔離電路[6],完成通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。通信模塊中每路通訊可以獨(dú)立工作,互不干涉,根據(jù)識(shí)別的飛行器類(lèi)型,系統(tǒng)軟件使能一種通訊接口完成飛行器模擬功能。

圖4 通信模塊組成框圖Fig.4 Block diagram of communication module

為滿足多種系列飛行器模擬功能測(cè)試需求,通信模塊硬件實(shí)現(xiàn)2 路異步422、2 路雙冗余1553B 總線通信和2 路CAN 通信。異步422 通信接收端采用光耦隔離,接口為典型的RS -422 四線接口。每一路1553B 總線均提供兩個(gè)數(shù)據(jù)總線接口(MuxA和MuxB),進(jìn)行雙余度通信鏈接[7];電路接口使用隔離變壓器進(jìn)行隔離。CAN 總線驅(qū)動(dòng)電路提供差動(dòng)的發(fā)送、接收功能,配合總線保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)CAN通訊接口[8]。

通信模塊與外部互聯(lián)的SPI 接口物理上只需選通信號(hào)SPI_CS、時(shí)鐘信號(hào)SPI_CLK、輸入信號(hào)SPI_DI 和輸出信號(hào)SPI_DO 四根線,接口設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,便于擴(kuò)展,只需更換其他不同種類(lèi)的通信接口模塊即可滿足相匹配的飛行器模擬和訓(xùn)練需求。

3 系統(tǒng)主要軟件

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)軟件包含計(jì)算機(jī)控制模塊的DSP軟件和CPLD 軟件、通信模塊的DSP 軟件和FPGA軟件。計(jì)算機(jī)控制模塊的CPLD 軟件和通信模塊的FPGA 軟件均作為各自模塊的協(xié)處理器軟件,執(zhí)行DSP 軟件的指令。CPLD 軟件完成離散GPIO 信號(hào)輸入狀態(tài)讀取和輸出設(shè)置功能,為防止對(duì)關(guān)鍵輸入信號(hào)的誤判斷,除在硬件上設(shè)置濾波電路外,軟件中包含了去抖功能,檢測(cè)到輸入信號(hào)變?yōu)橛行щ娖胶竺扛?00 μs 讀取一次信號(hào)狀態(tài),連續(xù)8 次均為有效電平則判定檢測(cè)到的是有效的輸入信號(hào),否則判定為無(wú)效信號(hào)。軟硬件結(jié)合剔除信號(hào)毛刺的方式,有效提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。FPGA 軟件集成RS422 和1553B 通信協(xié)議IP 核,實(shí)現(xiàn)SPI 與RS422或1553B 通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換。

模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的主要工作流程由計(jì)算機(jī)控制模塊的DSP 軟件和通信模塊的DSP 軟件完成,軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境為CCS,它是TI 公司推出的專用于DSP開(kāi)發(fā)的集成性開(kāi)發(fā)工具。

計(jì)算機(jī)控制模塊的DSP 軟件為本系統(tǒng)的主控軟件,包含上電自檢、類(lèi)型識(shí)別、通信類(lèi)型選擇、參數(shù)傳輸?shù)裙δ堋Ｖ骺谼SP 軟件的流程圖如圖5 所示。

圖5 DSP 軟件流程圖Fig.5 Flowchart of DSP software

通信模塊內(nèi)部的DSP 軟件內(nèi)部包含SPI 控制模塊、通信協(xié)議控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊,主要用于各類(lèi)通信接口的配置。通信模塊內(nèi)部的DSP 軟件流程圖如圖6 所示。

圖6 通信模塊DSP 軟件流程圖Fig.6 DSP software flowchart of communication module

4 結(jié)束語(yǔ)

電子技術(shù)不斷發(fā)展和高科技環(huán)境下的軍事需求促使飛行器性能不斷提升,型號(hào)的更新?lián)Q代促使模擬訓(xùn)練系統(tǒng)隨之適配升級(jí)。根據(jù)不同飛行器發(fā)控系統(tǒng)的測(cè)試功能需求,設(shè)計(jì)一種具有通用性的飛行器模擬訓(xùn)練系統(tǒng),具有良好的可擴(kuò)展性和靈活性,可大大降低飛行器訓(xùn)練和模擬的硬件成本、人力成本和時(shí)間成本,解決了配套模擬訓(xùn)練系統(tǒng)種類(lèi)繁多、研制周期長(zhǎng)、研制成本高等問(wèn)題,目前已成功應(yīng)用于多個(gè)型號(hào)的飛行器模擬訓(xùn)練中,功能和性能均達(dá)到了使用要求,對(duì)其他類(lèi)似功能設(shè)備的研制也具備一定的參考意義。