刘航航,马 骥,李晓颖,郭彦辰,于岳辰

(西安现代控制技术研究所, 西安 710065)

0 引言

目前制导火箭弹主要运用了弹道修正技术和制导技术,加装改进了制导控制系统及部件,这些部件涉及到机械、电子、计算机、自动控制、信息处理等领域,组成复杂,系统性强[1-2],一个关键器件或部件发生故障会导致整个武器系统不能工作或制导精度、作战效能大大降低,因此非常有必要对经过贮存或运输后的火箭弹进行状态确认。国内已有相关单位对导弹展开了检测设备的研发[3-4],也有单位对火箭弹发控系统或弹上某些部件展开了检测研究工作[5],但未见对火箭弹检测方案的研究报导。文中提出的基于嵌入式系统的多管火箭弹道修正弹检测设备,适用于箱装状态下多管火箭弹的检测,可在厂房、仓库、技术阵地等场合快速完成检测工作,具有很大的应用潜力。

1 总体方案

总体测试方案如图1所示,火箭弹是在箱装状态下进行检测,检测设备通过信息交换单元配合完成对火箭弹的检测。为节约成本和简化硬件系统,设计检测设备一次只能检测一发火箭弹,信息交换单元主要完成对指定火箭弹供电电源和控制信号的切换。如要对整箱火箭弹进行检测,可按照次序控制信息交换单元进行切换。

图1 检测设备系统框图

火箭弹检测系统主要由供电组件、检测设备主机组成,供电组件为检测设备主机、信息交换单元及火箭弹提供能源；主机主要功能是控制供电组件为信息交换单元及储运发箱内的火箭弹供电,并输出激励信号、完成时序控制、数据采集分析、检测结果输出,数据存储与导出等功能。

将检测设备记录的数据及结果导出进行统一管理,进行长期的跟踪与监测,可以完整了解火箭弹在贮存、运输过程中状态的变化情况,为火箭弹的保养维修、贮存管理、可靠使用奠定良好的基础。

2 硬件设计方案

硬件功能框图如图2所示,主要包括主控模块、存储模块、供电控制模块、通讯接口、电源控制接口以及人机交互等模块。

图2 硬件系统框图

2.1 主控模块

检测设备的硬件电路是基于NXP公司的ARM控制器LPC2294设计的,该芯片是一款具有极高集成度并以ARM7TDMI-S为内核的微控制器, CPU可以高达72 MHz的系统时钟运行,集成丰富的片内资源,此外可通过总线外扩控制器。主控模块还包括晶振、复位电路、外扩SRAM,复位信号通过MAX708控制输出,外扩SRAM通过数据总线和控制总线访问,其容量为512 KB。

2.2 以太网接口模块

设计有2路以太网接口,微控制器通过一路以太网接口与信息交换单元进行数据交互,通过另一路接口向上位机导出存储的数据。以太网接口设计方案如图3所示,微控制器通过数据总线、读使能信号、写使能信号和指令信号、复位信号、片选信号和中断信号对以太网控制器进行访问、控制及数据收发。以太网接口电路包括以太网控制器、网络变压器和晶振。以太网控制器选用DM9000系列产品,该控制器内集成了10/100 M自适应的PHY和4K DWORD的SRAM,支持3.3 V和5.0 V,提供了介质无关的接口,支持8/16/32位接口访问内部存储器,完全符合IEEE 802.3U规格。

图3 以太网接口设计方案示意图

2.3 数据存储模块

数据存储方案选用成熟可靠的SD卡AF512SDI进行存储。微控制器与SD卡二者电平匹配可以直连;并通过P型MOS管可以控制SD卡的电源信号;操作前可以通过在位检测信号判定SD卡是否插接到位;数据线、命令线、时钟线采用PESD器件提供静电保护。

2.4 电源接口控制模块

为确保检测的安全性与可靠性,只有在检测设备自身状态正常的前提下才可以给被测对象供电,如果被测对象状态异常时需要第一时间切断供电电源,因此微控制器通过继电器控制火箭弹电源的通断,控制信号经达林顿管ULN2003驱动控制继电器的开启与闭合,从而达到控制供电电源通断的目的。ULN2003是7通道的达林顿管阵列,单通道可承受最大500 mA的灌电流,因此,可同时实现多路的信号切换控制,而且该芯片内部集成了反向续流二极管,具有较好的保护性。

2.5 人机交互模块

人机交互模块包括功能输入按键和状态显示模块两部分。检测设备设计有多路DI接口,用于采集判定用户的按键操作。状态显示模块选用成熟的串口屏,微控制器与显示屏之间通过RS232接口进行数据交互,将用户操作的提示信息,检测过程中的关键信息、状态、告警信息,检测结果等信息输出至显示屏,以尽可能实现友好的人机交互。微控制器采用内部集成的UART模块进行数据的收发管理。

2.6 二次电源模块设计

为了减少检测设备对被测产品的影响,检测设备对外接口与核心控制电路采取了隔离措施,因此供电电源进入控制电路后经DC/DC和LDO分别转化为VCC5.0和VCC3.3两路供电信号,其中VCC5.0给UART接口芯片、数字隔离器等供电,VCC3.3给微控制器、数字隔离器等供电。

3 软件设计方案

3.1 软件架构设计

火箭弹检测设备软件基于μCOS-Ⅱ实时嵌入式操作系统设计开发。架构如图4所示,程序分为应用层与驱动层,驱动层封装了对以太网、串口等各模块控制信号的操作与数据读写,各个模块独立封装,便于后续程序的修改与维护;应用层按照检测流程与时序实现信息交互。

图4 软件架构示意图

软件整体架构是基于μCOS操作系统的多任务机制,并设置了外部以太网中断、串口中断和内部周期为T的定时器中断。当通讯接口有数据到来时,外部中断会触发相应的数据接收任务完成对数据的接收;内部定时器每隔T时间产生一次中断,该中断启动应用层逻辑处理的任务,在该任务中查询是否有接收到以太网或串口数据或者用户按键输入,依据用户输入指令执行对应的功能模块,对接收数据进行判定、分析,并执行相关的数据回复、流程控制或者状态输出,详见图5。

图5 软件工作示意图

3.2 软件功能设计

软件功能主要包括自检、检测、辅助三大功能。火箭弹检测设备软件上电初始化完成自检后,实时轮询用户按键输入、通讯接口输入信息,按照功能指令执行相关检测、辅助功能模块,并及时输出有关状态信息,软件工作流程见图6。

图6 软件工作流程示意图

3.2.1 自检功能

为确保产品可靠工作以减免外部激励对被测对象的不良影响,检测设备在对火箭弹检测之前首先要进行自检,自检模块包括RS232通讯接口、NET通讯接口、存储模块等,通讯接口通过外部电缆形成回路进行数据收发确认,存储模块自检通过微控制器的数据操作实现。自检完成后输出自检结果,如果状态异常可辅助指导用户快速定位故障单元。

3.2.2 检测功能

进入检测流程后,用户首先设置检测方案,检测方案分两种,一是对指定管位的火箭弹检测,二是对整箱火箭弹进行检测,设置完成控制电源输出给信息交换单元和火箭弹供电,并判定被测对象的自检状态,如自检结果正常进行信息交互实现对要求功能的检测,并对采集的数据进行处理、分析,给出判定结果并显示。

3.2.3 辅助

辅助功能主要包括记录查询、数据导出及记录删除。

用户可以查询检测记录,检测设备默认给出历史检测记录,用户可根据需求对特定管位的火箭弹检测记录进行检索。

数据导出有两种方案,一种是将SD卡取出借助于外部设备进行导出,另一种方案是上位机通过以太网接口与检测设备交互,检测设备软件按照上位机指令要求从SD卡读取数据并上传。

用户可以对记录的数据进行清除,当记录较多影响用户使用体验时可以对部分或全部记录删除;此外在战场特殊状态用户不希望数据存留时可一键操作清除所有数据。

4 结束语

1)火箭弹检测设备硬件系统基于ARM微控制器设计,充分利用了微控制器的资源和总线,实现对外部多接口、多功能模块的管理,为火箭弹的检测设备研制奠定良好基础。

2)火箭弹检测设备软件基于μCOS操作系统设计,采用多任务机制,高效可靠的实现了对火箭弹的检测任务。驱动层各个模块独立封装,应用层借助于中断响应实现数据接收管理,便于后续程序的修改与维护。

3)有关应用和试验情况表明检测设备可以对火箭弹的状态做出有效的有价值的评估,为火箭弹生命周期内的保障维护工作提供有力的数据支撑。

4)火箭弹检测设备具有较好的软硬件架构和通用性,借助于信息交换单元具备了良好的通用性和可扩展性,可快速适配于基于相同武器平台研制的火箭弹的检测。