某型机载武器信号模拟台的设计与实现*

孙 科

(中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089)

1 引言

机载武器系统的性能评估是某型飞机鉴定试飞的重要内容，这就使得对该型飞机武器参数进行精确测量成为一个迫在眉睫的课题。在实际的试飞测试中所研制的武器参数采集器属于装机产品，在整个试飞过程中，要随飞机往返于各个靶场和试飞基地，由于使用单位无配套检测设备，对采集器发生的故障难以定位，而返厂检测周期长，严重影响试飞出动效率[1]。因此，必须研制武器参数采集器的检测设备，必要时对武器参数采集器进行检定和维护保障。国内外对设备的自动检测技术的研究较为成熟，但针对试飞测试领域没有提供具体的技术细节。近年来，随着自动化技术的深入发展和试飞测试水平的不断提高，为模拟台的研制奠定了坚实的基础[2,3]。本文以HT-LX800 AMD芯片工控主板为核心处理单元，采用模块化设计理念，设计了该型机载武器信号模拟台，向武器参数采集器提供DC 28.5 V供电，模拟武器参数采集器外部的脉冲信号，包括单极性、双极性以及单目标、多目标信号形式，以及IRIG-B时统信号和秒脉冲信号，实现对武器参数采集器的离位检测，为武器参数采集器使用过程中的维护、故障检测与诊断提供了有效的保障。

2 系统组成与工作原理

2.1 武器参数信号模拟台的系统组成

武器参数信号模拟台采用接口可扩展设计，便于外场使用，主要由CPU主控模块、脉冲信号产生模块、离散量输入输出模块、IRIG-B编码模块、采集器电源模块和模拟台工作电源模块组成，硬件结构框图如图1所示。

Figure 1 Framework of weapon signal generator图1 武器信号模拟台结构组成框图

为了实现设备的标准化使用要求，武器参数信号模拟台机箱底板以及连接器插座均采用即插即用的模块化设计理念，底板采用150芯标准ISA总线与各模块进行连接，底板设有防插错定位销防止误插。

2.2 工作原理

武器参数信号模拟台采用ISA总线接口技术，所有模块通过ISA总线来传输数据和接收控制指令，其工作原理图见图2所示。

Figure 2 Diagram of the weapon parameters signal generator图2 武器参数信号模拟台工作原理框图

CPU控制模块采用内嵌在工控主板上的AMD GX3 LX800-500 MHz芯片,为微处理器的核心，实现对武器参数采集器的开启/关闭记录控制，所有的控制指令均由它产生，它将不同的控制指令经过ISA总线送给各部分模块电路；脉冲信号产生模块模拟武器参数采集器外部的脉冲信号，包括单极性、双极性信号形式，实现对武器参数采集器进行离位检测；IRIG-B编码模块产生IRIG-B时统信号，提供秒脉冲信号；离散量输入输出模块具备继电器隔离控制能力，模拟产生采集器的遥控开关；电源模块提供武器参数采集器所需要的28 V电源及模拟台内部所需的工作电源。

3 硬件设计

3.1 主控模块电路

主控模块电路主要由主板模块、CPU微处理芯片、CS5536南桥、I/O扩展接口组成，在CPU 的控制下实现指令控制和数据存储交换，电路原理框图如图3所示。

主控模块的计算机主板选择150芯插头的HT-X103 LX800军用加固模块，主板外部接口有CF接口、四个USB接口、两个RTL8100CL 10/100M 自适应以太网卡接口、一个LVDS/TTL接口(支持24位真彩LCD)、一个VGA接口(内置AMD LX800芯片组，内建2D显示，支持VGA/LCD显示)、两路RS-232标准串行接口和键盘鼠标接口等；微处理器CPU采用内嵌在工控主板上的AMD GX3 LX800-500 MHz(主频为500 MHz)芯片及CS5536南桥，CS5536集成两个增强型8259中断控制器，级联后提供总共15个中断输入，IRQ0用于系统定时器，其他14个中断请求输入用于板上其他设备。8259中断控制器提供几个内部寄存器，中断请求输入连接两个寄存器-中断请求寄存器(IRR)和中断服务寄存器(ISR)。支持电平触发、边沿触发，独立编程，固定优先级或循环优先级。另外，在CS5536上集成有三个独立功能的计数器/定时器，兼容Intel 8254，操作模式包括计数器到时中断、分频器、方波发生器、软件触发、硬件触发。

实时时钟RTC(Real Time Clock)提供维护时间信息和报警的功能，为分成两个BANK的128 bytes CMOS RAM，分别为系统提供时钟信息和日期信息。由于使用充电电池供电，在系统外部电源关闭后仍可以进入内部工作模式。信息存储方面采用电可擦除芯片存储BIOS，在使用时可以通过BIOS的 SETUP界面编辑设置时间信息。

Figure 3 Framework of main control model图3 主体控制模块原理框图

3.2 脉冲信号产生模块

脉冲信号产生模块是武器参数信号模拟器的核心模块，采用高性能FPGA实现了硬件电路的软件化，在主控模块的控制指令下，产生32路脉宽和频率可调的TTL电平的脉冲，并且每路可以单独控制输出，经过脉冲接口电路调理之后，输出的脉冲信号完全符合武器挂点的导弹脉冲信号和机上设备的同步脉冲信号的标准特性[4]。电路原理框图如图4所示。

Figure 4 Diagram of pulse generator circuit图4 脉冲信号产生模块电路原理框图

利用机载编程软件将配置信息加载到FPGA硬件电路中，在地址译码电路的控制下，经过脉冲接口电路调理之后，模块可以输出以下几种脉冲：

(1)10路幅值为-4 ～-10 V的负极性脉冲，脉宽、频率可调，最高可达2 MHz；

(2)12路幅值为TTL电平的正脉冲，脉宽、频率可调，最高可达2 MHz(其中三路为多路复用，通过设置界面既可以输出TTL电平脉冲，又可以输出RS422电平脉冲)；

(3)两路幅值为8 V±2 V的同步正脉冲，脉宽、频率可调，最高可达2 MHz；

(4)10路RS422电平标准的正脉冲信号；

(5)一路标准视频同步差分信号。

3.3 编码脉冲模块

编码脉冲模块电路原理框图如图5所示。编码脉冲模块实现两大功能：

(1)用于检测接收采集器输出记录容量指示、设备正常和5 V设备内部电源三个输入信号，信号检测电路检测采集器的自检状态，通过ISA总线接口电路将状态信息送入CPU控制电路，在微运算处理后，CPU输出控制数据，控制武器参参数采集器的供电工作和记录功能，并对武器参数采集器进行复位操作[5]。

(2)用于产生武器参数采集器工作所需的IRIG-B时统信号，主要是交流码和PPS秒脉冲信号。

Figure 5 Diagram of encoding pulse circuit图5 编码脉冲模块电路原理框图

3.4 电源模块

电源模块主要是为采集器提供28.5 V电压和信号模拟台自身工作所需要的板载电压。原理框图如图6所示，为满足在试飞环境中电磁兼容及电源特性方面的要求，在电源的输入端，新增加穿芯电容和带EMI功能的整流模块；为抑制干扰，在电源输入输出引脚之间加Y电容进行去耦，这样就解决了二极管电源特性中的欠压浪涌和过压尖锋浪涌问题；在输出级采用共模线圈和电容组成的П型电路对电源实现二次过滤，以减小电路模块间的干扰。

Figure 6 Diagram of power model circuit图6 电源模块电路原理框图

Figure 8 Interface of the weapon parameters signal generator software图8 武器参数信号模拟台软件界面

4 软件设计

模拟台上电工作后，需要进行一系列的初始化工作，其中包括向FPGA发出初始化控制信号，应用程序驻留于武器参数信号模拟台内存中，实现多通道单目标、多目标脉冲叠加的设置，控制32个脉冲产生和关闭；通过串口给IRIG-B电路板发送NMEA0183格式的系统时间信息，即程序运行的当前系统时间，最终使IRIG-B板发送时间交流码传到数采集器上；通过软件控制离散板为武器参数采集器供电、发送记录控制信号；最终实现对武器参数采集器闭环测试、检定功能等[6～8]。

武器参数信号模拟台的软件运行的操作系统为Windows XP,编程语言为C++语言，编译环境为VC++6.0，程序驻留于武器参数信号模拟台的硬盘中。按照上述功能可分为以下几个模块：

(1)初始化模块；

(2)脉冲信号参数设定模块，主要功能为根据用户输入的脉冲信号参数向脉冲产生模块发送控制信息；

(3)开关量输入输出模块，主要功能为根据用户输入对输出开关量进行控制，同时实现输入开关量的读取(与显示)。

武器参数信号模拟台软件工作流程和软件设置界面如图7和图8所示。

Figure 7 Flowchart of the weapon parameters signal generator software图7 武器参数信号模拟台软件工作流程图

根据试飞课题输入各通道的脉冲参数，可设置范围分别是：7号和22号脉冲频率0.2 Hz～3 300 Hz，脉宽1 μs～65 536 μs，其余脉冲频率16 Hz～333 000 Hz，脉宽0.1 μs～6 553.6 μs，各通道脉冲打开后使用默认脉冲参数，确认脉冲参数后点击“脉冲确认输出”。

5 结束语

所设计的武器信号模拟台实现了某型机载武器试飞测试需求中的所有功能，模拟载机火控武器系统输出的各种脉冲信号，包括单极性、双极性以及单目标、多目标信号形式，以及IRIG-B时统信号和秒脉冲信号，实现对武器参数采集器的离位检测，解决了待测系统接口不同、待测信号种类繁多等难题，实现了资源共享和自动测试。

该模拟台自研制完成以来，先后在多架试验机的试飞课题中使用，具有智能化程度高、操作简便、运行稳定、减少检测时的人为误差等优点，为武器参数采集器在使用过程中的维护、故障检测与诊断提供了有效的保障。

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