基于PC104与DSP的载机发控系统综合检查仪设计

庞 潇

(中国空空导弹研究院 主机配套部，河南 洛阳 471000)

0 引言

空空导弹发射装置用于接收载机任务机及外挂系统命令，控制挂点下空空导弹完成供电、自检及发射等任务[1]；为保障载机升空后空空导弹使用可靠无误，设计发射装置检查仪[2-3]，用于对载机挂装空空导弹的各挂点机架接口、弹架接口的电气性能、功能的测试及检查。

某型载机可挂装四型发射装置及空空导弹，同型导弹可同时挂装四枚以上。执行任务时，存在待检测挂点多、接口信号类型复杂等问题。以往的同类型检查仪存在只能进行单通道测试[4]，只能模拟单型弹测试[5]，扩展射频测试功能还需另行采购射频检查仪等问题。若应用于该型载机，存在使用效率低、测试时间长，配套保障设备种类多、采购成本高等问题。本文设计一型基于PC104与DSP的载机发控系统综合检查仪，既可模拟多型空空导弹，又可单次同时测试载机四个挂点，集成射频检测功能，可有效提高检测效率，减少保障设备数量和种类。

1 硬件设计

1.1 总体设计思路

综合检查仪用于载机挂弹前的飞机发控系统测试，除功能满足要求外，应具备以下特点：1)使用于部队外场、停机坪，应适应外场-40～+65 ℃使用环境；2)应能适应频繁的内外场运输，便携并具备一定的抗震性；3)长期工作于部队场站，作为军用保障设备服役时间长达十数年，应具备良好的可靠性、维修性。

检查仪采用整机一体式，内部模块化设计。整机选用派力肯包装箱安装各个模块，方便运输，提高抗震性；选用PC104总线系统作为主控平台，减小体积；内部按模块化方法设计，各个模块均设计为外场可更换单元，在部队仅需进行故障定位及故障件更换工作，提高维修性；选用宽温元器件、宽温显示器等适应外场环境。

检查仪内部模块有：4个基于DSP2812的嵌入式控制系统的下位机组合；一个基于PC104总线系统的上位机为主控平台；以及射频/数据链组件、GPS组件、电源组件等多个部分。检查仪的系统原理框图如图1所示。

图1 检查仪系统原理框图

上位机PC104总线系统搭载WINCE操作系统，运行显示控制程序，主要执行测试数据管理、下位机管理和人机交互功能。上位机支持USB、VGA、RS232、GPIO等接口，支持输入、输出设备如显示器、触摸屏、鼠标键盘及打印机等外设，构成主控平台。下位机的4个嵌入式控制系统完全独立，每个可模拟四型导弹测试单一挂点的总线、离散量信号，并行完成4个挂点的测试，做到实时响应。上下位机间使用RS232通讯，PC104采用中断的方式接收下位机传来的测试信息，及时地更新显示结果，并下发任务指令。

射频/数据链组件完成射频信号处理转换，GPS组件完成卫星定位信号处理转换，电源组件完成整机各个模块的供电控制。

1.2 主控平台设计

1.2.1 主控板选型

主控板选用盛博公司的宽温PC104[6-7]主板SCM9022。该主板基于Intel®AtomTMD525(1.8 GHz，双核)处理器，板载1 GB DDR3 SDRAM，集成Intel®GMA3150支持VGA+LVDS双显示功能(最高分辨率20 48×1 536@60 Hz), 尺寸为90 mm×96 mm，适应工作温度-40～85 ℃，贮存温度-55～85 ℃，功能满足数据管理需要，性能适应外场工作环境，体积小便于整机小型化。

主控板接口丰富：支持6个232接口，用于与下位机通讯；4个USB接口，用于连接鼠标、键盘和显示屏；SATA接口，用于连接外置移动硬盘存储试验数据；GPIO接口，用于供电等开关量控制。

1.2.2 双显示设计

检查仪配备两个显示器，一是手持远端可移动显示器；二是检查仪面板自带显示器。

手持显示器可在载机座舱操作，方便地勤人员控制载机下发指令时，同时观察测试信息。该显示器采用VGA信号接口、尺寸8英寸、分辨率1 024×768，即保证显示信息充足，又保证手持方便。自带显示器采用VGA信号接口、尺寸12英寸、分辨率1 024×768。双显示器亮度大于800 nits,保证在较强阳光下可视；可视角度为水平140度、垂直140度广角，视野较佳。均使用电阻式触摸屏，并配有加温装置，适应检查仪应用场所-40～+60 ℃的环境。

检查仪一般放置在载机机翼下，距离飞机座舱12米以上，因受制于保密及充电等问题，不考虑无线方案。设计显示电缆一根，长15米，为手持显示器传递供电、USB和VGA等信号。因距离太长，在电缆中设计USB和VGA信号中继器对信号进行放大，防止信号衰减导致的显示效果不佳。

1.2.3 面板接口复用设计

检查仪面板上设计4个99针航空连接器Y23P-2990TK，用于分别对接同时测试的4个弹架接口。将四型弹架接口的供电、点火、离散量、总线信号等根据信号特性归类复用，归并至一个连接器上进入检查仪。不同弹型的区分通过电缆的型号识别IO完成。实现了检查仪4个对外主插座对接多种被测接口的能力。

GPS信号、数据链/射频信号通过专用射频电缆、面板SMA射频连接器引入检查仪，与数字信号隔离开。

1.3 测试终端

下位机由4个一样的测试终端组成，是基于DSP的单板控制系统。单个终端可由控制电路、接口电路和模拟负载等几部分组成，共同实现四型导弹的机弹通讯功能的模拟。

1.3.1 控制电路

控制电路由主控芯片、逻辑处理电路、总线处理电路等几部分组成。

1)主控芯片：

主控芯片完成对载机下发的AD、IO、RS232、429、1553信号进行测试，对GPS处理模块转发的RS232、IO信号进行测试，对数据链/射频处理模块转发的429、RS232、IO信号进行测试，信号符合导弹要求后，根据通讯协议模拟导弹回传导弹状态信息。模拟导弹从供电至发射离轨的全状态输入输出信号管理。

主控芯片选用TI公司TMS320F2812处理器。该处理器[8]是32位定点微控制单元(MCU)，主频率最高可达到150 MHz，有56个多路复用I/O引脚(可编程)，具备SCI、I2C、SPI、CAN、PWM、ADC、定时器等多种外设，功能满足使用需求，符合高低温、振动测试要求，满足部队使用环境。

2)逻辑处理及总线控制电路:

四型导弹主要采用429总线、1553总线两类传输数据。采用总线接口芯片+逻辑处理芯片方式实现该功能。逻辑处理芯片选用赛灵思公司的XC95144在系统可编程CPLD,具有144个宏单元、3 200个可用逻辑门单元，满足逻辑处理需求。

429总线[9]接口芯片选用DEI公司的DEI1116，总线驱动器选用DEI公司的DEI1072。DEI1116传输速率为100 kpbs，含单通道发送器一个、独立接收通道两个和可编程控制器。DEI1072完成发送信号的±15 V驱动。429总线接口原理如图2所示。

图2 ARINC429总线控制电路

1553总线控制电路总线接口芯片选用BU61864，耦合变压器选用TST-9007组成。BU61864封装形式为CQFP72，16 MHz频率，可提供1553B数据总线和16 bit宽数据总线接口。该芯片集成了BC/RT/MT功能，具有灵活的存贮器/主处理器接口[10]，可扩展64 Kx16外部RAM。1553总线接口原理如图3所示。

图3 1553总线控制电路

3)离散量处理电路：

IO功能使用F2812自带的56个多路复用I/O引脚实现。AD采集选用SPI接口模数转换芯片SAD025MC，输入范围为±20 V，精度12位，分辨率达到5 mV，满足系统测试需求。DA芯片选用AD公司的DAC8412，精度为12位，控制精度满足需求。

1.3.2 接口电路

接口模块主要负责输入输出信号的调理，含有光耦采集电路、电平转换电路、继电器输出电路等，其主要原理如图4所示。

图4 接口模块电路原理

其中，光电耦合器选用进口的TLP621-4，配合限流/上拉等外围器件，将发射控制电路的28 V/0 V/悬空等离散信号转换为标准的TTL电平，用于DSP采集；电平转换采用LM124运算放大器、AD536交直变换器及高精度电阻等将电压转换到±20 V以内，用于控制板采集；驱动芯片选取SNJ54LS244/245，用于输出信号的电流驱动；继电器选用固态继电器JGW-3M/JGW-3023A及电磁继电器等，将输出信号发送给发射控制电路。

1.3.3 模拟负载

检查仪可模拟导弹供电、加载、电池激活、发动机点火等多个信号的实际负载，测试发射控制电路在带载时的驱动能力。选取RXG12-50 W功率电阻模拟各信号负载。采用复用技术模拟时序上非同步信号的负载，从而减少电阻数量。具体阻值由信号电压及负载电流大小确定。

1.4 辅助组件设计

1.4.1 电源处理电路

检查仪使用载机28 V电源，选用前端稳压模块WPM-300S-H对载机电源进行防过压、浪涌抑制等前端处理，选用瞬态抑制二极管、储能电容等做尖峰抑制和欠压保护；由电源模块WDM65-2815、WDM30-28515等模块完成电平转换工作，再由滤波器处理后供给各组件使用。组件的上电断电由PC104的IO管脚根据导弹通电时序确定，尽量减小功率损耗及各组件的电磁干扰。

1.4.2 GPS处理模块

GPS处理模块由北京东方联星的高精度导航模块及相应处理电路组成，可进行北斗/GPS卫星定位信号的接收和解码，处理后经串口发送给PC104显示。

1.4.3 射频/数据链处理模块

射频/数据链处理模块由高频、中频、译码等多部分处理电路组成，完成载机雷达转发的高频信号、测试终端(模拟导弹)发送的429总线、串口、离散量等信号间的相互转换，实现机弹的高频通讯。

2 软件设计

测试应用软件的设计分为两部分，上位机搭载WINCE操作系统，使用VC++编写主控平台测试程序；下位机使用C语言编写测试终端测试程序。

2.1 显控软件设计

主控平台测试程序使用VC++[11]编写，主要功能是：1)与操作者交互，显示测试信息并接受用户指令；2)与4个测试终端通讯，实时接收测试信息并发送操作指令；3)测试数据管理。

2.1.1 人机界面

界面设计上，使用C++建立基于对话框的应用程序，主要使用CButton类、CEdit类和CStatic类对界面上的按钮、编辑框和静态文本框进行个性化设计，自定义的CRoundButton和CRectButton类实现圆形按钮、按钮变色等功能。达到显示信息丰富、显示界面美观、操作简单的目的。采用标签页的形式显示4个挂点的测试信息，配合触摸屏可方便使用。

2.1.2 与下位机通讯

平台软件通过4个RS232接口实时与4个测试终端进行通讯。采用了Mscomm控件进行串口编程，利用串口收发中断事件来触发运行相应的中断服务程序，实时将测试信息显示在界面消息框中，实时更新关键信号。

2.1.3 数据管理

平台软件将每次测试的数据以文本方式保存至PC104硬盘，点击界面测试结果按钮，用户可随时查看以往的结果，支持按日期、型号等方式搜索数据。其中，故障数据以红色突出显示。

2.2 测试终端软件设计

测试终端搭载的测试软件即嵌入式DSP处理器TMS320F2812上烧写的C语言程序，用于模拟导弹的工作特性，测试载机下发的总线、离散量信号。

2.2.1 测试软件组成

测试软件按照模块化的设计思想设计，软件功能模块结构如图5所示。

图5 测试软件功能模块划分

模块化设计完成后，针对多种弹型的不同信号，在信号调理后转换为标准的几类信号，调用相应的功能模块进行数据处理，软件执行效率高。数据管理模块将终端本次测试正常数据、故障数据汇总发送给上位机。

2.2.2 测试流程

测试软件模拟某型导弹测试的简明流程图如图6所示。

图6 测试软件简明流程

3 应用效果及问题解决

3.1 装备应用情况及分析

检查仪功能汇总见表1。

表1 检查仪功能实现情况

该型检查仪已定型并装备部队，经过近3年的实际应用及数据统计，性能如表2所示。

表2 检查仪性能

3.2 典型问题及解决

3.2.1 主板断电问题

检查仪使用载机28 V直流电源供电。 测试中，因测试故障、载机设备重启等原因，可能导致检查仪突然断电，造成PC104操作系统的系统文件丢失等异常，引起检查仪出现蓝屏、黑屏等故障。

定制了专用裁剪版WINCE操作系统[11],具有以下优点：1)体积小，占用硬盘空间小于500 MB；2)写保护，避免没有管理员权限操作者修改计算机内容；3)突发断电时保护操作系统。

3.2.2 电磁兼容性设计

检查仪可对两型导弹的机弹射频通道进行检测，内部设有两型射频辅助模块。该模块对外与载机雷达进行高频通讯，对内部测试终端进行总线429、RS232、离散量通讯。因该模块内含高频收发、高中低频转换等电路，对整体设备的电磁兼容性影响很大。

设计上通过以下3个措施提高检查仪的电磁兼容性[12-13]：1)全金属屏蔽：使用铝制金属外壳将射频模块完全封闭，仅在屏蔽壳上留出连接器，最大限度地减少该模块与外界的相互影响；2)针对性选用滤波器件：在供电和供电地导线中串入宽频共模扼流线圈，抑制电源/地线干扰；根据电路运行频率特性，选用三端滤波器，抑制电路板上的传导干扰和高频电磁辐射；3)供电控制：根据模块工作实际情况，动态控制模块的通断电，最大限度减少模块工作时间，避免不必要的干扰。

3.2.3 双显示器设计

为方便用户使用，检查仪配备两个显示器，一是检查仪面板自带显示器；二是手持远端带触屏显示器。面板上显示器用于地面机务人员观察测试进度；远端显示器用于飞机座舱，满足机务同时操作飞机和检查仪，提高测试速度。

但手持显示器距离检查仪主机12米以上，通过显示长电缆传输供电、USB和VGA信号；面板自带显示器通过内部线缆接收主板VGA和供电信号。从PC104的VGA接口引出的一分为二的显示电缆长度分别为15米和0.5米，供电、USB和VGA信号长距离传输，会导致信号衰减和信号干扰等问题，影响显示效果。

解决方法：1)显示电缆中增加带外供电的USBHUB作为中继器，保证USB信号的稳定可靠传输；主板输出的VGA信号使用二路VGA分配器，外接9 V电源、带宽250 MHz、最大传输距离不小于30米，保证信号强度和显示效果；2)显示电缆采用带铜箔屏蔽网的套管作为电缆套，内部电源线与信号线使用屏蔽套分别包裹，避免内外部干扰；3)将检查仪送来的单路28 V/GND信号，分别通过DC/DC模块隔离、滤波器滤波，减少两显示器显示电缆长度差距过大造成的地线不平衡问题。

4 结束语

针对某型飞机发射装置的测试需求存在待测接口信号多、测试效率低等问题。设计一型上下位机分离、并行测试、统一控制显示的综合检查仪，可较好的满足使用场景和用户需求，与已装备其他检查仪相比，该型产品特点如表3所示。

表3 检查仪新老型号比较

通过比较可知，该型检查仪在功能、性能上比以往型号有较大提升，满足了该型飞机多型发射装置的测试需求，提高了测试效率。虽然单台成本上比已定型单一型号检查仪要高，但是，因单一型号检查仪需要采购多台，且不同型号发射装置测试需要更换检查仪，相比之下，新型检查仪的装备达到了成本、时间双节约的目的，提升了部队的战斗力。