楊 娜，鄒 勇，康雋睿

（中國(guó)兵器工業(yè)第203研究所，西安 710065）

0 引言

傳統(tǒng)武器系統(tǒng)的發(fā)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本上都是采用PC104作為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，軟件基于DOS進(jìn)行開(kāi)發(fā)。隨著武器系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)發(fā)控系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)響應(yīng)能力的要求也越來(lái)越高，而傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方式無(wú)法滿(mǎn)足新的多任務(wù)的要求，同時(shí)也為了方便軟件的調(diào)試、升級(jí)，采用多任務(wù)的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)成為推進(jìn)武器系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要手段。采用PC104作為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)時(shí)，為了滿(mǎn)足發(fā)控系統(tǒng)的性能需要，需要將各種板子堆棧起來(lái)，這樣導(dǎo)致體積大、功耗大。而采用PowerPC作為硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)時(shí)，可以輕松的將滿(mǎn)足功能要求的芯片都集成在一塊板子上，節(jié)省了箱體的體積，降低了功耗。與DOS相比，DeltaOS具有多任務(wù)處理能力，可降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可維護(hù)性及系統(tǒng)間的可移植性。

以PowerPC微處理器為基礎(chǔ)，結(jié)合嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DeltaOS，研制了基于MPC8280微處理器的發(fā)控系統(tǒng)。介紹了該發(fā)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方案及調(diào)試工具。

1 PowerPC處理器

PowerPC嵌入式微處理器是一種高性能、低功耗的RISC（精簡(jiǎn)指令集）芯片。20世紀(jì)90年代，由IBM、Apple和Motorola公司成功開(kāi)發(fā)了PowerPC芯片，并制造出基于PowerPC的多處理器計(jì)算機(jī)。PowerPC處理器有非常強(qiáng)的嵌入式功能、較低的能量損耗以及較低的散熱量。PowerPC架構(gòu)可伸縮性好、方便靈活［1］。

在發(fā)控系統(tǒng)中采用的PowerPC處理器是由FREESCALE公司開(kāi)發(fā)的MPC8280，MPC8280是一款16／32位RISC結(jié)構(gòu)的低成本高性能微處理器，這款產(chǎn)品采用FREESCALE公司的內(nèi)核，支持嵌入式片內(nèi)斷點(diǎn)仿真調(diào)試。

2 DeltaOS軟件平臺(tái)

DeltaOS是目前我國(guó)依靠自己的技術(shù)和力量自主開(kāi)發(fā)的最成熟的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以良好的可持續(xù)發(fā)展能力、高性能的內(nèi)核以及友好的用戶(hù)開(kāi)發(fā)環(huán)境，在嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)領(lǐng)域占一席之地。DeltaOS主要包括：具有高可靠性和實(shí)時(shí)性的內(nèi)核DeltaCORE，嵌入式TCP／IP DeltaNET，嵌入式文件系統(tǒng)DeltaFILE以及嵌入式圖形接口DeltaGUI。DeltaOS可以嵌入到32位CPU為核心的各種電子設(shè)備中。作為應(yīng)用程序運(yùn)行的支撐環(huán)境，DeltaOS所提供的各種機(jī)制可以使電子設(shè)備中的應(yīng)用程序在多任務(wù)環(huán)境下運(yùn)行，同時(shí)滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)人員在開(kāi)發(fā)電子設(shè)備時(shí)的基本需求，比如：實(shí)時(shí)響應(yīng)外部事件、存儲(chǔ)管理以及聯(lián)網(wǎng)需求等。DeltaOS已成功地應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、通信產(chǎn)品、工業(yè)控制及軍用電子產(chǎn)品中。

3 發(fā)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

發(fā)控系統(tǒng)是武器系統(tǒng)中必不可缺的一部分，其工作環(huán)境是一個(gè)與地面各控制系統(tǒng)、彈載計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行信息交互、通信，并且受到時(shí)間約束的環(huán)境。發(fā)控系統(tǒng)是用來(lái)完成導(dǎo)彈發(fā)射前準(zhǔn)備、發(fā)射導(dǎo)彈、操縱控制導(dǎo)引頭指向目標(biāo)、控制導(dǎo)彈按導(dǎo)引律飛行的成套裝置［2］，由發(fā)控電子箱（含操控單元和解算單元）、顯示控制箱（顯控單元）、點(diǎn)火選彈箱、左手柄、右手柄、射手控制盒、射手顯示器和配套電纜組成。

發(fā)控系統(tǒng)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DeltaOS，調(diào)試開(kāi)發(fā)工作在開(kāi)發(fā)環(huán)境LambdaPRO中進(jìn)行。

3.1 發(fā)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

發(fā)控系統(tǒng)包含三塊PowerPC板，操控板、解算板、顯控板，三塊板子均選用內(nèi)核電壓僅為1.5V，IO電壓3.3V的低功耗 MPC8280處理器，工作頻率450MHz，并集成了一個(gè)通信處理模塊（CPM），CPM分擔(dān)了嵌入式PowerPC核的外圍工作任務(wù)，這種雙處理器體系結(jié)構(gòu)功耗要低于傳統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)處理器，效率也得到了提高。PowerPC板還集成了控制電路、輸入輸出接口和存儲(chǔ)器等嵌入式硬件，搭建了一個(gè)基于PowerPC處理器的高性能硬件平臺(tái)。

操控板具有如下功能：

1）具有上電自動(dòng)復(fù)位功能、掉電保護(hù)功能、復(fù)位自檢功能，并輸出自檢結(jié)果信號(hào)；

2）三路CAN接口，一路接入彈上CAN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與彈載計(jì)算機(jī)的信息交互；一路接入地面CAN網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)與地面相關(guān)子系統(tǒng)（包括綜合管理器、定位定向、指揮終端、伺服、周觀、駕駛員終端、圖像跟蹤器、端機(jī)和智能配電箱）的信息交互；一路接入發(fā)控系統(tǒng)的顯控單元和解算單元，實(shí)現(xiàn)與顯控單元和解算單元的信息交互；

3）三路RS422，用來(lái)實(shí)現(xiàn)與兩個(gè)射手控制盒、點(diǎn)火選彈箱的信息交互；

4）24路I／O，用來(lái)查詢(xún)8個(gè)有無(wú)彈信號(hào)、8個(gè)開(kāi)蓋信號(hào)以及8個(gè)切線信號(hào)。

解算板具有如下功能：

1）具有上電自動(dòng)復(fù)位功能、掉電保護(hù)功能、復(fù)位自檢功能，并輸出自檢結(jié)果信號(hào)；

2）一路CAN接口，用來(lái)實(shí)現(xiàn)與發(fā)控系統(tǒng)的操控單元進(jìn)行信息交互。

顯控板具有如下功能：

1）具有上電自動(dòng)復(fù)位功能、掉電保護(hù)功能、復(fù)位自檢功能，并輸出自檢結(jié)果信號(hào)；

2）一路CAN接口，用來(lái)實(shí)現(xiàn)與發(fā)控系統(tǒng)的操控單元進(jìn)行信息交互；

3）一路RS422，用來(lái)實(shí)現(xiàn)顯示器的4個(gè)不同頁(yè)面（綜合顯示頁(yè)面、觀瞄頁(yè)面、態(tài)勢(shì)頁(yè)面以及導(dǎo)引頭頁(yè)面）的切換。

操控板系統(tǒng)框圖如圖1所示，解算板系統(tǒng)框圖如圖2所示，顯控板系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖1 操控板系統(tǒng)框圖

圖2 解算板系統(tǒng)框圖

3.2 發(fā)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

發(fā)控軟件根據(jù)嵌入式軟件的設(shè)計(jì)思想把發(fā)控軟件分為BSP（硬件驅(qū)動(dòng)程序）和應(yīng)用程序兩部分。

1）BSP（硬件驅(qū)動(dòng)程序）。其目標(biāo)是在組成發(fā)控系統(tǒng)的硬件與在發(fā)控系統(tǒng)中運(yùn)行的應(yīng)用程序之間提供一個(gè)固定的接口。該接口可用來(lái)在未知系統(tǒng)硬件和運(yùn)行狀態(tài)的情況下對(duì)應(yīng)用軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。大多數(shù)硬件可以在對(duì)應(yīng)用軟件無(wú)任何影響的情況下變更，BSP的存在保證了系統(tǒng)應(yīng)用軟件的高效運(yùn)行。BSP包括對(duì)應(yīng)用軟件的控制、調(diào)度和對(duì)I／O過(guò)程的局部參與的控制。通過(guò)BSP，應(yīng)用軟件在邏輯上與硬件隔離。

圖3 顯控板系統(tǒng)框圖

發(fā)控軟件中的BSP包括串口驅(qū)動(dòng)、CAN口驅(qū)動(dòng)、I／O 驅(qū)動(dòng)、顯卡 驅(qū)動(dòng)、定時(shí)器驅(qū)動(dòng)。

圖4 應(yīng)用程序調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序

在嵌入式系統(tǒng)中調(diào)用BSP通常有三種方式：應(yīng)用程序直接調(diào)用、應(yīng)用程序通過(guò)操作系統(tǒng)內(nèi)核調(diào)用以及應(yīng)用程序通過(guò)操作系統(tǒng)的擴(kuò)展模塊進(jìn)行調(diào)用。發(fā)控系統(tǒng)軟件中采用了這三種調(diào)用方式，圖4所示為應(yīng)用程序調(diào)用硬件驅(qū)動(dòng)程序。

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

2）應(yīng)用程序。主要目標(biāo)是通過(guò)調(diào)用底層軟件完成發(fā)控系統(tǒng)相應(yīng)的功能。應(yīng)用程序與硬件在邏輯上是隔離的，因此當(dāng)整個(gè)軟件完成以后，如果硬件設(shè)計(jì)方面不理想而需要改動(dòng)時(shí)，只需改動(dòng)BSP即可，由此極大地方便了軟件的維護(hù)性以及系統(tǒng)的升級(jí)。在保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可靠性的前提下，采用多任務(wù)調(diào)度及時(shí)間片輪轉(zhuǎn)的方法，多任務(wù)劃分的原則有：I／O依賴(lài)性原則、時(shí)間關(guān)鍵性的功能原則、大計(jì)算量的功能原則、功能內(nèi)聚原則、時(shí)間內(nèi)聚原則、周期執(zhí)行的功能原則。根據(jù)多任務(wù)劃分的原則，發(fā)控系統(tǒng)操控單元的任務(wù)劃分為：CAN任務(wù)、串口任務(wù)、I／O 任務(wù)；解算單元的任務(wù)劃分為：CAN任務(wù)、解算任務(wù)；顯控單元的任務(wù)劃分為：CAN任務(wù)、串口任務(wù)、GUI任務(wù)。軟件設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。對(duì)于操控單元、解算單元和顯控單元的流程圖只需要依次替換圖5中的任務(wù)即可。

圖6 系統(tǒng)的集成調(diào)試過(guò)程

4 系統(tǒng)的集成測(cè)試與調(diào)試

采用Abatron公司的BDI3000進(jìn)行在線調(diào)試應(yīng)用程序，可進(jìn)行單步調(diào)試、全速運(yùn)行、斷點(diǎn)設(shè)置、觀察點(diǎn)和跟蹤點(diǎn)設(shè)置、寄存器、內(nèi)存和堆棧察看、命令行接口等，使開(kāi)發(fā)者可以迅速方便的實(shí)現(xiàn)軟件的調(diào)試。

發(fā)控系統(tǒng)軟件在LambdaPRO中使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，進(jìn)行調(diào)試的步驟如圖6所示。

5 小結(jié)

發(fā)控系統(tǒng)通過(guò)采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)DeltaOS實(shí)現(xiàn)和管理系統(tǒng)，構(gòu)建了一個(gè)基于MPC8280處理器的高性能計(jì)算、管理平臺(tái)，以滿(mǎn)足系統(tǒng)的高速響應(yīng)和實(shí)時(shí)特性。通過(guò)對(duì)處理單元進(jìn)行軟件編程就可滿(mǎn)足各種系統(tǒng)功能，具有很強(qiáng)的擴(kuò)展能力和通用性，同時(shí)也有較好的可靠性和抗干擾能力，為將來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制提供了高性能的計(jì)算和管理平臺(tái)。經(jīng)測(cè)試、電氣聯(lián)試、仿真以及外場(chǎng)試驗(yàn)表明，系統(tǒng)在復(fù)雜惡劣環(huán)境下，具有較高的實(shí)時(shí)性和可靠性，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

［1］張京.嵌入式軟件開(kāi)發(fā)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008.

［2］趙育善，吳斌.導(dǎo)彈引論［M］.西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2006.

［3］羅蕾.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及應(yīng)用開(kāi)發(fā)［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

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［5］DeltaGUI3.0編程手冊(cè)［Z］.北京科銀京成技術(shù)有限公司，2006.