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(上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109)

運(yùn)載仿真系統(tǒng)中高效測試方案的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

莊瑋，蔡珂，馬玉璘，朱飛翔，于大海

(上海航天電子技術(shù)研究所，上海201109)

為解決運(yùn)載系統(tǒng)高密度發(fā)射及人員壓縮的問題，提出了一種仿真系統(tǒng)中高效測試的方案；在分析傳統(tǒng)系統(tǒng)與現(xiàn)役系統(tǒng)區(qū)別的基礎(chǔ)上，介紹了現(xiàn)役仿真系統(tǒng)的改進(jìn)與優(yōu)化；硬件系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì)，便于設(shè)備的展開與撤收；軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)介紹中重點(diǎn)討論了仿真系統(tǒng)軟件在提高測試效率方面的設(shè)計(jì)方案，包括模擬源的數(shù)字化控制、流程狀態(tài)智能化控制、模擬量輸出的復(fù)用設(shè)計(jì)以及測試流程的多樣性設(shè)計(jì)；給出了部分代碼及程序框圖；用現(xiàn)役系統(tǒng)和傳統(tǒng)系統(tǒng)測試時(shí)間的比較證明了設(shè)計(jì)方法在完成原有仿真功能的同時(shí)，減少崗位人員及人工操作，縮短了測試所需時(shí)間，提高了測試效率；高效測試方案已應(yīng)用于運(yùn)載地面仿真測試中，應(yīng)用效果良好。

仿真系統(tǒng)；高效測試；數(shù)字化；智能化

0 引言

火箭一體化測試發(fā)射控制(以下簡稱測發(fā)控)系統(tǒng)，主要用于火箭控制系統(tǒng)綜合試驗(yàn)、全箭集成綜合試驗(yàn)和發(fā)射場飛行試驗(yàn)階段。軟、硬件配合完成對火箭各分系統(tǒng)及全箭產(chǎn)品的控制和測試功能，并對火箭臨射前的各項(xiàng)工作進(jìn)行控制與監(jiān)測。其中仿真系統(tǒng)主要通過仿真箭上各系統(tǒng)產(chǎn)品，來完成仿真階段對一體化測發(fā)控系統(tǒng)各通路的考核，從而增強(qiáng)其交付前自檢的全面性和完整性。

傳統(tǒng)的仿真系統(tǒng)中主要由仿真控制計(jì)算機(jī)、仿真箭機(jī)、仿真VXI機(jī)箱等組成，所用部件多、測試條件高、信息通信鏈路復(fù)雜?，F(xiàn)役仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用PLC(可編程邏輯器件)代替原有的仿真箭機(jī)及仿真VXI機(jī)箱，在實(shí)現(xiàn)所有仿真功能的同時(shí)簡化仿真系統(tǒng)的測試條件、優(yōu)化測試流程、提高測試效率。

本文基于對傳統(tǒng)、現(xiàn)役測發(fā)控系統(tǒng)中仿真系統(tǒng)的比對，重點(diǎn)介紹了仿真控制軟件以及PLC箭機(jī)模擬軟件的在提高測試效率方面做出的方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過對仿真系統(tǒng)軟件的優(yōu)化用來優(yōu)化信息鏈路、降低錯(cuò)誤概率、提高仿真測試的效率和可靠性。

1 傳統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

傳統(tǒng)的地面一體化測發(fā)控系統(tǒng)仿真系統(tǒng)使用放置于各級固定平臺的信號轉(zhuǎn)接盒將箭地連接信號轉(zhuǎn)接后，通過長電纜轉(zhuǎn)接到工藝間內(nèi)的信號處理組合內(nèi)，用仿真箭機(jī)、模擬電子程配、仿真控制計(jì)算機(jī)和仿真機(jī)箱進(jìn)行處理，如圖1所示。各級信號轉(zhuǎn)接盒內(nèi)只是進(jìn)行信號轉(zhuǎn)接，沒有任何電路。這樣的設(shè)計(jì)及布局造成了設(shè)備過于繁雜、中間環(huán)節(jié)過多、長電纜過多，設(shè)備展開、恢復(fù)、撤收時(shí)間以及測試時(shí)間較長。就軟件而言，實(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜、硬件接口多、控制與通信繁瑣、測試條件嚴(yán)苛。

圖1 傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)組成圖

而在新時(shí)期，高密度的運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)對地面測試發(fā)射控制系統(tǒng)提出了更高的要求——工期縮短、人員減少，這就進(jìn)一步增加了仿真系統(tǒng)對系統(tǒng)優(yōu)化的需求。

2 高效測試方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 現(xiàn)役系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

現(xiàn)役仿真系統(tǒng)遵循簡單、可靠的原則，在不影響測試覆蓋性的基礎(chǔ)上，對智能化仿真系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備優(yōu)化組合，取消了VXI機(jī)箱、仿真箭機(jī)和模擬電子程配，采用分布式處理方式，工控機(jī)加可編程邏輯器件(下文簡稱PLC)模式，在實(shí)現(xiàn)所有仿真功能的前提下，利用數(shù)據(jù)總線簡化各組合之間電纜，減少了硬件設(shè)備，縮短了電纜長度，提高了測試速度、精度及可靠性。PLC采用主基板加擴(kuò)展基板的方式，設(shè)備組成圖(去掉外仿真部分)如圖2所示，其中虛線為網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)線為Profibus連接(包括主機(jī)板與擴(kuò)展基板之間、擴(kuò)展基板與擴(kuò)展基板之間)。

圖2 現(xiàn)役仿真系統(tǒng)設(shè)備組成圖

工控機(jī)及PLC主基板使用常溫的，放在室內(nèi)，PLC擴(kuò)展基板使用寬溫的(溫度范圍從-25～70℃)放在各級信號轉(zhuǎn)接組合內(nèi)，各級信號轉(zhuǎn)接組合可放置在室外的平臺上。

一級信號轉(zhuǎn)接組合內(nèi)放置等效線路、PLC擴(kuò)展基板的AD、DA、DI、DO模塊。等效線路用來模擬箭上一級控制系統(tǒng)的配電器，AD模塊用來接收一級速率陀螺激勵(lì)信號。DA模塊用來模擬一級檢波輸出、功放輸入、功放輸出、舵反饋信號。DI模塊用來接收21K0、舵Ⅰ啟動(dòng)、快慢速調(diào)平、起飛等信號。DO模塊模擬輸出程配1的時(shí)串信號。

二級信號轉(zhuǎn)接組合內(nèi)放置等效線路、PLC擴(kuò)展基板的AD、DA、DI、DO模塊。等效線路用來模擬箭上二級控制、遙測系統(tǒng)的配電器，AD模塊用來接收二級速率陀螺激勵(lì)信號。DA模塊用來模擬二級檢波輸出、功放輸入、功放輸出、舵反饋信號。DI模塊用來接收22K0、舵Ⅱ啟動(dòng)、游機(jī)加溫等信號。DO模塊模擬輸出程配2的時(shí)串信號。

三級信號轉(zhuǎn)接組合內(nèi)放置等效線路、PLC擴(kuò)展基板的AD、DA、DI、DO模塊。等效線路用來模擬箭上三級控制、遙測、外安系統(tǒng)的配電器、二次電源及電磁閥線路。AD模塊用來接收三級速率陀螺、平臺激勵(lì)信號。DA模塊用來模擬三級檢波輸出、功放輸入、功放輸出、舵反饋信號。DI模塊用來接收23K0、舵Ⅲ啟動(dòng)等信號。DO模塊模擬輸出程配3的時(shí)串信號。

仿真信號處理組合內(nèi)放置PLC主基板的CPU、網(wǎng)卡等模塊。CPU模塊是用來對整個(gè)PLC的控制，網(wǎng)卡用來與仿真控制計(jì)算機(jī)之間的通訊。

仿真控制計(jì)算機(jī)是一臺工控機(jī)，內(nèi)置了RS422卡、模發(fā)解碼卡、遙測量模發(fā)卡和網(wǎng)卡。仿真控制計(jì)算機(jī)通過RS422口接收地面計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制指令，并通過網(wǎng)線轉(zhuǎn)發(fā)給PLC主基版的CPU模塊，CPU模塊通過通訊線轉(zhuǎn)發(fā)給各擴(kuò)展基板的擴(kuò)展模塊，各擴(kuò)展基板的功能模塊執(zhí)行各種操作。仿真控制計(jì)算機(jī)接收到起飛命令后，通過模發(fā)解碼卡和遙測量模發(fā)卡來模擬箭機(jī)的模發(fā)通道和三冗余箭機(jī)的數(shù)字遙測量通道。仿真控制計(jì)算機(jī)可以實(shí)時(shí)接收各級PLC模塊的測試數(shù)據(jù)，并及時(shí)進(jìn)行判讀，也可以事后接收并進(jìn)行判讀。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)及難點(diǎn)解決

現(xiàn)役仿真系統(tǒng)軟件包括仿真控制軟件和PLC模擬箭機(jī)軟件。

仿真控制軟件主要通過TCP通訊協(xié)議從主控計(jì)算機(jī)獲取相應(yīng)的控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的測試項(xiàng)目和流程動(dòng)作；通過UDP通訊格式通訊，接收仿真PLC發(fā)送的狀態(tài)變化值及電壓、電流參數(shù)的模擬量；通過控制相關(guān)PCI卡，完成相應(yīng)的模擬測試工作。

PLC模擬箭機(jī)軟件主要通過與仿真控制軟件通訊，解析仿真控制軟件發(fā)出的各種控制指令，執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，包括控制繼電器狀態(tài)、輸出或采集相應(yīng)的激勵(lì)信號、發(fā)出模飛時(shí)序以及程序脈沖等。

下面分別介紹兩個(gè)軟件所解決的技術(shù)難點(diǎn)，主要包括仿真控制軟件的模擬源的數(shù)字化控制和流程狀態(tài)智能化控制以及PLC模擬箭機(jī)軟件的模擬量輸出的復(fù)用設(shè)計(jì)和測試流程的多樣性設(shè)計(jì)。

2.2.1 模擬源的數(shù)字化控制

仿真控制軟件將原有的對VXI的控制以及與仿真箭機(jī)、電子程配等設(shè)備的通訊全部融合在與PLC模擬箭機(jī)軟件之間的控制和通訊中，該方案所取消的對繼電器的控制大大減少了在測試環(huán)節(jié)中的延時(shí)，同時(shí)也減少了仿真控制軟件對板卡的控制、降低了操作不成功所導(dǎo)致的錯(cuò)誤概率。

模擬源的數(shù)字化控制是指為了保證數(shù)據(jù)的正確性，采用固定幀長方式并在數(shù)據(jù)包中添加幀頭、幀尾?；緮?shù)據(jù)格式如表1所示。同時(shí)考慮軟件的可擴(kuò)展性，設(shè)置發(fā)送有效數(shù)據(jù)大小為18BYTE，實(shí)際使用15BYTE；接收有效數(shù)據(jù)大小為30BYTE，實(shí)際使用22BYTE。

表1 基本數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)發(fā)送是通過UDP通訊協(xié)議，將測試項(xiàng)目、控制碼字等發(fā)送給仿真PLC，采用“一位一意”的設(shè)計(jì)方法，即數(shù)據(jù)包中的每bit代表不同的控制碼字或測試項(xiàng)目。由于硬件上部分通路是通用的，即在不同測試項(xiàng)目中需要不同狀態(tài)切換，該工作在傳統(tǒng)仿真系統(tǒng)中由仿真控制軟件依次控制板卡上繼電器的復(fù)位和接通來完成，邏輯復(fù)雜、所需時(shí)間長，大大影響了測試效率。而現(xiàn)役仿真控制軟件上設(shè)計(jì)在每次發(fā)送狀態(tài)控制碼之前先將數(shù)據(jù)段清空，再將所要控制的PLC繼電器在數(shù)據(jù)包中所對應(yīng)的位置1后一并發(fā)送給仿真PLC，仿真PLC只需將數(shù)據(jù)包中為1的bit所對應(yīng)的繼電器接通即可實(shí)現(xiàn)，減少了一半的延時(shí)等待時(shí)間。以伺服系統(tǒng)中一級F1波道測試為例：

memset(Sdy_zt,0,18*sizeof(BYTE)); //清空數(shù)據(jù)段

Sdy_zt[10] = Sdy_zt[10]|32;//變壓器

Sdy_zt[10] = Sdy_zt[10]|64;//F1波道

Sdy_zt[11] = Sdy_zt[11]|2;//單向電壓

Sdy_zt[11] = Sdy_zt[11]|4;//相位比較

Sdy_zt[11] = Sdy_zt[11]|8;//基準(zhǔn)電壓

UDPWrite(writerChannel, sPort_write, sraddress_fs,Sdy_zt, sizeof(Sdy_zt));//發(fā)送控制碼字給仿真PLC。

數(shù)據(jù)接收是通過UDP通訊協(xié)議接收仿真PLC發(fā)送的各DI狀態(tài)數(shù)字量及AI參數(shù)模擬量。軟件設(shè)計(jì)采用分開處理方法：對于DI狀態(tài)數(shù)字量進(jìn)行每幀處理、實(shí)時(shí)顯示并存儲動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)對狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和事后的有效判讀；對于AI參數(shù)模擬量進(jìn)行“按令處理”方式，即僅對與當(dāng)前測試指令有關(guān)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和判讀。該方案減少了不必要的數(shù)據(jù)處理和判讀，縮短了流程時(shí)間。

2.2.2 流程狀態(tài)智能化控制

根據(jù)任務(wù)需求，仿真階段的測試既要滿足覆蓋全面的要求又要提高測試效率，同時(shí)仿真測試又重點(diǎn)詣在通路考核，所以需要近半小時(shí)的模飛就成了重點(diǎn)優(yōu)化項(xiàng)目。

原始方案是仿真控制軟件在接收到主機(jī)的準(zhǔn)備起飛提示后彈出對話框，需進(jìn)行人工選擇后將長/短模飛的選擇下發(fā)至PLC模擬箭機(jī)軟件。而在有模飛的測試項(xiàng)目中，仿真控制崗位人員還要在模飛項(xiàng)目前到三級脫插崗位上進(jìn)行扶脫插工作，同時(shí)還要保證在模飛項(xiàng)目開始時(shí)對長短模飛的選擇提示框進(jìn)行操作，這就要求仿真控制崗位至少有兩個(gè)崗位人員。該方案雖然實(shí)現(xiàn)了對模飛狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)控，但卻增加了系統(tǒng)崗位人員，也增加了人工操作，同時(shí)也提高了人工操作所產(chǎn)生錯(cuò)誤的概率。

現(xiàn)役仿真控制軟件采用“固定源頭，動(dòng)態(tài)可調(diào)”的流程狀態(tài)智能化控制方法。軟件在測試過程中接收主機(jī)發(fā)送的422碼字(該碼字與傳統(tǒng)422通路考核碼字格式不同)，同時(shí)判斷該碼字是長模飛狀態(tài)碼還是短模飛狀態(tài)碼，并在軟件顯示主界面的單選框中顯示，最后在收到起飛信號時(shí)將該狀態(tài)發(fā)送給仿真PLC組合，通過對模飛狀態(tài)的動(dòng)態(tài)調(diào)控實(shí)現(xiàn)流程狀態(tài)智能化控制，邏輯流程如圖3所示。該方法減少了系統(tǒng)崗位人員以及崗位人員的操作的同時(shí)更實(shí)現(xiàn)了縮短測試周期，提高測試效率的要求。

圖3 流程狀態(tài)智能化控制邏輯流程圖

PLC模擬箭機(jī)軟件遵循簡單可靠原則，采用模塊化設(shè)計(jì)思路，設(shè)計(jì)包括網(wǎng)絡(luò)通訊模塊、狀態(tài)采集模塊、繼電器控制模塊、模擬量采集模塊、模擬量仿真輸出模塊、程序脈沖仿真模塊、狀態(tài)復(fù)位模塊以及模飛時(shí)串仿真輸出模塊等8個(gè)模塊。

下面著重介紹PLC模擬箭機(jī)軟件在設(shè)計(jì)上解決的難點(diǎn)：模擬量輸出(下面簡稱AO)的復(fù)用設(shè)計(jì)以及測試流程的多樣性設(shè)計(jì)。

2.2.3 模擬量輸出的復(fù)用設(shè)計(jì)

現(xiàn)役仿真PLC采用西門子300系列SM332型號AO模塊，該模塊對軟件設(shè)計(jì)輸出上有較高的要求：要求對于一個(gè)AO點(diǎn)只能單線圈輸出，若軟件上進(jìn)行了多線圈輸出則會(huì)導(dǎo)致輸出不成功。

而硬件上同一個(gè)模擬量輸出點(diǎn)可能對應(yīng)測試項(xiàng)目中不同輸出參數(shù)，軟件上針對這個(gè)要求設(shè)計(jì)使用“一對一、一對多”方式，采用中間繼電器間接賦值輸出的方法。一對一是指一個(gè)模擬量輸出點(diǎn)對應(yīng)一個(gè)中間繼電器(WORD型)，一對多是指一個(gè)中間繼電器對應(yīng)多個(gè)模擬量數(shù)據(jù)。這樣就可以在賦值模塊通過判斷收到不同測試指令，將不同模擬量數(shù)據(jù)賦值給指定中間繼電器，而在輸出模塊將指定中間繼電器與AO點(diǎn)對應(yīng)即可。該方案簡化了PLC模擬箭機(jī)軟件中邏輯判斷，縮短了功能實(shí)現(xiàn)所需時(shí)間。

程序例子如圖4所示，圖(a)、圖(b)是在不同測試項(xiàng)目中為同一個(gè)中間繼電器賦不同的值，圖(c)為將該中間繼電器的值通過模擬量輸出點(diǎn)輸出。

2.2.4 測試流程的多樣性設(shè)計(jì)

為方便仿真階段通路考核，提高測試效率，PLC模擬箭機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用兩種模擬模飛狀態(tài)的測試流程：短模飛和長模飛。狀態(tài)的選擇是通過接收仿真控制軟件的控制碼，若接收數(shù)據(jù)中代表長短模飛設(shè)置的bit位為1時(shí)，表示此次測試為短模飛狀態(tài)，即將中間繼電器M11.0置1。

軟件設(shè)計(jì)采用直接由PLC內(nèi)部定時(shí)器控制繼電器輸出方法實(shí)現(xiàn)模飛時(shí)串的仿真輸出，該方法省去了仿真控制軟件對PLC模擬箭機(jī)軟件的輸出控制，簡化了控制流程。PLC模擬箭機(jī)軟件接收到起飛信號后，通過判斷M11.0的值接通不同的初始定時(shí)器，順次開啟長模飛或短模飛相關(guān)定時(shí)器，從而實(shí)現(xiàn)對長模飛或短模飛的模擬輸出。

長模飛的各定時(shí)器時(shí)間點(diǎn)按真實(shí)模飛的時(shí)間點(diǎn)設(shè)置；短模飛則去掉時(shí)串與時(shí)串之間10 s以上的時(shí)間差。這樣的處理將傳統(tǒng)30分鐘以上的模飛時(shí)間縮短為不到7分鐘，大大縮短了實(shí)驗(yàn)測試時(shí)間。同時(shí)為減少時(shí)間上的偏差，對定時(shí)器的時(shí)間設(shè)定采用相對時(shí)間差。

圖4 模擬量輸出的復(fù)用設(shè)計(jì)示意圖

3 工程應(yīng)用效果

仿真系統(tǒng)軟件用于一體化測發(fā)控系統(tǒng)交付前各通路的考核，該考核共進(jìn)行四輪，每輪考核包括控制綜合檢查、穩(wěn)定系統(tǒng)綜合檢查、總檢查I、總檢查II以及發(fā)射測試等多個(gè)項(xiàng)目。通過對仿真控制軟件及PLC模擬箭機(jī)軟件在上述方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得測試時(shí)間大大減少。分別將傳統(tǒng)系統(tǒng)與現(xiàn)役系統(tǒng)各項(xiàng)目取5次測試時(shí)間的平均值，匯集數(shù)據(jù)形成表2，其中穩(wěn)定綜合與發(fā)射測試項(xiàng)目中不涉及模飛，所以長模飛狀態(tài)和短模飛狀態(tài)時(shí)的測試時(shí)間一樣。

由表1中數(shù)據(jù)可以看出，在僅統(tǒng)計(jì)控制系統(tǒng)綜合檢查、穩(wěn)定系統(tǒng)綜合檢查、總檢查I、總檢查II以及發(fā)射測試這幾個(gè)測試項(xiàng)目的情況下，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，現(xiàn)役系統(tǒng)在長模飛狀態(tài)下節(jié)省66分鐘，在短模飛狀態(tài)下節(jié)省155分鐘，按每次設(shè)備恢復(fù)期間做1輪長模飛狀態(tài)的仿真測試以及3輪短模飛狀態(tài)的仿真測試來算，現(xiàn)役系統(tǒng)可以節(jié)省至少531分鐘，即8個(gè)多小時(shí)，為設(shè)備恢復(fù)留出了更多余量。

表1 測試時(shí)間比對

4 結(jié)束語

本文基于現(xiàn)役仿真系統(tǒng)介紹了仿真控制軟件和PLC模擬箭機(jī)軟件在提高測試效率方面做出的方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，討論了仿真控制軟件的模擬源的數(shù)字化控制、流程狀態(tài)智能化控制以及PLC模擬箭機(jī)軟件模擬量輸出的復(fù)用設(shè)計(jì)以及測試流程的多樣性設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。通過系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證，這些方法在保證實(shí)現(xiàn)原有功能的前提下簡化了測試條件與操作，減少了系統(tǒng)崗位人員數(shù)及人工操作，縮短了測試所需時(shí)間，壓縮了恢復(fù)周期，提高了測試效率，對高密度火箭發(fā)射期的測發(fā)控任務(wù)有著重要意義。

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DesignandApplicationofHigh-performanceTestProjectbasedonLaunchSimulationSystem

Zhuang Wei, Cai Ke, Ma Yulin, Zhu Feixiang, Yu Dahai

(Shanghai Aerospace Electronic Technology Institute，Shanghai 201109,China)

To solve the problem of the high-density launch of the Launch system and the constringent of the personnel, a project of high-performance test to the Launch simulation system is proposed. Based on analysis of the differences between the traditional system and the active-serviced system, the optimization of the active-serviced system is introduced. Using distribution design in hardware system can be convenient for the equipment’s paving and removing. The projects of the testing efficiency improvement in the simulation system software are discussed, including the digital control of the simulation source, intelligent control of the flow state, duplicate usage of the AO and the diversity design of the testing flow. Some of the code and graphs are provided. The active-serviced system can replace the traditional system on the function. At the same time, the reduction of the manual operation and the testing time, the improvement of the testing efficiency are proved by the comparison of the testing time between the two kinds of systems. The project has be used for the launch ground simulation test. It has good effect.

simulation system; high efficiency test; digitization; intelligentize

2017-04-25；

2017-05-23。

莊 瑋(1986-)，女，黑龍江人，工程師，碩士研究生，主要從事運(yùn)載地面系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2017)11-0018-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.005

TP273

A