(中國空空導彈研究院,河南 洛陽 471009)

在作戰(zhàn)飛機航電綜合試驗中，需要進行武器/懸掛物綜合試驗，測試飛機對武器/懸掛物進行控制管理的功能和性能。武器/電子艙段參與試驗是一個必不可少的環(huán)節(jié)，可以真實地檢測飛機與武器/懸掛物的適應性。但由于操作和成本上的限制，在實驗室使用武器/電子艙段很不方便，或者實驗室不具備試驗條件，如考核飛機的武器發(fā)射/投放功能試驗，并且在試驗過程中需要檢測飛機對武器/懸掛物各種故障模式的處理能力，武器/電子艙段也不具備模擬故障的能力，因此需要研制武器模擬器，實現(xiàn)對武器/懸掛物的半實物模擬，參與航電綜合試驗。隨著武器種類越來越多，需要的武器模擬器種類也越來越多，如果針對每一型武器都研制獨立的模擬設(shè)備，會導致模擬設(shè)備的數(shù)量越來越多、試驗成本越來越大，因此需要研制一套通用武器模擬設(shè)備，以適應不同類型武器掛載模擬的需求。

GJB 1188A規(guī)定了飛機與懸掛物之間的電氣接口，標準化了全部的總線、供電、離散線、高帶寬、低帶寬等信號的特性和部分使用邏輯，使得通用化武器模擬器的研制成為可能。本文針對GJB 1188A接口的武器，設(shè)計了一套通用型的武器模擬器，不更換或更換少量的硬件，通過增加不同類型的武器模擬軟件模塊，實現(xiàn)同時模擬多型武器的目的。

1 設(shè)計需求

模擬器模擬武器和發(fā)射裝置，主要設(shè)計需求包括：

(1) 同時模擬武器數(shù)量：12個。

(2) 對外接口為飛機與懸掛物間的接口，基本符合GJB 1188A，每個武器模擬接口包括：

① 總線信號：符合GJB 289A要求，單通道雙余度。

② 供電輸入信號：

直流28 V電源，包括電源1、直流電源2、輔助直流；

直流270 V，1路；

交流115 V，4路。

③ 離散線信號：

輸入信號，6個地址線，與地址回線構(gòu)成通/斷；投放允許，信號特性為28 V/斷；

輸出信號：聯(lián)鎖和聯(lián)鎖回線，信號特性為通/斷。

④ 高、低帶寬信號,包括GPS輸入信號、視頻輸出信號、脈沖輸出信號等。

⑤ 其他非GJB 1188A中規(guī)定的接口信號，包括2路CAN總線、1路投放信號(輸出，28 V/斷)、1路應急投放信號(輸出，28 V/斷)等。

(3) 武器工作邏輯應符合專用規(guī)范的要求。

通過聯(lián)鎖和聯(lián)鎖回線做為掛載飛機的狀態(tài)；通過地址線識別掛點號；作為RT，通過GJB 289A總線與飛機進行數(shù)字通信；使用來自飛機的直流電源、交流電源作為武器用電；通過高、低帶寬信號傳輸GPS、復合視頻等信號。

2 系統(tǒng)概述

2.1 系統(tǒng)功能

武器模擬器采用物理手段模擬武器及其發(fā)射裝置的全部功能，主要功能如下：

① 提供模擬武器的所有對外電氣接口；

② 其電氣接口、通信接口、工作邏輯和時序符合武器專用接口控制文件、規(guī)范等頂層要求，工作過程主要包括掛載、上電、識別、參數(shù)裝訂、準備、發(fā)射和離機等各階段；

③ 運行可配置：通過操作人員對武器掛載方案的設(shè)置，包括武器類型、武器掛載情況等配置，重構(gòu)運行任務(wù)，可以同時模擬多種類、多數(shù)量武器，目前暫定為可同時模擬12枚武器；

④ 具有故障模擬的功能，通過操作人員對各類型武器故障模式的設(shè)置，武器模擬器在運行過程中插入對應的故障；

⑤ 為保證通用性，不模擬電氣負載，當有電氣負載試驗要求時，可在外部接入電子負載直接與飛機相連。

2.2 工作原理

為完成武器的半實物模擬，將武器模擬器從邏輯上劃分為兩個部分：對外接口模塊和武器仿真模塊，原理框圖如圖1所示。

對外接口模塊為物理仿真[1]，實現(xiàn)之前所描述的與飛機交聯(lián)的各類型電氣接口，完成與飛機的總線通信與電氣信號交聯(lián)。武器仿真模塊是武器模擬器的核心部分，采用數(shù)字仿真的方式，模擬各型武器的工作邏輯和工作過程，通過運行駐留在CPU中的軟件完成，它從對外接口模塊中獲取飛機對武器的操作信息，經(jīng)綜合處理后，將武器的行為狀態(tài)通過對外接口模塊進行輸出，反饋給飛機。

圖1 武器模擬器原理框圖

3 系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1 總體設(shè)計

采用嵌入式計算機的架構(gòu)方式，由嵌入式計算機內(nèi)置的功能板卡實現(xiàn)對外接口，由武器仿真軟件實現(xiàn)武器發(fā)控邏輯。嵌入式計算機和功能板卡盡量采用COTS產(chǎn)品[2]，以提高設(shè)備的標準化設(shè)計程度。除高、低帶寬信號外，其他信號的特性在GJB 1188A中已經(jīng)非常明確，面向一般使用，高帶寬信號接口設(shè)計為GPS信號、復合視頻信號，低帶寬信號接口為脈沖信號。對外接口留出足夠的余度，以方便擴展。

在嵌入式計算機內(nèi)部對各個功能板卡信號進行梳理，形成N組掛點信號接口，對應N個武器，分別接入到設(shè)備的后面板航空插座上，通過后面板航空插座與飛機的N個掛點接口相連。

操作系統(tǒng)采用WindowsXP，采用C++語言進行編程，提供圖形化人機操作界面。

3.2 硬件設(shè)計

武器模擬器對外接口復雜，交聯(lián)信號類型和數(shù)量多，特別是飛機與武器間信號的邏輯和時序關(guān)系有嚴格的要求，必須滿足實時性要求，因此選用PXI[3]架構(gòu)的嵌入式計算機。PXI在PCI的基礎(chǔ)上，增加了專用的的系統(tǒng)參考時鐘、觸發(fā)總線、星形觸發(fā)等機制，滿足武器模擬器所需的高精度定時、同步和數(shù)據(jù)通信的要求。在PXI機箱內(nèi)配置多塊功能板卡，以PXI控制器為核心，組建硬件系統(tǒng)，如圖2所示。

機箱采用NI公司的PXIe-1082機箱，每插槽具有2 GB/s的專用帶寬和8 GB/s的系統(tǒng)帶寬。PXI控制器是武器模擬器的核心控制部分，采用NI公司的PXIe-8840控制器，四核處理器，2.6 GHz頻率，包括CPU、內(nèi)存和硬盤等，軟件駐留在硬盤中，在CPU中運行，實現(xiàn)武器的數(shù)字仿真，通過其他功能板卡獲取外部輸入信息，將武器的實時行為通過其他功能板卡對外輸出。

圖2 硬件組成圖

GJB 289A總線通信卡具有單通道雙余度，模擬多個RT，實現(xiàn)與飛機的通信，通信協(xié)議符合GJB 289A。CAN總線具有多路獨立通道，通信速率為0～1 Mbit/s可調(diào)，支持CAN2.0A/B協(xié)議。視頻卡對外輸出多路復合視頻，視頻圖像可以受程序控制進行圖像縮放、平移、字符疊加等處理，以滿足高度寬信號的需求。GPS接收卡具有多路GPS接收模塊，接收GPS射頻信號，對NMEA協(xié)議進行解析，通過RS232總線發(fā)送給PXI控制器，以滿足高帶寬信號的需求。脈沖卡以FPGA+驅(qū)動/放大電路構(gòu)成，在PXI控制器的控制下，對外輸出脈沖波形，滿足低帶寬的需求。離散量輸入輸出卡采用光電隔離的方式，采集外部的28V/斷開、地/斷開、通/斷信號，采用繼電器控制，對外輸出地/斷開、通/斷信號。交直流檢測卡由信號調(diào)理電路和采集電路組成，直流270 V、交流115 V信號經(jīng)信號調(diào)理電路調(diào)理后，通過采集電路變換為數(shù)字信號，供PXI控制器讀取。

功能板卡數(shù)量的選取應以武器模擬器對外接口的類型和數(shù)量為依據(jù)，計算方法為同時模擬武器的數(shù)量×單枚武器最大的信號數(shù)量，并在此基礎(chǔ)上，保證適當?shù)念A留。為避免由于信號需求變更而引起硬件資源的不滿足，可以提前預留一些其他類型的信號接口。

3.3 軟件設(shè)計

3.3.1 軟件框架

為了降低軟件復雜程度、減少軟件間的耦合程度，軟件采用分層設(shè)計的架構(gòu)方式，將復雜的系統(tǒng)功能分解為不同邏輯層次的簡單功能。將軟件進行分類，功能相似的封裝在同一層，相鄰層之間通過數(shù)據(jù)封裝進行信息傳遞，層與層之間相對獨立，每一層執(zhí)行一個特定的任務(wù)，下一層為上一層提供服務(wù)，并屏蔽低層任務(wù)執(zhí)行的細節(jié)。通過這種體系結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)劃分為若干個服務(wù)層次，上一層不需要知道下一層的服務(wù)是如何執(zhí)行的，只需將服務(wù)的內(nèi)容以數(shù)據(jù)交換的形式傳遞給下一層，由下一層執(zhí)行。每一層任務(wù)分工明確，層層調(diào)用，這樣就把一個大問題劃分為若干個小問題，并為每個小問題設(shè)計一個單獨的協(xié)議，使問題的解決較為容易[4]，并且每一層內(nèi)部的修改和功能擴展都不會對其他層有影響[5]。按照這種思路將武器模擬器軟件分為4個邏輯層次：系統(tǒng)功能層、武器仿真層、系統(tǒng)服務(wù)層和物理介質(zhì)層，軟件架構(gòu)如圖3所示[6]。

圖3 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)功能層負責人機交互界面顯示與控制、武器配掛方案管理、工作模式切換和任務(wù)調(diào)度，完成武器模擬功能。系統(tǒng)功能層依據(jù)武器服務(wù)描述信息和武器配掛方案，通過任務(wù)調(diào)度使用武器仿真層提供的武器仿真服務(wù)，實現(xiàn)武器模擬功能，并在顯示界面上顯示武器狀態(tài)信息。系統(tǒng)功能層與武器仿真層之間的接口包括武器通用接口參數(shù)和通用武器模擬函數(shù)，不涉及具體的武器特征。

武器仿真層封裝了多類型武器的具體行為特征、功能和邏輯，由一系列武器仿真模塊組成，接收系統(tǒng)功能層的調(diào)用、任務(wù)數(shù)據(jù)和指令，按照具體武器特征進行執(zhí)行，形成特定的任務(wù)數(shù)據(jù)和發(fā)控邏輯，調(diào)用系統(tǒng)服務(wù)層功能，完成對外信息交互。

系統(tǒng)服務(wù)層主要包括操作系統(tǒng)和各個功能板卡的接口驅(qū)動函數(shù)，為武器仿真層提供系統(tǒng)時鐘、硬件信號訪問與控制等服務(wù)，封裝了具體的硬件特征，通過物理層實現(xiàn)對外接口的電氣信號交聯(lián)。

物理介質(zhì)層封裝了武器模擬器與飛機之間的物理交聯(lián)介質(zhì)和硬件接口，負責獲取外部電氣接口信息、將控制指令形成電氣信號輸出，實現(xiàn)了兩個設(shè)備之間電氣信號的交聯(lián)。

3.3.2 軟件通用化設(shè)計

按照圖3建立的軟件，層與層之間相互獨立，通過調(diào)用和數(shù)據(jù)傳遞可以獲取下層的服務(wù)，每一層內(nèi)部的修改對其他層不影響。系統(tǒng)功能層按照不同的武器配掛方案調(diào)度不同類型的武器仿真模塊，武器仿真模塊通過系統(tǒng)服務(wù)層獲取外部輸入信號，依據(jù)觸發(fā)條件和武器工作邏輯，模擬武器的全部工作過程，并將武器工作過程中產(chǎn)生的外部行為特征，通過系統(tǒng)服務(wù)層發(fā)送給飛機。因此當仿真武器類型增加時，只需增加新的武器仿真模塊，并建立新增武器類型與新武器仿真模塊的映射關(guān)系，供系統(tǒng)功能層調(diào)用即可，其他層不需要改動，或僅需少量的特殊性改動。按照這一思路，標準化武器仿真軟件模塊對外接口參數(shù)，個性化不同類型的武器仿真邏輯過程，按照統(tǒng)一規(guī)范進行封裝和調(diào)用，以通過嵌入采用類似軟件插件[7]技術(shù)的武器仿真插件的方法，在系統(tǒng)功能層和系統(tǒng)服務(wù)層中間運行，達到軟件通用化設(shè)計的目標。

武器仿真模塊采用C++方法進行設(shè)計，系統(tǒng)功能層根據(jù)武器配掛方案生成實例進行調(diào)用。武器仿真模塊定義如下：

class Weapon_XXX_SIM

{

public:

void Begin_SIM();

virtual ～ Weapon_XXX_SIM ();

Weapon_XXX_SIM();

STRUCT_SMSMSG SMS_message;

STRUCT_IO_1188A SMS_IO_interface;

……

private:

……

};

類型為STRUCT_SMSMSG的結(jié)構(gòu)體包含了所有的飛機與武器的GJB 289A消息，包括接收消息、發(fā)送消息等，結(jié)構(gòu)定義與具體的ICD無關(guān)，STRUCT_IO_1188A包含了所有的非總線信號。外部任務(wù)負責將收到的總線消息、非總線信息傳遞給武器仿真模塊，由武器仿真模塊內(nèi)部進行解析執(zhí)行，并將執(zhí)行結(jié)果和狀態(tài)按照ICD格式通過STRUCT_SMSMSG、STRUCT_IO_1188A傳遞給系統(tǒng)服務(wù)層，向外發(fā)送。

3.3.3 軟件主要流程

軟件主要分為3個部分，管理和調(diào)度、武器仿真和對外接口處理。

管理和調(diào)度軟件負責完成系統(tǒng)的初始化、自檢測、人機交互界面及各項任務(wù)的調(diào)度執(zhí)行。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 管理和調(diào)度軟件流程圖

管理和調(diào)度軟件建立了武器類型與武器仿真模塊的映射關(guān)系，根據(jù)選擇的武器配掛方案，調(diào)用武器仿真模塊，設(shè)置仿真參數(shù)，生成武器仿真運行實例，根據(jù)武器仿真模塊輸出結(jié)果更新顯示畫面。

武器仿真軟件實現(xiàn)武器的數(shù)字仿真，每型武器仿真為一個C++類。軟件流程圖如圖5所示。

圖5 武器仿真軟件流程圖

武器仿真軟件首先判斷武器供電是否是首次上電，如果是，則依據(jù)地址線，對GJB 289A模塊進行RT地址設(shè)置，建立與BC的總線通信，開始武器的數(shù)字仿真過程，依據(jù)其他任務(wù)傳遞過來的對外接口數(shù)據(jù)仿真武器階段的功能。

對外接口處理軟件中建立了基于XML格式的硬件資源配置文件[2]，此配置文件建立了物理的武器接口與邏輯的武器接口的映射關(guān)系，按照此映射關(guān)系，調(diào)用硬件驅(qū)動函數(shù)，實現(xiàn)對外接口的輸入和輸出。

3.4 實時性設(shè)計

Windows系統(tǒng)具有良好的人機界面，使用方式已經(jīng)被廣大用戶所接受，同時提供了大量基于圖形的類，極大地簡化了軟件的工作量，但由于其基于消息和非搶占性的特點，不能滿足高實時性要求的使用需求[8]，而武器模擬器的時間精度控制一般要求在1 ms左右，因此采用Windows+RTX的方式[9]，在確保本系統(tǒng)的實時性的基礎(chǔ)上，保留了Windows環(huán)境下的編程習慣。RTX體系結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。

RTX對Windows系統(tǒng)不做任何封裝和修改[2]，只在Windows下進行安裝，擴展整個硬件抽象層HAL，通過獨立的內(nèi)核驅(qū)動形成與Windows并列的實時系統(tǒng)。

RTX采用基于優(yōu)先級的線程調(diào)度隊列，實現(xiàn)搶占式實時任務(wù)的管理和調(diào)度[8]，將中斷處理也賦予優(yōu)先級，與處于準備就緒的任務(wù)進行統(tǒng)一調(diào)度。在本文所設(shè)計的武器模擬器軟件中，將軟件按照實時性要求進行分類，將具有實時性特征的軟件模塊做為RTSS進程運行在實時子系統(tǒng)中，如武器仿真軟件、硬件控制軟件，其他非實時性軟件，如界面顯示與操作、武器配掛管理、參數(shù)設(shè)置等顯示與管理類軟件，作為傳統(tǒng)的Win32進程運行在Win32子系統(tǒng)中。

圖6 RTX實時擴展原理

4 試驗驗證

在綜合試驗環(huán)境中進行武器模擬器的試驗，試驗構(gòu)型如圖7所示。

圖7 試驗構(gòu)型

陪試設(shè)備為某型懸掛物管理系統(tǒng)和綜合航電系統(tǒng)，使用監(jiān)控設(shè)備，采集并記錄武器模擬器的所有輸入輸出信號，可以對試驗結(jié)果進行分析，在整個試驗過程中，武器模擬器同時模擬12枚多類型武器。

試驗按照武器流程，分別完成了武器的上電過程、自檢測、傳遞對準、任務(wù)準備和參數(shù)裝訂、投放/發(fā)射等步驟。試驗結(jié)束后，使用Origin軟件對監(jiān)控設(shè)備記錄的數(shù)據(jù)進行分析，判斷武器模擬的邏輯、時間關(guān)系、實時性是否滿足設(shè)計要求。模擬某型武器的主要邏輯時序關(guān)系及數(shù)據(jù)分析如圖8、表1所示。

圖8 武器上電過程時序

表1 時間特性數(shù)據(jù)分析

從表1可以看出，雖然硬件信號的輸出具有一定的滯后，但軟件執(zhí)行的響應時間滿足實時性的設(shè)計要求。從分析的試驗數(shù)據(jù)中可以得出結(jié)論：該武器模擬器的武器仿真邏輯、時間關(guān)系、實時性滿足設(shè)計要求，電氣接口通信正常。該武器模擬器已經(jīng)用于實際應用。

5 結(jié)束語

本文從硬件構(gòu)成、軟件框架設(shè)計和基于Windows的實時性設(shè)計等方面開展了分析和研究，采用了基于COTS的模塊實現(xiàn)硬件架構(gòu)設(shè)計，提高了硬件標準化、通用化程度，實現(xiàn)硬件資源覆蓋武器接口的需求，并預留足夠的資源以滿足升級的需要；采用Windwos+RTX架構(gòu)，提高了系統(tǒng)的實時處理性能；軟件設(shè)計采用分層架構(gòu)，使用基于插件技術(shù)的武器仿真軟件模塊，保證了軟件設(shè)計的靈活性和擴展性，通過增加武器仿真插件，即可實現(xiàn)軟件的升級。該設(shè)備的研究，在GJB 1188A標準的貫徹執(zhí)行、機載武器種類不斷快速更新等情況下，可以實現(xiàn)軟件的快速升級、減少試驗設(shè)備的重復投入，具有很大的現(xiàn)實意義和應用價值。