劉良勇 彭雪娟 趙鵬飛

摘要：為了更好地在地面保障時驗證飛機掛彈系統(tǒng)邏輯的正確性，設計了一種便攜式導彈模擬系統(tǒng)。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)導彈模擬系統(tǒng)的基礎上采用FPGA作為主控單元，通過制定通信協(xié)議控制離散IO模塊采集飛機至導彈的控制指令以及繼電器模塊模擬導彈至飛機的響應信號，實現(xiàn)模擬真實導彈準備過程、發(fā)射前后控制指令等信號處理流程。該系統(tǒng)通過了在機上進行的實際驗證，效果較好，能夠滿足地面保障使用。

關鍵詞：導彈模擬器；FPGA；相序檢測；狀態(tài)機

Keywords：missile simulator；FPGA；phase sequence detection；state machine

0 引言

飛行員在空中完成一次導彈的全部攻擊流程，涉及火控雷達、光電雷達、武控系統(tǒng)和掛載武器之間復雜的信號處理?，F(xiàn)行地面檢查中，火控系統(tǒng)和軍械系統(tǒng)的調(diào)試相對分離，軍械系統(tǒng)調(diào)試時，導彈的相關檢測內(nèi)容在自主狀態(tài)（火控失效）下進行，缺少火控系統(tǒng)參與解算的完整攻擊過程檢查內(nèi)容，且現(xiàn)有的導彈模擬器體積較大、比較笨重，搬運起來比較繁瑣，不易攜帶。因此，針對上述問題提出一種便攜式導彈模擬器及其使用方法。

1 模擬方法研究

梳理導彈的輸入輸出信號，有115V400Hz交流電源信號、27V直流電源信號、27V離散信號輸入、0～27V電壓信號等輸入信號，以及27V離散信號、0～10V模擬信號和識別短接等輸出信號。模擬方法采取搭建硬件電路，利用軟件控制輸出，模擬飛機導彈發(fā)射時序和彈型識別，通過軟硬件電路采集飛機至導彈的輸入信號，并判斷飛機導彈控制指令的正確性，從而模擬真實導彈的識別和發(fā)射過程。

2 硬件設計

2.1 整體設計

如圖1所示，整個系統(tǒng)為220V交流電輸入，通過電源轉換模塊轉換成12V供電腦主機使用；飛機導彈的離散量，一路通過信號調(diào)理電路從28V降到1.73V進入ADC采集模塊，ADC采集模塊將調(diào)理好的信號轉換成數(shù)字量，通過RS485接口發(fā)送至電腦主機；另一路經(jīng)過光耦轉換成數(shù)字量進入FPGA， FPGA將采集的數(shù)字量通過RS232接口發(fā)送至電腦主機。電腦主機將需要發(fā)送給導彈的離散量先發(fā)送給FPGA，F(xiàn)PGA對其進行解析后，通過達林頓管控制繼電器陣列將離散量信號輸送至飛機導彈。電腦主機通過RS485接口，將飛機導彈需要的模擬量以數(shù)字信號形式發(fā)送至DAC模塊，DAC模塊對其轉換后發(fā)送至飛機導彈。飛機導彈的電源連接115V交流電測量模塊，該模塊將采集的信號通過RS485接口發(fā)送至電腦主機。2.2 FPGA設計

FPGA采用INTEL公司的Cyclone III系列的EP3C5E144I7，該芯片采用65nm技術制造，具有94個I/O端口，22對差分對端口。

2.3 離散IO采集電路設計

離散IO采用雙路采集模式設計（見圖2），一路通過光耦加施密特觸發(fā)器進行數(shù)字量采集，另一路通過降壓進入ADC模塊進行模擬量采集，在數(shù)字量采集為高電平的同時利用模擬量對高電平幅值進行監(jiān)控，保證離散量采集的準確性。

2.4 115V交流電相序檢測

115V交流電相序檢測采用TC783A芯片采集。TC783A為三相相序和缺相檢測電路，可用作檢測三相正弦波電壓的相序和缺相狀態(tài)，同時有保護功能，具有單電源、功耗小、功能強、輸入阻抗高、采樣方便、外接元件少等優(yōu)點。將其聯(lián)入控制板，可對三相電壓進行指示，也可在電機上使用，對電機的正反轉進行控制和缺相進行保護。如圖3所示，三相電壓信號A、B、C經(jīng)分壓電阻網(wǎng)絡分別進入電路1、2、3腳，通過對正弦波進行施密特檢測，了解信號的存在并送入缺相檢測電路進行檢測后再輸出指示，電路13腳為內(nèi)部脈沖發(fā)生電路的外接電容，約為0.01uF。三相正弦輸入正常時，對應A、B、C輸入1、2、3腳的輸出端12、11、10腳的輸出為低電平；當某一相沒有輸入信號時，對應的輸出腳上將有高電平。根據(jù)缺相檢測的結果，在不缺相的情況下相序指示電路將輸出相序，在三相電壓信號A、B、C進入電路1、2、3腳的狀態(tài)下，9腳輸出高電平指示正序；而在三相電壓信號A、C、B進入電路1、2、3腳的狀態(tài)下，8腳輸出高電平指示反序。在缺相狀態(tài)下，9腳、8腳皆輸出低電平。此電路另外還設計了保護電路，可對過流、過壓信號進行檢測和輸出。5腳為采樣輸入端，輸入信號與電路內(nèi)的6V基準進行比較，并在電路6腳輸出。如果采樣高于6V，則輸出高電平。4腳對輸出方式有兩種控制選擇：4腳接低電平，輸出為不鎖定輸出，即輸入高輸出高，輸入低輸出低；4腳接高電平，輸出為鎖定輸出，此時輸入高輸出高，輸入低輸出仍高，需要4腳接地復位才能輸出低。

3 控制協(xié)議制定

為實現(xiàn)上位機對整個系統(tǒng)的控制，需制定上位機與FPGA的通信協(xié)議，本系統(tǒng)采用RS232接口與FPGA通信，F(xiàn)PGA實現(xiàn)的功能為接受上位機發(fā)送的模擬開關控制、達林頓管控制、離散I/ O采集和DAC控制等4項指令，對指令進行解析并執(zhí)行相應的控制和數(shù)據(jù)采集。協(xié)議格式如表1所示，F(xiàn)PGA實現(xiàn)該協(xié)議的狀態(tài)機示意圖如圖4所示。

4 軟件設計

在無掛彈狀態(tài)下，設備連接到飛機導彈掛點，模擬近戰(zhàn)紅外導彈掛載信息，在飛機多功能顯示器上顯示導彈占位信息。使用交流電壓采集模塊對機上115V三相交流電壓進行采集監(jiān)控，離散量IO采集卡對+27V一次性指令信號進行采集，通過相關接口傳至板卡進行信號處理，采用CVI軟件編寫專用測試程序，實現(xiàn)模擬器相關功能。自制矩陣開關板卡對不同掛點信號進行切換，以適應多掛點測試需要。軟件流程圖如圖5所示。

軟件具體邏輯如下：

1）軟件控制模擬導彈掛載標志針腳接地，為飛機提供掛載標志，飛機識別出已掛導彈型別。

2）等待彈型標志為綠色空心圓，武器控制系統(tǒng)開始向?qū)椆╇?，便攜式導彈模擬器對機上三項115V電壓和相序進行檢查。

3）當三相供電良好時，模擬器軟件向飛機發(fā)送+27V相關指令。

4）導彈按照指示的方向搜索目標，對目標進行截獲，便攜式導彈模擬器接收目標指示信號（線性變化電壓）。

5）當目標距離達到攻擊區(qū)以后，彈型標志為截獲狀態(tài)，操作者扣下發(fā)射導彈按鈕。導彈模擬器檢測導彈輸出相關指令是否正常。

6）導彈脫離，掛載標志取消接地。

7）再次進行循環(huán)檢測，控制電壓應消失。

按壓便攜式導彈模擬器電源按鍵，設備啟動完畢后，雙擊電腦桌面上的導彈模擬器自動測試軟件，輸入用戶名和密碼即可進入測試系統(tǒng)。

選擇好掛點和彈型后，點擊“綠色”按鈕進入測試流程，軟件界面顯示測試倒計時，點擊“停止”按鈕即可停止測試。測試完畢后，軟件顯示實測值，同時根據(jù)給定的標準范圍給出結果判定。

5 結束語

采用便攜機箱和自制板件相結合的方法，利用高性能FPGA作為處理中心，研究導彈攻擊發(fā)射全流程的模擬技術，研制了一套某型導彈便攜式模擬器并通過了實際驗證，為導彈模擬技術研究提供了有效的參考。該項目的研究成果，改進了地面保障人員測試的工藝方法，有效減少了空中導彈發(fā)射故障，提高了部隊作訓時導彈的發(fā)射成功率。

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作者簡介

劉良勇，工程師，研究方向：飛機電子產(chǎn)品修理。