唐大林，周慶飛，毛鵬飛

(北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100041)

0 引言

無(wú)論攻防兩端，導(dǎo)彈都是未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上最重要的武器裝備，基于不同的戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略目的，導(dǎo)彈又根據(jù)射程、發(fā)射平臺(tái)、飛行軌跡、制導(dǎo)方式、目標(biāo)類(lèi)型等不同方法方式分為多種類(lèi)型，各型導(dǎo)彈武器的使用、作訓(xùn)、維護(hù)、維修、保養(yǎng)的需求差異性很大，導(dǎo)彈綜合測(cè)試, 憑借其安全、可靠的實(shí)施過(guò)程, 成為檢測(cè)導(dǎo)彈質(zhì)量的重要手段; 憑借其全面、真實(shí)、精確的測(cè)試結(jié)果, 成為檢測(cè)導(dǎo)彈整體性能的可信依據(jù)，測(cè)試設(shè)備已逐漸成為部隊(duì)平時(shí)維護(hù)及戰(zhàn)時(shí)保障的重要工具[1]。不僅部隊(duì)對(duì)測(cè)試設(shè)備的簡(jiǎn)單易用性的需求越來(lái)越強(qiáng)烈，測(cè)試設(shè)備集成商及導(dǎo)彈研制生產(chǎn)廠家對(duì)測(cè)試設(shè)備通用性、擴(kuò)展性等也提出了更高的要求。

目前針對(duì)導(dǎo)彈的離線測(cè)試一般需要給導(dǎo)彈單獨(dú)供電，受到大功率供電電源的體積影響，測(cè)試設(shè)備相對(duì)體積較大，重量較重，但是主要的應(yīng)用場(chǎng)景是在彈藥庫(kù)或維修車(chē)間，一般可以適應(yīng)其應(yīng)用；對(duì)于導(dǎo)彈的在線測(cè)試，主要是針對(duì)其戰(zhàn)前備戰(zhàn)及戰(zhàn)時(shí)保障的需求，則需要測(cè)試設(shè)備體積重量等越小越方便。傳統(tǒng)的VXI、PXI及PXIE等測(cè)試模塊系列集成的測(cè)試設(shè)備是目前市場(chǎng)主流，其主要集成方式是基于總線機(jī)箱架構(gòu)，根據(jù)激勵(lì)及測(cè)試信號(hào)的需求疊加相應(yīng)的測(cè)試模塊，由于其總線標(biāo)準(zhǔn)的定義，基于此類(lèi)總線的測(cè)試設(shè)備體積不至于太大，但是絕大多數(shù)也不適于導(dǎo)彈長(zhǎng)期加電測(cè)試或者戰(zhàn)備隨裝、單兵攜帶等應(yīng)用場(chǎng)景。電子技術(shù)、集成電路、計(jì)算機(jī)通信和芯片技術(shù)等領(lǐng)域的飛速發(fā)展,測(cè)試設(shè)備將原有很多功能和設(shè)備集成化處理,測(cè)試設(shè)備朝著小型化的方向不斷發(fā)展, 但是受到傳統(tǒng)VXI、PXI及PXIE等總線的標(biāo)準(zhǔn)定義，基于此類(lèi)總線的測(cè)試設(shè)備卻無(wú)法更加有效的縮小體積，在高度集成化和小型化問(wèn)題上,沒(méi)有充分應(yīng)用當(dāng)前已有的科技成果,創(chuàng)新設(shè)計(jì)不足[2]。測(cè)試設(shè)備的體積越小，也一定程度上更加符合部隊(duì)實(shí)際導(dǎo)彈測(cè)試、保障等使用需求，本文提出了一種脫離機(jī)箱架構(gòu)式的基于RapidIO總線的簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備，大大簡(jiǎn)化和縮小了傳統(tǒng)的總線式導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備，同時(shí)可由測(cè)試模塊疊加滿足通用化、模塊化、系列化的“三化”要求。

Rapid IO 互連技術(shù)是美國(guó)Mercury Computer Systems 公司為其計(jì)算密集型信號(hào)處理器系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的總線技術(shù)，最初的開(kāi)發(fā)動(dòng)機(jī)是用于連接線路板上的芯片和機(jī)箱內(nèi)的線路板。Rapid IO 采用包交換技術(shù)，可為由CPU、網(wǎng)絡(luò)處理器(NPU)和DSP等組成的復(fù)雜系統(tǒng)提供低延遲、高速、高穩(wěn)定性的互連。Rapid IO 還具有接口引腳少，可靠性高(可靠性高達(dá)99.999%)、單位端口成本極低，易于實(shí)現(xiàn)，可擴(kuò)展性好等特性[3]。

1 簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)指標(biāo)

該設(shè)備體積小、采集精度高，可滿足-40～+75 ℃溫度、30 g隨機(jī)振動(dòng)及50 g沖擊振動(dòng)等惡劣環(huán)境，尤其適合飛機(jī)、導(dǎo)彈、火箭、裝甲車(chē)輛等軍事裝備，可內(nèi)置于武器裝備的狹小空間中，在強(qiáng)沖擊、強(qiáng)振動(dòng)等惡劣環(huán)境下，完成整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中裝備電信號(hào)、非電量信號(hào)、總線通訊信號(hào)以及傳感器數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與處理，可以為裝備設(shè)計(jì)、測(cè)試、保障、試驗(yàn)提供測(cè)試服務(wù)以及數(shù)據(jù)支撐。小巧的體積可以完成裝備嵌入式測(cè)試，可以隨裝配備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝備運(yùn)維數(shù)據(jù)，基于Windows系統(tǒng)的架構(gòu)可以配合故障診斷算法和專(zhuān)家系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)裝備狀態(tài)檢測(cè)、診斷、預(yù)測(cè)、健康管理及維修決策。

1.1 尺寸

電源模塊尺寸：3.7 cm*7.62 cm*5.08 cm；

其他模塊尺寸：1.08 cm*7.62 cm*5.08 cm。

1.2 重量

電源模塊重量：≤330 g；

其他模塊重量：≤115 g。

1.3 整體功耗

設(shè)備總體功耗不大于65 W(最多8個(gè)功能模塊同時(shí)工作時(shí))。

1.4 環(huán)境適應(yīng)性

工作溫度：-40～85 ℃；

存儲(chǔ)溫度：-40～85 ℃；

沖擊振動(dòng)：50 g/11 ms沖擊。

2 簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

測(cè)試設(shè)備功能框圖如圖1所示，簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備由電源模塊、嵌入式控制器模塊、數(shù)據(jù)交換路由模塊、模擬量采集模塊、總線模塊、數(shù)字IO模塊等組成，簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備的模塊種類(lèi)數(shù)量可根據(jù)對(duì)象實(shí)際測(cè)試需求需要進(jìn)行集成組合。

圖1 簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備硬件架構(gòu)圖

2.1 電源模塊

電源模塊AMC7243選用28 V直流供電，輸出3.3 V，5 V，±15 V等多路電源用于系統(tǒng)各模塊的供電，電源模塊內(nèi)部設(shè)有輸入電源電流監(jiān)測(cè)電路，用于監(jiān)測(cè)設(shè)備總體功耗信息，可以支持設(shè)備在不多于8個(gè)功能模塊同時(shí)工作時(shí)總體功耗不大于120 W的功耗需求，板載MCU采集板載溫度、電壓、電流信號(hào)，通過(guò)背板IIC總線進(jìn)行功能模塊間數(shù)據(jù)交互。

2.2 嵌入式處理器

嵌入式控制器作為測(cè)試設(shè)備中樞實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能模塊的參數(shù)配置、信號(hào)算法處理、被測(cè)對(duì)象狀態(tài)監(jiān)測(cè)與診斷等功能。嵌入式控制器模塊對(duì)外具有人機(jī)交互或串行通訊接口，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)配置與應(yīng)用程序的下傳，配置程序?qū)⒃谠O(shè)備開(kāi)機(jī)時(shí)通過(guò)RapidIO總線由數(shù)據(jù)交換路由模塊分發(fā)到各個(gè)功能模塊，并能夠接收各個(gè)功能模塊傳遞的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行應(yīng)用程序處理和上傳。

2.3 數(shù)據(jù)交換模塊

由于整個(gè)測(cè)試設(shè)備沒(méi)有采用機(jī)箱+模塊的配置模式，各模塊間的通信以及數(shù)據(jù)交換均由數(shù)據(jù)交換路由模塊完成。AMC7100數(shù)據(jù)交換路由模塊與各功能模塊的通信總線摒棄了傳統(tǒng)設(shè)備以CPU為中心的數(shù)據(jù)交換架構(gòu)，采用了基于1.25 GbaudRapidIO高速串行總線的16通道Switch數(shù)據(jù)交互架構(gòu)。串行RapidIO(SRIO，serial RapidIO)主要是用于板上或通過(guò)背板的器件之間的電氣連接，SRIO 能夠支持全雙工模式，在每個(gè)方向上使用單向差分信號(hào)，并定義了器件間的串行鏈路。SRIO 也支持 RapidIO 器件之間的包傳送，其包括的功能有包與控制符號(hào)的傳送、錯(cuò)誤管理、流量控制以及一些其他的器件到器件的功能[9]。

選用RapidIO總線，將整個(gè)系統(tǒng)組成以數(shù)據(jù)交換路由模塊為中心的星型通信結(jié)構(gòu)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)模塊間的互通信功能。數(shù)據(jù)交換路由模塊為系統(tǒng)內(nèi)部提供RapidIO通信總線、同步信號(hào)、秒脈沖及時(shí)鐘等功能，并對(duì)外提供調(diào)試接口與調(diào)試設(shè)備對(duì)接，同時(shí)提供通信接口與機(jī)上主控系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2.4 其他采集模塊等

其他各采集模塊對(duì)外提供信號(hào)采集接口，采集模擬信號(hào)通過(guò)模塊內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)FPGA信號(hào)處理，通過(guò)RapidIO總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，且通過(guò)同步信號(hào)可實(shí)現(xiàn)同步采集功能。設(shè)備還可以根據(jù)需要配備總線模塊，通過(guò)微處理器芯片及外圍功能電路實(shí)現(xiàn)RS422/485及CAN總線通信功能。由于此次測(cè)試對(duì)象僅需要一路RS422通信測(cè)試，嵌入式處理器AMC7101模塊本身提供一路RS422通信接口，所以此次測(cè)試不配備總線模塊。由于模塊體積小，散熱面積和散熱手段有限，所以對(duì)模塊的的溫度需要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，所有模塊內(nèi)部都設(shè)有溫度采集電路，用于采集各個(gè)模塊內(nèi)部溫度狀態(tài)，電流信號(hào)和溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后發(fā)送到背板的IIC總線，由嵌入式控制器模塊進(jìn)行工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)，其中各個(gè)模塊的IIC總線以從模式工作，嵌入式控制器模塊的IIC總線以主模式工作。

2.5 接口適配器設(shè)計(jì)

由于各種導(dǎo)彈接口及信號(hào)特點(diǎn)不盡相同，需要在簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備與導(dǎo)彈之間設(shè)計(jì)專(zhuān)用的適配器進(jìn)行橋接，適配器是導(dǎo)彈通用測(cè)試設(shè)備的重要組成單元，目前，成熟應(yīng)用的導(dǎo)彈通用測(cè)試設(shè)備均采用通用接口+專(zhuān)用適配器形式，對(duì)于不同型號(hào)的導(dǎo)彈，采用各自不同的專(zhuān)用適配器及測(cè)試電纜，實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)彈的各項(xiàng)測(cè)試[12]，適配器一方面可以將物理信號(hào)按管腳進(jìn)行重新分配同導(dǎo)彈測(cè)試接口相連接，供導(dǎo)彈實(shí)際測(cè)試需要，同時(shí)也可在內(nèi)部設(shè)計(jì)調(diào)理電路以實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的轉(zhuǎn)接、調(diào)理、隔離、保護(hù)等功能，如圖2所示。適配器可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的不同，將適配器同測(cè)試設(shè)備與導(dǎo)彈之間設(shè)計(jì)成無(wú)電纜的剛性連接，更加符合簡(jiǎn)約化設(shè)計(jì)需要。

圖2 接口適配器設(shè)計(jì)接示意圖

3 簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備物理連接架構(gòu)

硬件模塊之間的物理級(jí)聯(lián)如圖3所示，簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備的特點(diǎn)是不依賴機(jī)箱做測(cè)試模塊間的數(shù)據(jù)交換，所以沒(méi)有單獨(dú)背板設(shè)計(jì)，嵌入式控制器模塊、數(shù)據(jù)交換路由模塊和功能模塊之間的控制通信是通過(guò)模塊間連接器的互聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖3 控制器模塊與功能模塊通信端口信號(hào)連接示意圖

數(shù)據(jù)交換路由模塊與嵌入式控制器和功能模塊互聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)嵌入式控制器與功能模塊之間的數(shù)據(jù)路由通信，嵌入式控制器與數(shù)據(jù)交換路由模塊通過(guò)一路RapidIO實(shí)現(xiàn)互通，而數(shù)據(jù)交換路由模塊與功能模塊互聯(lián)的連接器上會(huì)有8組RapidIO通信端口信號(hào)，最大可對(duì)接8個(gè)功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)8個(gè)模塊的數(shù)據(jù)通信。

為了實(shí)現(xiàn)不同功能模塊與數(shù)據(jù)交換路由模塊間的隨意對(duì)接，且模塊間使用的數(shù)據(jù)交換路由模塊通信端口不沖突，在功能模塊連接器信號(hào)定義設(shè)計(jì)上，如圖4、圖5所示，將模塊PCB板兩面的連接器公母頭通信端口按公端口8接母端口7，公端口7接母端口6以此至公端口1接母端口8的對(duì)接方式互聯(lián)，而所有功能模塊都取公頭端口1的信號(hào)為通信端口，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)控制器8個(gè)端口與8個(gè)模塊的單一互通。

圖4 單功能模塊連接器公母頭信號(hào)連接示意圖

圖5 連接器公母頭示意圖

采用無(wú)機(jī)箱的模塊直接疊加的物理連接方式，特點(diǎn)是不受機(jī)箱的物理限制，可根據(jù)被測(cè)需求任意疊加模塊，體積小巧簡(jiǎn)約，便于組裝集成。

如圖6所示，每個(gè)模塊包括前端接插件和后端連接器，前端接插件主要用來(lái)與設(shè)備外部信號(hào)進(jìn)行接口交互，后端連接器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部模塊之間的信號(hào)需求和信號(hào)數(shù)據(jù)傳遞。

圖6 模塊集成連接示意圖

后端連接器，通過(guò)一側(cè)公、一側(cè)母的板對(duì)板接插件實(shí)現(xiàn)模塊與模塊之間的物理和信號(hào)互聯(lián)。

每個(gè)模塊包括前端接插件和后端連接器，前端接插件主要用來(lái)與設(shè)備外部信號(hào)進(jìn)行接口交互，后端連接器主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)部模塊之間的信號(hào)需求和信號(hào)數(shù)據(jù)傳遞。后端連接器，通過(guò)一側(cè)公，一側(cè)母的板對(duì)板接插件實(shí)現(xiàn)模塊與模塊之間的物理和信號(hào)互聯(lián)。

4 對(duì)比試驗(yàn)

為測(cè)試簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)指標(biāo)，將其同PXI測(cè)試設(shè)備以相同測(cè)試流程為基礎(chǔ)，進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證測(cè)試，以某型導(dǎo)彈模擬器作為被測(cè)對(duì)象，兩種測(cè)試設(shè)備選擇同樣的軟件環(huán)境，操作系統(tǒng)為WINDOWS 7，測(cè)試軟件選用航天測(cè)控VITE3.0。在測(cè)試過(guò)程中使用相同供電電源，選用基于各自總線的模擬量采集模塊、總線模塊、數(shù)字IO模塊。測(cè)試驗(yàn)證的同時(shí)對(duì)兩種測(cè)試設(shè)備功率進(jìn)行監(jiān)測(cè)。模擬器檢查項(xiàng)目測(cè)試流程以及測(cè)試資源需求統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

根據(jù)某型導(dǎo)彈模擬器測(cè)試資源需求，針對(duì)簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備以及PXI測(cè)試設(shè)備的相關(guān)模塊選型如表2所示。

表2 測(cè)試設(shè)備模塊選型

兩種測(cè)試設(shè)備外觀及體積對(duì)比如圖7，PXI測(cè)試設(shè)備體積為171 mm*271 mm*396 mm,重量為14.7 kg，簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備體積為64.8 mm*76.2 mm*50.8 mm,重量為1.3 kg，體積僅為原PXI測(cè)試設(shè)備的2%，重量?jī)H為原PXI測(cè)試設(shè)備8.8%，兩種測(cè)試設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)對(duì)比如表3。測(cè)試結(jié)果顯示，兩種測(cè)試設(shè)備均能完成對(duì)某型導(dǎo)彈模擬器的正常測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表4。測(cè)試過(guò)程中簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備平均功率為43 W，PXIE測(cè)試設(shè)備平均功率為118 W，可以看出僅作數(shù)字測(cè)試時(shí)，簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備的平均測(cè)試功率僅為普通PXI測(cè)試設(shè)備的三分之一左右。

表3 兩種測(cè)試設(shè)備基礎(chǔ)參數(shù)對(duì)比

表4 兩種測(cè)試設(shè)備測(cè)試結(jié)果

圖7 兩種測(cè)試設(shè)備對(duì)比圖

5 結(jié)束語(yǔ)

由上述設(shè)計(jì)指標(biāo)及對(duì)比測(cè)試可見(jiàn)，簡(jiǎn)約化小型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備具有體積小、功率小、重量輕、可重構(gòu)性及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以滿足不同導(dǎo)彈長(zhǎng)期加電健康監(jiān)測(cè)、日常維修維護(hù)測(cè)試、戰(zhàn)時(shí)隨裝、裝備狹小空間測(cè)試，單兵便攜保障等各種應(yīng)用場(chǎng)景，可以簡(jiǎn)化作戰(zhàn)部隊(duì)的導(dǎo)彈測(cè)試，目前已經(jīng)在預(yù)先研究以及實(shí)驗(yàn)室中滿足了部分導(dǎo)彈的實(shí)際測(cè)試需求，在后續(xù)的實(shí)際應(yīng)用中可以提高導(dǎo)彈部隊(duì)的日常維護(hù)保養(yǎng)以及戰(zhàn)時(shí)精準(zhǔn)保障效率。