藍(lán)志豪，王建國(guó)，冀慧君，梁海峰

（北方自動(dòng)控制技術(shù)研究所，太原 030006）

0 引言

隨著火控系統(tǒng)信息化、智能化程度的提高，研制適應(yīng)未來(lái)信息化戰(zhàn)爭(zhēng)條件下聯(lián)合作戰(zhàn)的信息化炮兵壓制武器裝備成為一種必然的要求，科研裝備需具備遠(yuǎn)程精確打擊、快速反應(yīng)、一體化偵指打評(píng)、高效毀傷的作戰(zhàn)能力，能夠遂行多種火力任務(wù)，發(fā)射精確制導(dǎo)火箭彈和后續(xù)發(fā)展的制導(dǎo)火箭彈、巡飛彈等，對(duì)遠(yuǎn)縱深面目標(biāo)進(jìn)行深層次火力壓制和點(diǎn)目標(biāo)實(shí)施精確火力打擊。因此，如何在同一發(fā)射平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)多彈種共架發(fā)射控制，成為整個(gè)武器系統(tǒng)亟待解決的問題。

對(duì)于發(fā)射控制軟件來(lái)說(shuō)，它的核心使命就是能夠成功發(fā)射火箭彈，并且要在不影響原有火箭彈的基礎(chǔ)上對(duì)后續(xù)發(fā)展的制導(dǎo)火箭彈進(jìn)行輕松便捷加載并成功發(fā)射；傳統(tǒng)發(fā)射控制軟件都是基于實(shí)時(shí)性低、單線程的DOS 操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，這就造成以往的發(fā)射控制軟件實(shí)時(shí)性不強(qiáng)、內(nèi)存小的弊端，而且由于沒有采用構(gòu)建化、模塊化設(shè)計(jì)，所有彈種代碼強(qiáng)耦合，就導(dǎo)致如果想新增彈種，就必須更改源代碼重新編譯，很有可能會(huì)給原有彈種的發(fā)射帶來(lái)未知的風(fēng)險(xiǎn)，因此，就迫切需要一種新型的發(fā)射控制軟件設(shè)計(jì)方法。

1 發(fā)射控制軟件設(shè)計(jì)需求

如何安全可靠地完成火箭彈的發(fā)射，一直是火箭武器系統(tǒng)的一個(gè)核心任務(wù)，發(fā)射控制設(shè)備作為火箭武器系統(tǒng)的核心部件，是完成火箭彈發(fā)射的最終執(zhí)行單元，直接關(guān)系到火箭彈發(fā)射的成??；目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)役裝備最先進(jìn)的發(fā)射控制設(shè)備主要是遠(yuǎn)火武器系統(tǒng)發(fā)射控制設(shè)備；軍貿(mào)型的主要有衛(wèi)士2d 火箭炮發(fā)控設(shè)備，國(guó)外現(xiàn)役裝備及在研的火箭炮發(fā)射控制設(shè)備主要有美國(guó)的“HIMARS”火箭炮、俄羅斯的“旋風(fēng)”多管火箭炮、以色列的“山貓”火箭炮等。

發(fā)射控制軟件部署在發(fā)射控制設(shè)備中，主要完成多種火箭彈的發(fā)射時(shí)序控制、繼電器操作、狀態(tài)監(jiān)測(cè)及與外圍設(shè)備的通信等任務(wù)；在發(fā)射前準(zhǔn)備過程中，主要完成對(duì)接檢測(cè)、彈種識(shí)別、參數(shù)裝定、相關(guān)回路檢測(cè)等，發(fā)射前準(zhǔn)備好后，通過與外圍設(shè)備通信，接收到發(fā)射指令，按照預(yù)先規(guī)定的發(fā)射時(shí)序進(jìn)行熱電池激活和發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火操作，完成發(fā)射任務(wù)。

從發(fā)射控制軟件的使命和任務(wù)可以看出，該軟件具有實(shí)時(shí)性、多任務(wù)、交互性以及模塊化等特點(diǎn)，且任務(wù)數(shù)量越多，系統(tǒng)的可靠性和每個(gè)任務(wù)的響應(yīng)時(shí)間必須得靠合理的調(diào)度機(jī)制和操作系統(tǒng)底層算法來(lái)保證，因此，就對(duì)操作系統(tǒng)有較高的要求：

1）高性能、高可靠性的微內(nèi)核；

2）可裁剪、可定制；

3）綜合的網(wǎng)絡(luò)解決方案；

4）高效的調(diào)試工具和方法；

5）方便硬件平臺(tái)移植。

2 VxWorks 操作系統(tǒng)概述

在發(fā)射控制軟件歷史上使用的眾多操作系統(tǒng)中，應(yīng)用最多就是DOS、QNX、VxWorks 和Windows CE 幾種，VxWorks 以其良好的持續(xù)發(fā)展能力、高性能內(nèi)核以及便捷的開發(fā)調(diào)試環(huán)境成為目前的主流。

VxWorks 是Wind River System 公司推出的一個(gè)運(yùn)行在目標(biāo)機(jī)上的高性能、可裁減的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它以其良好的可靠性和卓越的實(shí)時(shí)性被廣泛地應(yīng)用在通信、軍事、航空、航天等高精尖技術(shù)及實(shí)時(shí)性要求極高的領(lǐng)域中，如衛(wèi)星通訊、軍事演習(xí)、彈道制導(dǎo)、飛機(jī)導(dǎo)航等。在美國(guó)的F-16、FA-18 戰(zhàn)斗機(jī)、B-2 隱形轟炸機(jī)和愛國(guó)者導(dǎo)彈上，1997 年4 月在火星表面登陸的火星探路者上也使用了Vx-Works，具有以下特點(diǎn)：

1）既是一個(gè)操作系統(tǒng)、又是一個(gè)可以運(yùn)行的最小基本程序；

2）有BSP（可以認(rèn)為是一種低層驅(qū)動(dòng)），可以減小驅(qū)動(dòng)程序的編寫過程；

3）具有強(qiáng)大的調(diào)試能力，可以在沒有仿真器的情況下，通過串口調(diào)試；

4）具有軟件DEBUG 功能，可以對(duì)軟件部分進(jìn)行模擬調(diào)試；

5）具有豐富的函數(shù)庫(kù)；

6）自帶TCP/IP 協(xié)議棧。

VxWorks 是專門為實(shí)時(shí)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)的操作系統(tǒng)內(nèi)核，為程序員提供了高效的實(shí)時(shí)多任務(wù)調(diào)度、中斷管理，實(shí)時(shí)的系統(tǒng)資源以及實(shí)時(shí)的任務(wù)間通信。在各種CPU 平臺(tái)上提供了統(tǒng)一的編程接口和一致的運(yùn)行特性，盡可能地屏蔽了不同CPU 之間的底層差異。應(yīng)用程序員可以將盡可能多的精力放在應(yīng)用程序本身，而不必再去關(guān)心系統(tǒng)資源的管理?；赩xWorks 操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序可以在不同CPU 平臺(tái)上輕松移植。

在本文中，內(nèi)核映像和可下載模塊都是Tornado（VxWorks 操作系統(tǒng)開發(fā)工具）可以創(chuàng)建的兩種工程，其中內(nèi)核映像包括VxWorks 內(nèi)核，可直接在目標(biāo)板上完成自啟動(dòng)、裝入內(nèi)核并運(yùn)行應(yīng)用程序；而可下載模塊可看作是用戶程序，不包含VxWorks 內(nèi)核，可根據(jù)用戶不同的需求將不同類型的應(yīng)用封裝成特有的可下載模塊。

3 發(fā)射控制軟件設(shè)計(jì)方法研究

3.1 軟件設(shè)計(jì)方案

在某遠(yuǎn)火項(xiàng)目中，發(fā)射控制軟件的核心使命是能完成現(xiàn)有的6 種火箭彈的發(fā)射，同時(shí)具備對(duì)后續(xù)發(fā)展的制導(dǎo)火箭彈、巡飛彈等進(jìn)行發(fā)射的能力，這就要求發(fā)射控制軟件具有相當(dāng)高的實(shí)時(shí)性和擴(kuò)展性，所以，發(fā)射控制軟件采用了VxWorks 操作系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)一種VxWorks 操作系統(tǒng)下內(nèi)核映像+ 可下載模塊的發(fā)射控制軟件設(shè)計(jì)方法，在完成了上述武器系統(tǒng)要求的同時(shí)，又提高了系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和可擴(kuò)展性。

其中，內(nèi)核映像為主程序，集成了發(fā)射控制軟件所有彈種通用的底層的通信，包括CAN 通信、DDS 通信、串口通信、TCP 通信等；可下載模塊是根據(jù)不同彈種的發(fā)射時(shí)序、通信、繼電器操作等特性進(jìn)行分組，將6 種火箭彈拆分組合成7 個(gè)可下載模塊，分別是彈種識(shí)別模塊、2xx km 火箭彈模塊、1xx km 箱式火箭彈模塊、0xx km 箱式火箭彈模塊、1xx km 管式火箭彈模塊、0xx km 管式火箭彈模塊和0xx km 管式侵徹彈模塊，每個(gè)可下載模塊里包含相應(yīng)的火箭彈發(fā)射時(shí)序、發(fā)射流程控制、通信協(xié)議和繼電器操作等，且各個(gè)模塊之間完全獨(dú)立；針對(duì)后續(xù)新加彈種，只需創(chuàng)建包含相應(yīng)發(fā)射時(shí)序、發(fā)射流程控制、通信協(xié)議和繼電器操作等的可下載模塊，加載后即可完成新加彈種的發(fā)射任務(wù)，這就實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有6 種火箭彈的強(qiáng)解耦和后續(xù)新加彈種的便捷加載，完成了發(fā)射控制軟件的構(gòu)建化和模塊化設(shè)計(jì)；發(fā)射控制軟件框架圖如圖1 所示。

圖1 發(fā)射控制軟件框架圖

3.2 實(shí)現(xiàn)方法

1）建立內(nèi)核映像工程，完成CAN 通信、DDS通信、串口通信、TCP 通信的初始化工作，初始化完成后，創(chuàng)建CAN 通信、DDS 通信、串口通信、TCP 通信對(duì)應(yīng)的接收和發(fā)送任務(wù)，內(nèi)核映像結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 發(fā)射控制軟件內(nèi)核映像結(jié)構(gòu)圖

2）建立可下載模塊工程，其中，彈種識(shí)別模塊要完成彈種識(shí)別時(shí)序控制、通信協(xié)議解析和反饋和軍碼加注工作；2xx km 箱式火箭彈模塊、1xx km 箱式火箭彈模塊、0xx km 箱式火箭彈模塊、1xx km 管式火箭彈模塊、0xx km 管式火箭彈模塊和0xx km 管式侵徹彈模塊則是主要完成相應(yīng)的火箭彈發(fā)射時(shí)序控制、通信協(xié)議解析和反饋、繼電器操作等工作，彈種識(shí)別模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示，火箭彈模塊如圖4 所示。

圖3 發(fā)射控制軟件彈種識(shí)別模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4 發(fā)射控制軟件火箭彈模塊結(jié)構(gòu)圖

3）本步驟主要具體說(shuō)明內(nèi)核映像是怎么完成可下載模塊的加載和卸載。

首先，在加載可下載模塊前要將已有的可下載模塊卸載掉，調(diào)用模塊卸載函數(shù)卸載現(xiàn)有可下載模塊。然后，加載可下載模塊，調(diào)用加載模塊函數(shù)加載選中的可下載模塊，即可完成了整個(gè)可下載模塊的卸載和加載過程。模塊動(dòng)態(tài)加載如圖5 所示。

圖5 模塊動(dòng)態(tài)加載流程圖

通過上述步驟，即能從設(shè)計(jì)方法上實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有6種火箭彈的強(qiáng)解耦，以及后續(xù)新加彈種的便捷加載。

4 結(jié)論

本文提出的VxWorks 操作系統(tǒng)下內(nèi)核映像+可下載模塊的發(fā)射控制軟件設(shè)計(jì)方法，首先從操作系統(tǒng)層面保證了發(fā)射控制軟件具備多任務(wù)、高可靠性和強(qiáng)實(shí)時(shí)性的基礎(chǔ)，其次，該軟件設(shè)計(jì)方法從根本上解決了以前發(fā)射控制軟件各彈種之間耦合嚴(yán)重的問題，使各彈種之間相互獨(dú)立，具備便捷的可擴(kuò)展性。目前該軟件設(shè)計(jì)方法已成功運(yùn)用到某遠(yuǎn)火發(fā)射控制軟件中，且表現(xiàn)安全、可靠。