一種新型彈載綜合控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法

摘要：

彈載計(jì)算機(jī)作為精確制導(dǎo)武器的核心單元，是實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)制導(dǎo)與控制的關(guān)鍵部件。隨著武器裝備發(fā)展水平的提高，彈載控制計(jì)算機(jī)除控制接口復(fù)雜、對(duì)計(jì)算性能要求高外，對(duì)綜合化也提出了更高的要求。提供了一種新型彈載綜合控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)方法，基于國(guó)產(chǎn)天脈2嵌入式實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)，采用了軟硬件一體化的設(shè)計(jì)思想，采用PowerPC處理器提供高性能計(jì)算能力，將原有多艙段計(jì)算機(jī)的復(fù)雜交聯(lián)控制進(jìn)行有效融合，實(shí)現(xiàn)了彈載控制計(jì)算機(jī)的綜合化與一體化。對(duì)彈載綜合控制計(jì)算機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)和特點(diǎn)進(jìn)行了較為詳盡的描述。該控制計(jì)算機(jī)滿(mǎn)足某型航空武器的使用需求。

0 引言

精確制導(dǎo)空地導(dǎo)彈的研制對(duì)于提升我國(guó)常規(guī)武器的空中打擊能力起著尤為重要的作用。綜合控制計(jì)算機(jī)用于新一代空地型武器，是其控制導(dǎo)航系統(tǒng)一體化彈載電子設(shè)備的重要部件之一，其處理的數(shù)據(jù)量大，控制接口復(fù)雜，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對(duì)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)要求較高。本文提出了一種新型彈載綜合控制計(jì)算機(jī)，采用綜合化、一體化設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)的多模塊分艙段計(jì)算機(jī)進(jìn)行集成綜合，并配以國(guó)產(chǎn)自主產(chǎn)權(quán)的天脈2實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)[1]，提升了計(jì)算機(jī)性能，最后設(shè)計(jì)出了一套新一代彈載綜合控制計(jì)算機(jī)的軟硬件平臺(tái)解決方案。

1 總體設(shè)計(jì)

綜合控制計(jì)算機(jī)主要功能是根據(jù)裝訂的飛行航路點(diǎn)及目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，綜合運(yùn)用彈上的各傳感器信息，按時(shí)序發(fā)出控制指令，進(jìn)行制導(dǎo)控制規(guī)律解算，控制航空武器飛行。綜合控制計(jì)算機(jī)主要由中央處理模塊（CPM）、二次電源模塊（PSM）、無(wú)線電測(cè)高模塊、舵機(jī)伺服控制模塊等組成，在軟件方面綜合控制計(jì)算機(jī)采用天脈2實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)，綜合控制計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

CPM模塊為綜合控制計(jì)算機(jī)的核心部件，CPM模塊又由CPU子卡模塊和IOC模塊組成。

CPU模塊采用MPC8270處理器[2]。該處理器是Freescale公司PowerUICC II系列的一款高性能低功耗處理器，具有雙內(nèi)核：一個(gè)嵌入式PowerPC603e內(nèi)核和一個(gè)通信處理模塊，具有雙地址總線，最高工作主頻為450 MHz。CPU模塊的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

IOC模塊通過(guò)PCI總線接受CPU的通信控制，該模塊采用模擬/數(shù)字混合一體化電路設(shè)計(jì)，主要使用FPGA設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，主要包括GJB289A總線[3]功能電路、RS422/RS485電路、脈沖、頻率信號(hào)處理電路、離散量輸入/輸出電路、模擬量輸入/輸出電路等，這些接口被用來(lái)與導(dǎo)彈上的遙測(cè)、引信、火控、舵機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)和衛(wèi)星定位接收機(jī)等部件實(shí)現(xiàn)通信控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)導(dǎo)彈的集中控制和算法解算。

3 軟件設(shè)計(jì)

綜合控制計(jì)算機(jī)軟件由應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件和開(kāi)發(fā)環(huán)境3部分組成。其中，系統(tǒng)軟件主要包括操作系統(tǒng)軟件、驅(qū)動(dòng)軟件和BIT軟件[4]3部分。操作系統(tǒng)采用具有分區(qū)功能的天脈2國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)； BIT(Built-In Test)軟件完成系統(tǒng)對(duì)硬件資源的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件資源實(shí)時(shí)監(jiān)控。驅(qū)動(dòng)程序完成對(duì)底層硬件設(shè)備的初始化，并提供應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)控制計(jì)算機(jī)硬件的操作和控制。圖3為控制計(jì)算機(jī)軟件組成結(jié)構(gòu)圖。

4綜合控制計(jì)算機(jī)特點(diǎn)

在某彈載綜合控制計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)中，有以下的設(shè)計(jì)特點(diǎn)：

(1)采取綜合化、一體化設(shè)計(jì)；

(2)采用國(guó)產(chǎn)自主分區(qū)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；

(3)是相對(duì)傳統(tǒng)彈載計(jì)算機(jī)的全面提升。

4.1 綜合化、一體化設(shè)計(jì)

綜合控制計(jì)算機(jī)將整彈應(yīng)用的數(shù)據(jù)處理、任務(wù)調(diào)度、算法解算與控制（高度、導(dǎo)航、姿態(tài)）、舵機(jī)伺服控制等功能集于一體，整機(jī)包括5個(gè)功能模塊，其不同應(yīng)用任務(wù)的軟件實(shí)現(xiàn)又可依賴(lài)于天脈2操作系統(tǒng)的分區(qū)功能。相比傳統(tǒng)的彈載計(jì)算機(jī)多艙段多計(jì)算機(jī)的模式，該硬件平臺(tái)與系統(tǒng)軟件的統(tǒng)一設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了彈載計(jì)算機(jī)的綜合化與一體化，為某型空地彈提供了統(tǒng)一的計(jì)算控制平臺(tái)。同時(shí)設(shè)計(jì)控制計(jì)算機(jī)時(shí)，采取模數(shù)一體化設(shè)計(jì)，將傳統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)的CPU、AIO（模擬輸出/輸出）和DIO（數(shù)字輸出/輸出）模塊集成為CPM模塊，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)的集成度。圖4為綜合控制計(jì)算機(jī)一體化的示意圖。

4.2 分區(qū)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

綜合控制計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)中采用了國(guó)產(chǎn)自主產(chǎn)權(quán)的天脈2嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（AcoreOS653），天脈２是基于ARINC653標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的支持多應(yīng)用任務(wù)子系統(tǒng)的分區(qū)操作系統(tǒng)，其采用層次化軟件結(jié)構(gòu)，將軟件分為模塊支持層、操作系統(tǒng)層和應(yīng)用層３層。其中，操作系統(tǒng)層包括核心操作系統(tǒng)、分區(qū)操作系統(tǒng)及可配置組件。該操作系統(tǒng)采用了分區(qū)技術(shù)、健康監(jiān)控技術(shù)和基于端口的通信技術(shù)，可以有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的隔離，并且保證不同應(yīng)用任務(wù)的相對(duì)獨(dú)立。

在設(shè)計(jì)中，綜合控制計(jì)算機(jī)為該型空地彈提供了統(tǒng)一的計(jì)算平臺(tái)，而天脈2操作系統(tǒng)的使用又使應(yīng)用任務(wù)相互獨(dú)立，在使用中使同一計(jì)算平臺(tái)變得透明?？刂朴?jì)算機(jī)的應(yīng)用軟件創(chuàng)建有4個(gè)分區(qū)：

(1)功能子系統(tǒng)1：飛行控制軟件；

(2)功能子系統(tǒng)2：組合導(dǎo)航解算軟件；

(3)功能子系統(tǒng)3：氣壓高度表解算軟件；

(4)功能子系統(tǒng)4：無(wú)線電測(cè)高解軟件。

各應(yīng)用功能分區(qū)在空間和時(shí)間上相互獨(dú)立，在邏輯層面上實(shí)現(xiàn)了“多臺(tái)”控制計(jì)算機(jī)，一旦一個(gè)功能子系統(tǒng)發(fā)生故障，不會(huì)影響到其他功能子系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的空間，滿(mǎn)足了系統(tǒng)對(duì)故障隔離的要求。操作系統(tǒng)采用了以中斷/異常管理和健康監(jiān)控管理為核心的容錯(cuò)設(shè)計(jì)技術(shù)[5]，健康監(jiān)控按照故障級(jí)別對(duì)故障進(jìn)行記錄、隔離和處理，防止故障蔓延，確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。操作系統(tǒng)在系統(tǒng)運(yùn)行全過(guò)程中對(duì)可能發(fā)生的故障都進(jìn)行了處理。圖5為故障處理示意圖。

4.3 彈載計(jì)算機(jī)提升對(duì)比

相對(duì)于傳統(tǒng)的多艙段分離式彈載計(jì)算機(jī)，綜合控制計(jì)算機(jī)不僅實(shí)現(xiàn)了綜合化、一體化和使用國(guó)產(chǎn)天脈2分區(qū)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而且在功耗、體積等方面也有顯著降低，如表1所示，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)小型化和解決散熱問(wèn)題格外重要。

在采用控制計(jì)算機(jī)相同的處理器平臺(tái)MPC8270處理器的情況下，本文采用控制導(dǎo)引中常用的卡爾曼濾波算法(Kalman Filtering)[6]測(cè)試程序和基于小波變化的目標(biāo)檢測(cè)算法(Wavelet Transform)測(cè)試程序作為基準(zhǔn)測(cè)試程序，將AcoreOS653操作系統(tǒng)與國(guó)外的VxWorks653系統(tǒng)進(jìn)行了性能測(cè)試對(duì)比，對(duì)比情況如圖6所示，可見(jiàn)使用AcoreOS653的綜合控制計(jì)算機(jī)性能略?xún)?yōu)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)防領(lǐng)域，隨著各類(lèi)機(jī)載精確制導(dǎo)武器的不斷發(fā)展，系統(tǒng)單位不僅要求彈載計(jì)算機(jī)具有更高的性能，而且在綜合度、集成度及實(shí)時(shí)性等方面提出了越來(lái)越高的要求。因此需要更多地采用綜合化設(shè)計(jì)、軟硬件一體化的設(shè)計(jì)思路，更好地實(shí)現(xiàn)“小低輕”。本設(shè)計(jì)基于天脈2嵌入式實(shí)時(shí)分區(qū)操作系統(tǒng)，采用了綜合化、一體化的設(shè)計(jì)思路，減小了彈載計(jì)算機(jī)的體積與重量，在系統(tǒng)應(yīng)用中取得了很好的效果。本文對(duì)包括機(jī)/彈載計(jì)算機(jī)在內(nèi)的多領(lǐng)域嵌入式計(jì)算機(jī)的綜合化、一體化設(shè)計(jì)都具有一定的參考價(jià)值。