彈載記錄器實時監(jiān)測模式的設(shè)計和實現(xiàn)
導(dǎo)彈測試是導(dǎo)彈研制的重要環(huán)節(jié)，能夠全面檢測彈上部件和導(dǎo)彈整體的電氣性能及參數(shù)性能，判定導(dǎo)彈性能質(zhì)量是否合格。因此提供真實可靠的導(dǎo)彈測試及試驗參數(shù)已成為研制新型導(dǎo)彈的迫切需求。
導(dǎo)彈發(fā)射前的模擬飛行試驗是導(dǎo)彈測試的必要環(huán)節(jié)。試驗過程中的暫態(tài)數(shù)據(jù)具有大量有用信息，可為故障診斷、失效分析等提供理論依據(jù)；連續(xù)的大容量數(shù)據(jù)對系統(tǒng)預(yù)測、參數(shù)估計辨別具有重要意義。與傳統(tǒng)彈載記錄器相比，實時監(jiān)測模式記錄器能夠在地面全方位采集彈上暫態(tài)和連續(xù)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲，從而大大提高設(shè)備測試效率，縮短研制周期。
2 導(dǎo)彈測量參數(shù)采集存儲系統(tǒng)
圖1給出導(dǎo)彈測量參數(shù)采集存儲系統(tǒng)原理框圖，它主要由測試平臺、記錄器和用戶終端軟件3部分構(gòu)成。其中測試平臺完成彈上信號源模擬、發(fā)送測試命令、接收記錄器實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和讀取固態(tài)存儲器數(shù)據(jù)等，該測試平臺通過USB接口實現(xiàn)用戶終端通信；記錄器將采集調(diào)理電路處理的彈上數(shù)據(jù)傳輸至FPGA中心邏輯控制單元進(jìn)行解碼、編碼和緩沖處理，并按照不同格式和采樣率分別存入RAM和固態(tài)Flash存儲器中，最后將RAM中的監(jiān)測數(shù)據(jù)實時串行傳輸?shù)綔y試平臺。用戶終端通過USB接口遠(yuǎn)程實時讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，并存儲到指定磁盤，通過軟件實時解包，顯示相關(guān)參數(shù)。采集結(jié)束后，深入分析Flash存儲器數(shù)據(jù)。為了更直觀監(jiān)測彈上記錄器工作狀態(tài)，地面測試平臺設(shè)有等待記錄、實時監(jiān)測、正在記錄等工作狀態(tài)指示燈。
從圖l看出，記錄器實時監(jiān)測模塊將整個系統(tǒng)構(gòu)成一個完整的閉環(huán)實時監(jiān)測系統(tǒng)。它能夠?qū)崿F(xiàn)閉環(huán)考核，雙重檢測彈上數(shù)據(jù)，這樣有助于整個測量系統(tǒng)的故障實時定位、診斷和排除。
3 實時監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計
記錄器中心控制器采用Spanan—II系列的FPGA，該系列FPGA具有大量接口和較強(qiáng)的負(fù)載能力，并且編程方式靈活，集成度高，能夠提高信號的完整性和抗干擾能力。利用FPGA內(nèi)部的UART IP核和外圍硬件接口電路能夠?qū)崿F(xiàn)集成度較高的實時監(jiān)測模塊。
3．1 硬件電路設(shè)計
該系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的RS一422接口差分傳輸?shù)孛鏈y試平臺與彈載記錄器之間的監(jiān)測命令和數(shù)據(jù)，從而增大傳輸距離和增強(qiáng)抗干擾能力。實時監(jiān)測外圍接口電路如圖2所示，JCRXD、JCTXD分別為記錄器經(jīng)RS一422接口接收的測試啟動監(jiān)測命令和發(fā)送的監(jiān)測數(shù)據(jù)；測試平臺接收數(shù)據(jù)后，通過緩沖，將接口轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)通過USB接口傳輸至測試終端；CON為測試平臺和記錄器間的握手信號，為同定頻率脈沖信號，實現(xiàn)這兩者的同步，記錄器只有接收到CON信號后才開始等待測試平臺的啟動監(jiān)測命令：Sl、S2、S3為記錄器發(fā)送的狀態(tài)指示信號，測試平臺接收到信號后直接與面板指示燈相連，以避免傳輸指示信號時受到干擾，導(dǎo)致出現(xiàn)誤指示。
監(jiān)控命令和握手信號接口使用HCPL一2631光耦隔離，能夠準(zhǔn)確接收和發(fā)送差分信號，抑制干擾噪聲通過光耦前后級互相影響，避免產(chǎn)生共阻抗耦合干擾信號；而且光耦具有良好的安全保障作用。信號進(jìn)入光電耦合器前，對其整形濾波和阻抗匹配，以消除線路終端反射和高頻干擾信號。此外，在光耦輸入端加5 V穩(wěn)壓二極管實現(xiàn)過壓保護(hù)，光耦的輸出端接帶有施密特觸發(fā)器的非門74HCl4可濾除毛刺。
3．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
系統(tǒng)軟件設(shè)計時，測試平臺和記錄器遵循相關(guān)協(xié)議進(jìn)行實時監(jiān)測。為保證實時監(jiān)測操作的可靠性，重復(fù)發(fā)送監(jiān)測發(fā)送命令。實時監(jiān)測要求數(shù)據(jù)緩存容量，采用SOC和IP核技術(shù)，將UART、FIFO等分立元件集成到FPGA內(nèi)部即可實現(xiàn)。FPGA內(nèi)部FIFO的實時監(jiān)測模塊如圖3所示，整個UART設(shè)計由時鐘控制和采集數(shù)據(jù)輸入模塊gclock，異步串行數(shù)據(jù)發(fā)送模塊txm、內(nèi)部存儲模塊ram及邏輯控制模塊fifocon構(gòu)成。
圖3中g(shù)clk為全局主時鐘，rst為全局復(fù)位信號。empty和half為RAM存空間狀態(tài)標(biāo)志。為了抑制外部干擾引起的誤觸發(fā)，關(guān)鍵信號采用消抖技術(shù)。程序設(shè)計流程如圖4所示。實時讀信號txrd和寫信號fifo_wr，通過判別RAM存儲空間狀態(tài)標(biāo)志empty和half，采用可調(diào)頻率實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的讀寫。txm模塊將數(shù)據(jù)并串轉(zhuǎn)換，按照設(shè)計要求發(fā)送波特率，并以固定幀格式編碼發(fā)送至RS一422接口。
4 仿真及測試結(jié)果
圖5給出實時監(jiān)測數(shù)據(jù)軟件仿真結(jié)果。將Ox00~0xFF的十六進(jìn)制遞增數(shù)字量數(shù)據(jù)sh_datain[7：0]和數(shù)據(jù)標(biāo)志0xAA，按照360 kHz的fifo_wr寫信號寫入內(nèi)部RAM，512 kHz的txrd讀信號從RAM中抽樣讀入txm模塊，再按照異步串行格式發(fā)送。實時監(jiān)測采集精度在一定范圍內(nèi)則是通過改變程序代碼來實現(xiàn)的。
圖6給出模擬量實時監(jiān)測實測數(shù)據(jù)，通過終端軟件讀取并顯示實時監(jiān)測模擬量和數(shù)字量數(shù)據(jù)。模擬量根據(jù)不同參數(shù)分類顯示，可直觀監(jiān)測采集信號工作狀態(tài)。圖7給出數(shù)字量實時監(jiān)測界面顯示，經(jīng)記錄器實時完全采樣，加標(biāo)志0xAA實時顯示結(jié)果，圖7中左側(cè)為軟件對數(shù)字量的統(tǒng)計。
5 結(jié)語
詳細(xì)給出導(dǎo)彈測量參數(shù)采集存儲系統(tǒng)設(shè)計，從實時監(jiān)測模式出發(fā)，闡述了實時監(jiān)測軟硬件設(shè)計方案。通過軟件仿真和實際測試全面驗證了實時監(jiān)測模塊的功能，并證實該實時監(jiān)測模式可為系統(tǒng)測量提供有效的實時實驗數(shù)據(jù)。目前該設(shè)計方案已成功應(yīng)用于某型號導(dǎo)彈研制和測試。
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