基于嵌入式技术的通用模拟训练系统研究及应用.pdf

2024年2 月第44卷第1期文章编号：10 0 0-7 2 0 2(2 0 2 4)0 1-0 0 8 3-0 5宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementFeb.2024Vol.44No.1D0I:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.14基于嵌入式技术的通用模拟训练系统研究及应用胡错冰，高远，刘冬雪（海装驻北京地区第二军事代表室，北京10 0 0 3 9）摘要：针对多种飞行器模拟训练、发控设备检验和测试需求，介绍了一种基于嵌人式技术的通用飞行器模拟训练系统。模拟训练系统通过识别飞行器型号信息，加载相应软件，实时采集外部供电、转电控制等信息并根据通讯协议解析命令执行相应动作。同时，模拟系统可根据程序设置的检测项目实施机内自检功能。模拟系统灵活性高、应用对象广泛,为飞行器的模拟和训练提供了一种通用的硬件平台，有效提升了飞行器功能模拟的覆盖性、缩短了模拟装置的研制周期。关键词：嵌人式；模拟系统；通用化；通信模块中图分类号：TP23文献标识码：ADesign of General Simulation Training System Based onEmbedded TechnologyHU Kaibing,GAO Yuan,LIU Dongxue(The Second Military Representative Office of Naval Outfit in Beijing,Beijing 100039,China)Abstract:In order to meet the requirements of simulation training and testing of transmission equipment,a generalaircraft simulation training system based on embedded technology is proposed.The simulation system can identify aircraftmodel information,load the corresponding software,collect control information such as external power supply and powertransfer control,and then execute the cooperation according to the communication protocol analysis.Meanwhile,thesimulation system has self-test function through the test items set by the program.The simulation training system has highflexibility and adaptability,which provides a general hardware platform.The system can effectively improve the coverage ofthe aircraft simulation function and shorten the development time.Keywords:Embedded technology;Simulating system;Commonality;Communication module0 引 言飞行器发射前需进行系统联调、匹配试验、对接测试、接口测试、性能测试等调试、验证环节,为避免测试时对飞行器造成损害、对其寿命造成不良影响,在测试系统中使用飞行器模拟系统代替飞行收稿日期：2 0 2 3-10-10；修回日期：2 0 2 4-0 1-3 1作者简介：胡错冰（19 7 0-），男，高级工程师，学士，主要研究方向：装备保障技术及质量管理。84器，模拟飞行器对地面发控系统的输人、输出、通信等电气接口，在飞行器发射前完成对发射控制系统的软硬件接口检测、功能验证、人员训练等。随着飞行器的发展和技术更迭，在原有系列产品基础上衍生出多种类型的飞行器产品，针对不同系列的型号产品，需要各自配备能满足测试、训练要求的飞行器模拟装置，模拟装置通用性低、重复性投入多、研制周期长的问题日益凸显。随着电子技术、网络技术与计算机技术的快速发展，嵌人式技术以其自身的强时效性、低功耗、高专用性等优势成为现代科技发展中的一个关键技术，目前已广泛应用于军用领域、工业领域和通信领域。基于嵌人式技术的通用飞行器模拟系统设计方法，模拟飞行器电气电路、通信及工作状态，可适配多种类型的飞行器。由于嵌人式系统可编程的特点2 ,使模拟系统具有更好的灵活性、可扩展性和通用性。1通用模拟训练系统概述通用模拟训练系统采用DSP+CPLD嵌入式架构,充分利用DSP 和 CPLD丰富的IO资源和编程资源,为模拟系统的通用性提供资源保证。模拟训练系统的硬件平台资源可覆盖当前各型飞行器模拟系统功能需求，输人、输出信号通道设计均有余量。针对不同测试需求，仅需根据实际情况调整软件中输入、输出信号通道数，选择通信接口类型，即可满足测试所需的资源。模拟训练系统硬件主要由信号调理模块、计算机控制模块和通信模块组成，实现输入控制信号检测、模拟状态信号输出、模拟弹地通信等飞行器模拟功能2 。通用模拟训练系统设计框图如图1所示。计算机控制模块通过自动读取飞行器类型信息，完成控制信息采集、状态信号输出功能以及数据存储功能。信号调理模块实现输入信号的隔离和输出信号的变换。通信模块实现多种类、多通道通讯接口，以便满足不同型号飞行器产品模拟的需求,与计算机控制模块之间通过SPI总线进行信息交互，通信模块功能相对独立，通过更换具有不同通信接口的模块即可与更多的飞行器类型相适配，具有良好的可扩展性。宇航计测技术10控制模块存储器控制模块通讯控制模块DSP计算机控制模块通信模块图1通用模拟训练系统设计框图Fig.1 Block diagram of general simulation training system根据模拟训练系统选用的硬件平台，可实现的电气功能指标总结如表1所示。表1电气功能指标Tab.1Electrical function index序号信号功能1检测飞行器类型模拟点火、点爆等2输人34路脉冲信号检测3模拟外部状态输人输人88路开关量6 4路；通4模拟工作状态输出输出断量6 4路2路异步42 2,2 路5模拟通讯2系统硬件设计2.1计算机控制模块设计计算机控制模块以DSP为控制核心,DSP芯片及其外围电路组成CPU控制单元,根据类型设置信息确定输出电压的通道数量和输入信号检测通道数量,完成信息处理、程序及数据存储等功能。DSP通过总线连接CPLD扩展IO,CPLD解析DSP的指令后相应的GPIO动作实现输入IO检测和输出IO2024年信号状态信扩展10调理号、控CPLD模块制信号SRAMFLASH存储器信号方向输人24种双向1553B,2路CAN类型信息外部通信接口信号说明第1期控制。DSP和 CPLD的调试JTAG接口引出到模拟训练系统的对外连接器上,方便实时调试和程序升级。DSP外扩SRAM和 FLASH,进行程序存储和数据存储。计算机控制模块通过串行外设接口SPI控制与通信模块之间的数据交互。按照类型设置信息，模拟对应型号飞行器的自检通信、飞行器测试等通信功能的模拟。计算机控制模块组成如图2 所示。电源芯片（为DSP、FPG A 供电）DSPCPLD10控制信号Fig.2Block diagram of computer control moduleDSP采用TI 公司的 TMS320 系列处理器,该芯片利用改进的哈佛总线结构与多流水线技术,内部集成硬件乘法器可大大提高系统的浮点或定点的数据运算能力3 。器件内部集成了存储资源、可编程I/O、定时器和SPI等通信接口,其强大的功能和丰富的资源确保模拟训练系统的实现。CPLD选用Xilinx公司的XC2C512-10FG324I,具有512 宏单元,低功耗、快速特性的可编程系统，四块独立的IOBANK提供2 7 0 个可用IO,满足多路信号控制和检测的需求。2.2信号调理模块设计信号调理模块作为执行模块，将输入的转电控制、激活通路检查等控制信号送光耦隔离，输出至CPLD的 IO端口供DSP检测查询。针对不同的输入信号采用积分电路和锁存器提升输人信号平滑性,剔除瞬态抖动干扰。DSP软件根据通讯协议输出控制信号驱动继电器动作，继电器触点的闭合或断开模拟飞行器通断量电气信号，继电器触点切换输出电压模拟飞行器的开关量电气信号4。信号调理模块组成如图3 所示。基于嵌人式技术的通用模拟训练系统研究及应用SPI（通信模块接口）FLASH芯片SRAM芯片存储电路输人调理电路类型设置检测控制信号状态信号图2 计算机控制模块组成框图85.控制信号检测结果送10信号调理光耦驱动信号光MOS继电器电磁继电器输出调理电路信号调理模块V状态信号图3 信号调理模块组成框图Fig.3Block diagram of signal conditioning module2.3通信模块设计通信模块由DSP单元、FPGA单元及隔离驱动电路组成,如图4所示。其中DSP单元包含SPI协议控制器,用于解析来自计算机控制模块的指令和通信接口的控制操作5,如1553 B通道的RT地址使能、RS-422接口波特率和字格式的设置、CAN通信接口波特率设置等，为与外部接口速率相匹配且留有余量,SPI接口波特率配置为5Mbps;DSP内部的CAN通信模块与外部的驱动电路共同实现CAN通讯接口。FPGA单元实现RS422和1553 B通讯协议,配合外围隔离电路6 ,完成通信协议的转换。通信模块中每路通讯可以独立工作，互不干涉，根据识别的飞行器类型，系统软件使能一种通讯接口完成飞行器模拟功能。为满足多种系列飞行器模拟功能测试需求,通信模块硬件实现2 路异步42 2、2 路双穴余1553 B总线通信和2 路CAN通信。异步42 2 通信接收端采用光耦隔离,接口为典型的RS42 2 四线接口。每一路1553 B总线均提供两个数据总线接口（MuxA和MuxB),进行双余度通信链接7 ；电路接口使用隔离变压器进行隔离。CAN总线驱动电路提供差动的发送、接收功能，配合总线保护电路实现CAN通讯接口8 通信模块与外部互联的SPI接口物理上只需选通信号SPI_CS、时钟信号SPI_CLK、输入信号SPI_DI和输出信号SPI_DO四根线,接口设计简单，便于扩展，只需更换其他不同种类的通信接口模块即可满足相匹配的飞行器模拟和训练需求。861553通道11553 通道21553B变压器1553B协议收发器1553B协议处理器SPI协议控制器SPI信号图4通信模块组成框图Fig.4Block diagram of communication module3系统主要软件模拟训练系统软件包含计算机控制模块的DSP软件和CPLD软件、通信模块的DSP软件和FPGA软件。计算机控制模块的CPLD软件和通信模块的FPGA软件均作为各自模块的协处理器软件，执行DSP软件的指令。CPLD软件完成离散GPIO信号输人状态读取和输出设置功能,为防止对关键输入信号的误判断,除在硬件上设置滤波电路外，软件中包含了去抖功能,检测到输人信号变为有效电平后每隔2 0 0 s读取一次信号状态,连续8 次均为有效电平则判定检测到的是有效的输入信号，否则判定为无效信号。软硬件结合剔除信号毛刺的方式，有效提高了系统的抗干扰能力。FPGA软件集成RS422和1553 B通信协议IP核,实现SPI与RS422或1553 B通信协议的转换。模拟训练系统的主要工作流程由计算机控制模块的DSP软件和通信模块的DSP软件完成，软件开发环境为 CCS,它是 TI 公司推出的专用于 DSP开发的集成性开发工具。计算机控制模块的DSP软件为本系统的主控软件，包含上电自检、类型识别、通信类型选择、参数传输等功能。主控DSP软件的流程图如图5所示。宇航计测技术串口1串口2RS422收发器CAN总线驱动电路光耦CAN协议控制器RS422协议处理器FPGA个2024年CAN1CAN2内部电源SP协议控制器IDSP通信模块开始上电自检飞行器类型识别选择通信类型发送电压输出指令输人状态检查结果上传通信协议中其他功能结束图5DSP软件流程图Fig.5Flowchart of DSP software通信模块内部的DSP软件内部包含SPI控制模块、通信协议控制模块、数据存储模块，主要用于各类通信接口的配置。通信模块内部的DSP软件流程图如图6 所示。开始通信类型选择RS4221553B通信接口初始化波特率设置参数设置使能发送和接收结束图6 通信模块DSP软件流程图Fig.6 DSP software flowchart of communication module4结束语电子技术不断发展和高科技环境下的军事需CAN第1期求促使飞行器性能不断提升,型号的更新换代促使模拟训练系统随之适配升级。根据不同飞行器发控系统的测试功能需求,设计一种具有通用性的飞行器模拟训练系统，具有良好的可扩展性和灵活性，可大大降低飞行器训练和模拟的硬件成本、人力成本和时间成本，解决了配套模拟训练系统种类繁多、研制周期长、研制成本高等问题，目前已成功应用于多个型号的飞行器模拟训练中,功能和性能均达到了使用要求,对其他类似功能设备的研制也具备一定的参考意义。参考文献1于洪飞.嵌入式技术与应用发展方向分析J.科技创基于嵌人式技术的通用模拟训练系统研究及应用87.新导报,2 0 19,(10):13 7-13 8.2张志峰.导弹模拟器通用开发平台研制D.哈尔滨工业大学,2 0 13:11-12.3黄振.基于DSP和FPGA的多通道数据采集系统设计与实现D.华中科技大学,2 0 18：14-16.4】王兆伟.基于DSP的某型导弹模拟器设计J.四川兵工学报,2 0 14,3 5(2):3 0-3 2.5吕浩,王国东,闫昆,等.基于DSP的某导航计算机模块的设计J.电子技术设计与应用,2 0 15,6（15）：6 0-6 2.6徐智，张义涛.基于FPGA的RS232/422多通道接口设计与实现J.直升机技术,2 0 11,16 9（4）：3 9-41,6 3.7张晴晖,李俊,段芙蓉,等.基于FPGA的1553 B通信模块的设计J.电子技术应用,2 0 10，（1）：3 9-42.8高阳,李永红,岳风英,等.基于DSP和FPGA的CAN总线监视系统设计J.电子器件,2 0 16,3 9（1）：16 4-16 7.(上接第7 5页)相调制等技术的基础上，提出了四种数据链信号的生成方法。并通过实测分析了它们的时域和频域特征。结果表明,生成方法是能够实现的。但是，依靠这些技术生成的信号还仅仅是数据链信号的一种逼近，在随机数产生、跳频图案设计和信号干扰和信号检测等方面还可以进行深入研究。参考文献1】王博,仲维彬.外军数据链发展趋势J.现代导航，2022,13(2):134-137,142.2彭茄恩,陈韵,李仙法，等.基于信道化的Link16数据链信号对抗技术研究J.航天电子对抗,2 0 2 3,3 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