一種新型彈載綜合控制計算機的設(shè)計方法

摘要：

彈載計算機作為精確制導(dǎo)武器的核心單元，是實現(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，彈載控制計算機除控制接口復(fù)雜、對計算性能要求高外，對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算機的設(shè)計方法，基于國產(chǎn)天脈2嵌入式實時分區(qū)操作系統(tǒng)，采用了軟硬件一體化的設(shè)計思想，采用PowerPC處理器提供高性能計算能力，將原有多艙段計算機的復(fù)雜交聯(lián)控制進行有效融合，實現(xiàn)了彈載控制計算機的綜合化與一體化。對彈載綜合控制計算機的軟硬件設(shè)計和特點進行了較為詳盡的描述。該控制計算機滿足某型航空武器的使用需求。

0 引言

精確制導(dǎo)空地導(dǎo)彈的研制對于提升我國常規(guī)武器的空中打擊能力起著尤為重要的作用。綜合控制計算機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，實時性強，對計算機的設(shè)計要求較高。本文提出了一種新型彈載綜合控制計算機，采用綜合化、一體化設(shè)計，將傳統(tǒng)的多模塊分艙段計算機進行集成綜合，并配以國產(chǎn)自主產(chǎn)權(quán)的天脈2實時分區(qū)操作系統(tǒng)[1]，提升了計算機性能，最后設(shè)計出了一套新一代彈載綜合控制計算機的軟硬件平臺解決方案。

1 總體設(shè)計

綜合控制計算機主要功能是根據(jù)裝訂的飛行航路點及目標點的三維坐標，綜合運用彈上的各傳感器信息，按時序發(fā)出控制指令，進行制導(dǎo)控制規(guī)律解算，控制航空武器飛行。綜合控制計算機主要由中央處理模塊（CPM）、二次電源模塊（PSM）、無線電測高模塊、舵機伺服控制模塊等組成，在軟件方面綜合控制計算機采用天脈2實時分區(qū)操作系統(tǒng)，綜合控制計算機結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計

CPM模塊為綜合控制計算機的核心部件，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：一個嵌入式PowerPC603e內(nèi)核和一個通信處理模塊，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，主要使用FPGA設(shè)計實現(xiàn)，主要包括GJB289A總線[3]功能電路、RS422/RS485電路、脈沖、頻率信號處理電路、離散量輸入/輸出電路、模擬量輸入/輸出電路等，這些接口被用來與導(dǎo)彈上的遙測、引信、火控、舵機、發(fā)動機和衛(wèi)星定位接收機等部件實現(xiàn)通信控制，實現(xiàn)對整個導(dǎo)彈的集中控制和算法解算。

3 軟件設(shè)計

綜合控制計算機軟件由應(yīng)用軟件、系統(tǒng)軟件和開發(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國產(chǎn)操作系統(tǒng)； BIT(Built-In Test)軟件完成系統(tǒng)對硬件資源的檢測，實現(xiàn)對硬件資源實時監(jiān)控。驅(qū)動程序完成對底層硬件設(shè)備的初始化，并提供應(yīng)用軟件實現(xiàn)對控制計算機硬件的操作和控制。圖3為控制計算機軟件組成結(jié)構(gòu)圖。

4綜合控制計算機特點

在某彈載綜合控制計算機的設(shè)計中，有以下的設(shè)計特點：

(1)采取綜合化、一體化設(shè)計；

(2)采用國產(chǎn)自主分區(qū)實時操作系統(tǒng)；

(3)是相對傳統(tǒng)彈載計算機的全面提升。

4.1 綜合化、一體化設(shè)計

綜合控制計算機將整彈應(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)）、舵機伺服控制等功能集于一體，整機包括5個功能模塊，其不同應(yīng)用任務(wù)的軟件實現(xiàn)又可依賴于天脈2操作系統(tǒng)的分區(qū)功能。相比傳統(tǒng)的彈載計算機多艙段多計算機的模式，該硬件平臺與系統(tǒng)軟件的統(tǒng)一設(shè)計實現(xiàn)了彈載計算機的綜合化與一體化，為某型空地彈提供了統(tǒng)一的計算控制平臺。同時設(shè)計控制計算機時，采取模數(shù)一體化設(shè)計，將傳統(tǒng)控制計算機設(shè)計時的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，進一步提升了系統(tǒng)的集成度。圖4為綜合控制計算機一體化的示意圖。

4.2 分區(qū)實時操作系統(tǒng)

綜合控制計算機設(shè)計中采用了國產(chǎn)自主產(chǎn)權(quán)的天脈2嵌入式實時操作系統(tǒng)（AcoreOS653），天脈２是基于ARINC653標準研發(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)，可以有效地實現(xiàn)對故障的隔離，并且保證不同應(yīng)用任務(wù)的相對獨立。

在設(shè)計中，綜合控制計算機為該型空地彈提供了統(tǒng)一的計算平臺，而天脈2操作系統(tǒng)的使用又使應(yīng)用任務(wù)相互獨立，在使用中使同一計算平臺變得透明?？刂朴嬎銠C的應(yīng)用軟件創(chuàng)建有4個分區(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：無線電測高解軟件。

各應(yīng)用功能分區(qū)在空間和時間上相互獨立，在邏輯層面上實現(xiàn)了“多臺”控制計算機，一旦一個功能子系統(tǒng)發(fā)生故障，不會影響到其他功能子系統(tǒng)和操作系統(tǒng)的空間，滿足了系統(tǒng)對故障隔離的要求。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設(shè)計技術(shù)[5]，健康監(jiān)控按照故障級別對故障進行記錄、隔離和處理，防止故障蔓延，確保系統(tǒng)的安全運行。操作系統(tǒng)在系統(tǒng)運行全過程中對可能發(fā)生的故障都進行了處理。圖5為故障處理示意圖。

4.3 彈載計算機提升對比

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

在采用控制計算機相同的處理器平臺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]測試程序和基于小波變化的目標檢測算法(Wavelet Transform)測試程序作為基準測試程序，將AcoreOS653操作系統(tǒng)與國外的VxWorks653系統(tǒng)進行了性能測試對比，對比情況如圖6所示，可見使用AcoreOS653的綜合控制計算機性能略優(yōu)。

5 結(jié)束語

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