《電子技術應用》
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一種新型彈載綜合控制計算機的設計
2018年電子技術應用第6期
劉 碩1，呂 浩1，2，高 浩1
1.中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安710065； 2.西北工業(yè)大學 計算機學院，陜西 西安710072
摘要： 彈載計算機作為精確制導武器的核心單元，是實現(xiàn)武器系統(tǒng)制導與控制的關鍵部件。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計方法，基于國產天脈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。
中圖分類號： TP302.1
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.174536
中文引用格式： 劉碩，呂浩，高浩. 一種新型彈載綜合控制計算機的設計[J].電子技術應用，2018，44(6)：113-115，119.
英文引用格式： Liu Shuo，Lv Hao，Gao Hao. Design of a new type of missile-borne integrated control computer[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(6)：113-115，119.
Design of a new type of missile-borne integrated control computer
Liu Shuo1，Lv Hao1，2，Gao Hao1
1.Xi′an Aeronautical Computing Technique Research Institute，AVIC，Xi′an 710065，China； 2.School of Computer Science，Northwestern Polytechnical University，Xi′an 710072，China
Abstract： Missile-borne computer is a key component to realize the guidance and control of weapon system as a core unit of precision guidance weapon. With the development of weapons and equipment level, higher requirements were put forward to the integration of missile control computer in addition to complex control interface and the calculation of high performance. This paper introduces one design method of a new type of integrated control computer. The design based on the embedded real-time partition operating system AcoreOS653 adopts the integrated design idea of hardware and software and the PowerPC processor to provide high performance calculation ability. The design realizes the integration of the missile control computer with the effective integration of original multi-cabin computer′s complex cross-linked control. The hardware and software design and characteristics of the integrated control computer are described in detail. The control computer meets the needs of a certain type of aero weapons.
Key words : missile-borne computer；integration；real-time operating system；AcoreOS653；PowerPC

0 引言

    精確制導空地導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，是其控制導航系統(tǒng)一體化彈載電子設備的重要部件之一，其處理的數(shù)據量大，控制接口復雜，實時性強，對計算機的設計要求較高。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，并配以國產自主產權的天脈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 總體設計

    綜合控制計算機主要功能是根據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)，綜合控制計算機結構框圖如圖1所示。

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2 硬件設計

    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，具有雙內核：一個嵌入式PowerPC 603e內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模塊的結構如圖2所示。

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    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計，主要使用FPGA設計實現(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)對整個導彈的集中控制和算法解算。

3 軟件設計

    綜合控制計算機軟件由應用軟件、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。驅動程序完成對底層硬件設備的初始化，并提供應用軟件實現(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構圖。

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4 綜合控制計算機的特點

    在某彈載綜合控制計算機的設計中，有以下的設計特點：

    (1)采取綜合化、一體化設計；

    (2)采用國產自主分區(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、一體化設計

    綜合控制計算機將整彈應用的數(shù)據處理、任務調度、算法解算與控制（高度、導航、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，其不同應用任務的軟件實現(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。同時設計控制計算機時，采取模數(shù)一體化設計，將傳統(tǒng)控制計算機設計時的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。

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4.2 分區(qū)實時操作系統(tǒng)

    綜合控制計算機設計中采用了國產自主產權的天脈2嵌入式實時操作系統(tǒng)（AcoreOS653），天脈２是基于ARINC653標準研發(fā)的支持多應用任務子系統(tǒng)的分區(qū)操作系統(tǒng)，其采用層次化軟件結構，將軟件分為模塊支持層、操作系統(tǒng)層和應用層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、健康監(jiān)控技術和基于端口的通信技術，可以有效地實現(xiàn)對故障的隔離，并且保證不同應用任務的相對獨立。

    在設計中，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)的使用又使應用任務相互獨立，在使用中使同一計算平臺變得透明。控制計算機的應用軟件創(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計技術[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。

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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。

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    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)。

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5 結束語

    在國防領域，隨著各類機載精確制導武器的不斷發(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計、軟硬件一體化的設計思路，更好地實現(xiàn)“小低輕”。本設計基于天脈2嵌入式實時分區(qū)操作系統(tǒng)，采用了綜合化、一體化的設計思路，減小了彈載計算機的體積與重量，在系統(tǒng)應用中取得了很好的效果。本文對包括機/彈載計算機在內的多領域嵌入式計算機的綜合化、一體化設計都具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 譚龍華，杜承烈，雷鑫.ARINC653分區(qū)實時系統(tǒng)的可調度分析[J].航空學報，2015，36（11）：3698-3705.

[2] 姜琳琳，施辰光.MPC8270最小系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].航空計算技術，2013，43（6）：125-128.

[3] 田澤，王菁，學鋒.高速GJB289A總線技術綜述[J].電子技術應用，2016，42（7）：151-153，163.

[4] 田心宇，張小林，吳海濤，等.機載計算機BIT設計技術及策略[J].計算機測量與控制，2011，19（9）：2064-2066.

[5] 仝敏，衛(wèi)一芃，張燈.嵌入式分區(qū)操作系統(tǒng)可靠性技術的研究與應用[J].航空計算技術，2015，45（2）：105-106.

[6] 余樂，鄭力新.基于卡爾曼濾波的動態(tài)目標跟蹤[J].微型機與應用，2016，35（16）：44-45，52.



作者信息:

劉  碩1，呂  浩1，2，高  浩1

(1.中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術研究所，陜西 西安710065；

2.西北工業(yè)大學 計算機學院，陜西 西安710072)

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