武器参数采集系统研究与设计

匡受堕圜 一 薹銎兰茎鎏鲨篁：鲨釜 坐坠 文章鳙号：1671—4598l2012)04一lOll一03 中田分类号：TP274．5 文献标识码：A 武器参数采集系统研究与 王仲杰，马鹏飞，期义红 (中国飞行试验研究院，陕西西安710089) 摘要：针对我国某新型飞机的飞行试验中所涉及到的电子对抗分系统、武器系统、雷达以及综合航电分系统中的快速、高精度脉冲 参数的特殊测试需求，设计一种机载数据采集系统。使得它能够采集包括脉冲出现的时问(时统，古重复率／周期)、极性、幅值、脉宽 等信息，然后将数据通过高速处理单元存储在记录介质中，为鉴定试飞提供可靠数据；通过验证，该系统分辨率高，采集记录的数据准 确可靠，工作稳定并满足机载环境使用要求。 关键词：飞行试验；高速脉冲；武器系统I雷达 ResearchandDesignofWeaponDataAcquisitionSystem WangZhongjie。MaPengfei，YanYihong (ChineseFlightTestEstablishment，Xi’an710089，china) Abstract：Accordingtothespecialtestingrequirementpresentedinsnewaircraftflighttest，whichisskindofhighspeedandhighpre— eisionpulseparameterintheelectrioniewarfaresystem．weaponsystem．radarandintegratedavionicssystem。designsflighttestinstrumen— ration(FTI)systemtoacquirethetimeofpulseoccurred．pulsepolarity，pulseheight，pulseduration．，endrecordthedatabyhighspeed processunit．ThisFTlsystemguaranteesaccuratedateforqualificationflighttest．Experimentsshowthatthesystemworkstable，highre— solvingpower，accuracyandreliability．Itcanbeusedintheon—airplaneenvironment． Keywords：flighttestIhighspeedpulse；weaponsystem；radar 0 引言 当前国内外开展的实时脉冲参数测量技术研究。已经实现 了对高密度脉冲流的脉冲到达时间、脉冲宽度和脉冲幅度等的 实时高精度测量，并对测量误差进行了，同时给出了功能 仿真的波形。但所限于应用场合的不同，此类相关产品或研究 大都只适应于实验室应用，且系统功能单一，难以适应飞机机 载产品的特殊环境要求；或者在装机产品中采集参数用途单 一，数据量小，总采样率低；它们作为一个独立的系统。并不 具备飞机鉴定试飞所需要的各项功能。本文设计一种机载环境 下的全脉冲数据采集系统，它能够实现对某新型飞机鉴定试飞 所需求的各种武器脉冲参数进行采集存储并进行事后的分析 处理。 l 系统功能 设计的采集系统主要由机载采集器部分和地面处理部分组 成，核心内容是机载采集器部分。它主要和某型飞机中的雷 达、电子战、显控、武器外挂等系统接口，接口信号主要为武 器挂点的导弹脉冲信号和机上设备的同步脉冲信号，我们将之 简称为武器参数信号，武器参数信号主要包括单极性以及双极 性脉冲信号，设计的武器参数采集器要求具有如下功能： ①实现高精度实时采集武器参数脉冲上升沿以及下降沿 的出现时刻，脉冲的重复率(周期)，脉冲幅值，脉冲宽度， 收稿日期：2010一09—11，惨圃日期：2011—10一30。 作奢简介：王仲杰(1981一)，男，山西人，师，主要从事机载测试 方面的研究工作。 极性等，并实现海量数据的压缩与存储。 ②武器参数采集系统作为机载测试设备受限于机上安装 空间和电源负载有限，要求它的体积和功耗尽可能小，所以设 计上要尽可能提高其集成度，而且必须满足机载环境要求。 ③试飞参数的分析必须要有统一的时问基准，为保证与 其他机载测试采集设备的时间同步，武器参数采集系统必须引 入外部时问(GPS时间)，并保证时间的精度(1PPS秒脉冲 惨正)。 ④根据实际飞行试验需求，要求系统连续记录时间不小 于两小时且记录数据在非正常断电时具有已记录数据不丢失 功能。 ⑤根据对脉冲数据的分析，要求采集系统的分辨率 为50ns。 2设计分析 武器参数采集器是集高速采集、实时压缩、高速存储于一 体的设备，在具体的设计中，对各项关键指标要进行详细的分 析计算，尽量采用成熟技术和标准化设计以提高设备可靠性， 采集通道的接口特性，使之具有通用性和广泛的适应性。 2f1数据窖■与传输速度分析 根据设计要求，采集时间分辨率要达到50ns，因此要采 用20M以上的高速AD进行采集，若要对机上27路参数进行 不问断数据记录方式，理论上数据采集的容量为：20Mbx27 路×3600秒×2小时=3796．875GB，而目前微型存储设备的 发展远远满足不了该要求。而且若进行不问断敷据记录方式． 理论上数据传输率为t20Mb×27路=540Mb／s，即数据总线 的带宽要满足540Mb／s以上，才能完成散据的正常记录，而 万方数据 ·1012· 计算机测量与控制 第20卷 现有的军用总线无法满足该带宽的要求，因此，只有对采集数 心的POWERPC子系统实现对CPCI总线上数据进行DMA的 据进行实时压缩才能满足总线带宽和容量的要求。 快速读取工作。为满足武器参数采集器的功耗设计，在CPU 根据脉冲类型的特点，我们可以采用适当的压缩算法来解 模块中将采用PowerPC处理器(MPC5121E)，低功耗(正常 决海量数据的传输和存储。通过对传统的几种无损压缩算法的 工作下无需加散热片)。为确保采集模块的标准化，将IRIG一 对比，我们选用了RLE编码压缩算法，该算法有利于数据的 B交流码的接收电路设计在CPU模块上。为保证采集数据与 快速实时压缩，同时还能达到很高的压缩率口]。在设计中，我 飞机时统的一致性，主板通过FPGA将IRIG的百天、十天、 们对RLE压缩算法进行改进和调整，压缩率可以提高至4％天、时、分、秒进行解码。高精度时钟通过FPGA将外部秒 以上Ⅲ，因此经过压缩后，采集数据量最大为3796．875GBX脉冲信号处理产生本地秒脉冲信号．进行采集模块时钟同步。 4％≈151．875GB，由此得出的压缩后理论数据传输率为：为保证武器参数采集器采集速度，选择400MHz以上主频 540Mb／s×4％≈21．6Mb／s。 2．2计算机总线选用 在航空电子系统中，计算机总线的选用与其系统特性紧密 相连，总线的选取要合理，要充分论证总线的最大传输速率、 总线数据宽度、寻址范围、时钟频率等，为武器参数采集器设 计提供依据。 基于总线带宽及模块尺寸的综合考虑，LBE和VME总线 模块不满足使用要求，而目前广泛采用的3U32位的CPCI总 线模块，其数据传输带宽为133Mb／s，实际可达到40Mb／s以 上的速率，模块尺寸和带宽均满足测量要求。 2．3存储介质的选取 在设计中将选用新一代的存储设备SSD：占片(固态硬 盘)。该芯片在处理速度、耐冲击、功耗、可靠性上要优于通 常所使用的CF卡，在国外航空、航天、舰船等特殊环境中已 大量使用。目前市场上最成熟的SLC工艺SSD芯片为8GB， 工业级产品，可选用多片组合来实现大容量存储。 3硬件设计 3．1组成与工作原理 根据上述计算机总线的选取原则，并结合尺寸的要求，我 们选用3UCPCI总线模块，系统工作时钟为33MHz，系统由 1块CPU模块、4块采集模块以及l块供电控制模块组成，为 提高系统的可维护性，将果集模块设计为通用的输入接口和输 出接口，每个采集模块可同时采集8路高速脉冲(4模块合计 32路)，4个采集模块在CPU的控制下同时启动，CPU模块 将秒脉冲信号处理输出同步时钟，用于同步触发4块采集模块 的记录时钟[5]。其工作原理框图如图1所示。 CPCI总线 图1武器参数采集器工作原理框图 3．2 CPU模块设计 采用3UCPCIPOWERPC主板，通过以MPCSl21E为核 CPU、4MX32位以上程序存储器，32MX64位数据存储器。 3．3数据采集模块设计 采集模块采用3UCPCI总线标准的HT--C502，可与CP— CI总线的主机板配合使用，并通过CPCI总线的DMA功能实 现数据的高速传输[6]。数据采集卡由板上FPGA实现对高速 AD采集芯片AD9289的数据采集功能和实时压缩存储的 工作。 采集模块是武器参数采集器的核心部件，其功能设计 如下z ①为使采集电路模块标准化，输入端均设计为差分输入， 满足单极性和双极性信号接口要求； ②信号接收电路前端采用运算放大器接收，使采集电路对 被测信号的影响降至最小； ③运放电路后级采用可编程增益放大电路，以适应各种信 号的采集，进一步提高设备的通用化； ④FPGA外扩大容量RAM，并与CPCI总线间采用FIFO 接口，确保采集数据的高速异步传输； ⑤FPGA内部设计可编程寄存器，通过设嚣该寄存器，可 动态调整采集速度、采集通道、增益放大控制等，使AD采集 软件化、智能化，以适疲不同环境不同型号的需求。 3．4供电控制模块设计 武器参数采集器机箱内的电源负载为一块CPU模块和4 块采集模块，为保证负载电路稳定可靠启动，供电控制模块对 5V电压稳态输出进行控制，剔除了升压过渡过程；为满足电 磁兼容及电源特性方面的要求，在电源的输入端，采用了 EMI滤波器及过压保护电路；为抑制干扰，在电源输入输出 引脚之间加Y电容进行去耦，在输出级采用共模线圈和电容 组成的Ⅱ型电路进行滤波【7]。 4软件设计 软件部分包括机载武器参数采集器内核软件以及地面数据 回放处理软件两部分。 4．1武器参数采集器软件 运行的操作系统为V)【wbrks5．5，编程语言为C语言，编译 环境为Tornad02．2，程序驻留于CPU模块Flash中，系统加电 后程序将自动运行口]。武器参数采集器软件按照功能可分为： 初始化模块；自检模块，检查各采集模块状态、系统供电、记 录卡状态等；磁盘空间检测模块，检查磁盘可用空间l数据采 集记录模块，将采集模块采集的数据写人各通道文件，同时生 成时标文件；武器参数采集器软件工作流程如图2所示。 4．2地面数据回放处理软件 软件运行的操作系统为WindowsXP，编程语言为C++ 万方数据 第4期 王仲杰，等：武器参敷采集系统研究与设计 ．．1013． 图2武器参散采集器软件工作漉程 语言，编译环境为VC++6．0，作为采集系统的地面处理部 分，主要实现如下功能： ①记录卡散据的读取与管理I ⑦复现记录的原始数据，统计各通道的脉冲周期、频率， 最高峰峰值、最低峰峰值、占空比等参数； ③各通道波形同步显示，复现IRIG时间，分辨率50纳 秒，具备示波器波形测量功能。 软件工作流程如图3所示。 初始化 ‘ 选择所耍打开通道 I 分析藏据文件和时标文件 1 0 ●出涟开量示 上 控制波形显示 0 根据擐柞●出脉冲里示 圈3地面敦据回放处理软件工作诫程图 s系统试验结果 完成系统的硬件和软件设计后，进行了系统的模拟联机调 试．武器参敦模拟器发送模拟数据，武器参数采集系统采集的 数据通过圄放，得到如图4所示的结果西面，其中包括通道 号、■■、相对时标、绝对时标和精确时间等等在飞行试验中 所关心的数据。试验证明采集系统工作正常，达到了设计 指标。 图4地面敦据回放结果图 该武器参数采集系统作为某型飞机飞行试验机载测试系 统的重要组成部分，参与了该型飞机的全部航电相关科目的试 飞。系统运行稳定．所采集记录的数据准确可靠，完成了预定 功能。该系统在相关领域值得推广运用。 ◆考文lit： E1]谭德荣，李京红．周国勇．运载火箭遥测数据压缩算法设计[J]． 字靛学报．2001，22(2)t12--17． E2]李讳明。张文栋，毛海央，等．实时无损敦据压缩算法硬件实现 的研究[J]．哈尔滨工业大学学报，2006．36(2)；315—317． E3]李洪伟．基于QuartusⅡ的FPGA／CPLD设计[M]．北京：电子 工业出版社．2006，30—32． IZ4]王诚．吴继华．AlteraFpGA／cPLD设计[M]．北京。人民邮 电出版社，2006．43—48． [5]侯伯亨等．VHDL硬件描述语育与数字逻辑电麝设计[M]．西 安t西安电子科技大学出版社，2004．55一s7． [6]张毅喇．彭喜元。乔立岩，等．计算机自动测试[M]．哈尔滨， 啥尔淡工业大学出版社，2005． [7]李永军，胡昌林。赵广宇，等．莱电子装备的机内舅试系境设计 [J]．计算机测量与控钢．2005。13(8)，761--762． [8]荆蕾民．VisualBasic6．0程序设计EM]．北京t清华大学出版 杜．2004． 万方数据 武器参数采集系统研究与设计 作者： 王仲杰， 马鹏飞， 颜义红， Wang Zhongjie， Ma Pengfei， Yan Yihong 作者单位： 中国飞行试验研究院,陕西西安,710089 刊名： 计算机测量与控制 英文刊名： Computer Measurement & Control 年，卷(期)： 2012,20(4) 本文读者也读过(10条) 1. 张毅.姚锡凡 加工过程中基于最大熵的神经网络控制[期刊论文]-组合机床与自动化加工技术2004(9) 2. 秦波.刘轶.陈明.Qin bo.Liu yi.Chen ming 双余度航空发动机参数采集系统的设计与实现[期刊论文]-仪器仪 学报2006,27(z2) 3. 郎非.孙锐.LANG Fei.SUN Rui 高速数字图像记录系统的实现[期刊论文]-红外与激光工程2005,34(2) 4. 张晋宁 机载合成孔径雷达数据采集记录系统[会议论文]-2005 5. 孙宏海.李桂菊.李静宇 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