基于FPGA/SPI技術(shù)的某型導(dǎo)彈檢測(cè)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)研究

趙東華，趙長(zhǎng)嘯，徐建國(guó)，張 華

(陸軍工程大學(xué) 軍械士官學(xué)校彈藥導(dǎo)彈系， 武漢 430075)

某型導(dǎo)彈檢測(cè)作業(yè)是導(dǎo)彈質(zhì)量監(jiān)控、儲(chǔ)存延壽的一項(xiàng)重要工作。由于該型導(dǎo)彈檢修程序繁瑣，對(duì)安全性、規(guī)范性提出較高的要求，部隊(duì)有關(guān)技術(shù)人員要達(dá)到崗位技能，必須進(jìn)行大量培訓(xùn)和訓(xùn)練。目前在對(duì)導(dǎo)彈檢測(cè)維修訓(xùn)練時(shí)，實(shí)彈檢測(cè)訓(xùn)練安全性得不到保證，檢測(cè)時(shí)一般只能顯示正確(單一)檢測(cè)結(jié)果，訓(xùn)練效果不夠理想，不利于培訓(xùn)人員掌握和提高檢測(cè)維修技能。

為提高部隊(duì)導(dǎo)彈檢測(cè)人員技能水平，提高檢測(cè)訓(xùn)練效率，有必要開發(fā)一套模擬導(dǎo)彈檢測(cè)訓(xùn)練并與檢測(cè)儀對(duì)接的適配器系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于FPGA可編程邏輯控制技術(shù)，利用Visual Studio軟件編寫電路信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，采用網(wǎng)絡(luò)通信SPI進(jìn)行信號(hào)控制傳輸，以適配器模擬導(dǎo)彈信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)彈檢測(cè)儀的配合及操作；還可以通過改變電路信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，產(chǎn)生故障信號(hào)，實(shí)現(xiàn)故障模式訓(xùn)練，克服實(shí)彈檢測(cè)安全性不足和訓(xùn)練模式單一問題，提高檢測(cè)技術(shù)人員技能和數(shù)據(jù)判斷分析能力。系統(tǒng)操作和實(shí)彈基本一致，開發(fā)成本低，周期短，適合部隊(duì)檢測(cè)人員訓(xùn)練使用[1]。

1 檢測(cè)模擬信號(hào)需求分析

某型導(dǎo)彈主要采用激光駕束制導(dǎo)方案，依據(jù)地面發(fā)射平臺(tái)導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)精確打擊目標(biāo)，發(fā)射之前、儲(chǔ)存時(shí)都需要定時(shí)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)設(shè)備為配發(fā)的制式檢測(cè)儀。檢測(cè)流程為檢測(cè)儀先進(jìn)行自檢，自檢正確后，用檢測(cè)電纜連接導(dǎo)彈，通過轉(zhuǎn)換開關(guān)信號(hào)，對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)儀依次向?qū)椵斎搿?”、“-1”、“+1”三種指令信號(hào)，測(cè)試導(dǎo)彈對(duì)指令信號(hào)電路的處理情況，返回放大、濾波后等指令電壓UZ和UY值信號(hào)，返回舵機(jī)反饋電位器的電壓值，以測(cè)試導(dǎo)彈電路的正確性。

這些指令信號(hào)分別從炮射導(dǎo)彈舵機(jī)艙檢測(cè)插座(接口)送給檢測(cè)儀。通過分析指令信號(hào)，其中指令信號(hào)是模擬信號(hào)，而且都是低壓信號(hào)，幅度不超過±15 V，所以適配器系統(tǒng)設(shè)計(jì)內(nèi)部電源、放大器電源定為15 V。在系統(tǒng)內(nèi)部可以通過電路模擬產(chǎn)生上述信號(hào)，通過FPGA控制邏輯程序即可,并且還可以模擬產(chǎn)生超標(biāo)的模擬信號(hào)，促使檢測(cè)設(shè)備相應(yīng)故障信號(hào)燈亮，轉(zhuǎn)為故障模式訓(xùn)練，提高檢測(cè)人員故障判別技能。

2 系統(tǒng)硬件組成

系統(tǒng)包括FPGA控制模塊、適配器模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和主控計(jì)算機(jī)四個(gè)部分組成?；贔PGA/SPI設(shè)計(jì)的模擬檢測(cè)適配器系統(tǒng)主要用來完成導(dǎo)彈電路參數(shù)模擬檢測(cè)教學(xué)訓(xùn)練，通過主控計(jì)算機(jī)設(shè)置正常檢測(cè)、故障檢測(cè)狀態(tài)，主控計(jì)算機(jī)軟件產(chǎn)生相應(yīng)的電信號(hào)波形，F(xiàn)PGA控制系統(tǒng)接受導(dǎo)彈檢測(cè)儀的指令參數(shù)，按照流程控制系統(tǒng)SPI通訊模塊將電路信號(hào)波形數(shù)據(jù)傳輸給適配器模塊，適配器航空插座與導(dǎo)彈一致，將模擬產(chǎn)生的電路參數(shù)送給檢測(cè)儀，檢測(cè)儀產(chǎn)生相應(yīng)的信號(hào)指示，供檢測(cè)人員判斷。具體硬件組成如圖1所示。

圖1 硬件組成

1) FPGA控制模塊：系統(tǒng)的工作和通訊都是基于FPGA設(shè)計(jì)，采用Xilinx公司生產(chǎn)的Spartan系列FPGA。FPGA (Field-Programmable Gate Array)為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，內(nèi)部含有豐富布線資源以及

可編程輸入輸出單元，還有大量的可配置邏輯，在小批量、低成本系統(tǒng)上提高系統(tǒng)集成度、可靠性具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)。FPGA芯片外圍控制電路設(shè)計(jì)了FPGA芯片的電源供應(yīng)、晶振供應(yīng)、外接接口以及FPGA電容去耦等。FPGA主時(shí)鐘根據(jù)verilog代碼的優(yōu)化效果，F(xiàn)PGA可以使用盡可能快的時(shí)鐘，使速度達(dá)到最快。在本系統(tǒng)中，因?yàn)閷?duì)速度的要求并不大，只要能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)傳輸功能。因此，在FPGA的時(shí)鐘上，采用50MHz晶振實(shí)現(xiàn)。FPGA控制系統(tǒng)接收到檢測(cè)儀通過適配器接口傳送的指令信號(hào)、放大器檢測(cè)指令、反饋電位器指令，然后根據(jù)這些指令控制網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊實(shí)時(shí)通訊，下載主控計(jì)算機(jī)軟件編輯的電信號(hào)數(shù)據(jù)庫(kù)，模擬產(chǎn)生“0”、“-1”、“+1”三種指令的Uy、Uz信號(hào)、放大器電壓信號(hào)、反饋電位器電壓信號(hào)等信號(hào)，其控制信號(hào)流程框圖如圖2所示[2]。

圖2 FPGA控制信號(hào)流程框圖

2) 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。該模塊主要基于FPGA芯片和W5300網(wǎng)絡(luò)芯片開發(fā)，負(fù)責(zé)與控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，采用TCP/IP協(xié)議，同時(shí)將計(jì)算機(jī)接收到的波形數(shù)據(jù)通過SPI總線傳輸給DAC模塊，是主控計(jì)算機(jī)與各個(gè)DAC模塊之間的連接樞紐。W5300芯片是一款集成TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)芯片，F(xiàn)PGA驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)芯片實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信功能。網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)組成包括初始化、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)發(fā)送、中斷處理等模塊。在硬件系統(tǒng)上電后，網(wǎng)絡(luò)初始化模塊開始工作，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)進(jìn)入初始化流程，初始化過程是使芯片達(dá)到系統(tǒng)所需工作狀態(tài)的前提。初始化主要設(shè)置主機(jī)的接口、配置芯片網(wǎng)絡(luò)信息、配置內(nèi)部TX/RX存儲(chǔ)空間等；初始化結(jié)束后，芯片進(jìn)入等待控制流程，等待FPGA的控制信息；檢測(cè)儀將指令信號(hào)數(shù)據(jù)發(fā)送給FPGA時(shí)，F(xiàn)PGA發(fā)送數(shù)據(jù)信息到網(wǎng)絡(luò)芯片，F(xiàn)PGA進(jìn)入發(fā)送數(shù)據(jù)操作流程，將數(shù)據(jù)送入網(wǎng)絡(luò)芯片內(nèi)部，網(wǎng)絡(luò)芯片將其打包發(fā)送給主控計(jì)算機(jī)；主控計(jì)算機(jī)有網(wǎng)絡(luò)信息送給網(wǎng)絡(luò)芯片時(shí)，網(wǎng)絡(luò)芯片產(chǎn)生中斷，F(xiàn)PGA接收到中斷信息，給接收數(shù)據(jù)信息到網(wǎng)絡(luò)芯片，F(xiàn)PGA進(jìn)入接收數(shù)據(jù)操作流程，將數(shù)據(jù)從網(wǎng)絡(luò)芯片內(nèi)部讀出。

3) 適配器模塊。該模塊共有20塊電路板組成，每塊電路板由FPGA及其外圍電路、DAC芯片組成。FPGA控制DAC芯片將網(wǎng)絡(luò)芯片數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為波形信號(hào)，每一塊DAC模塊電路板輸出信號(hào)引出導(dǎo)線至適配器19芯接口。每個(gè)DAC模塊可以存儲(chǔ)七種不同型號(hào)的波形數(shù)據(jù)，根據(jù)軟件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)指令輸出相應(yīng)的電壓信號(hào)波形。DAC芯片將接收的2進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬波形數(shù)據(jù)，并由運(yùn)算放大器將電壓放大后輸出。項(xiàng)目采用DAC7731E芯片，該芯片為10位分辨率芯片，精度高。每個(gè)DAC模塊受FPGA控制，采用SPI總線傳輸方式提供了一種組合式系統(tǒng)方案，同一條SPI總線上可以掛接任意數(shù)量(小于256)的DAC模塊，每個(gè)DAC模塊可存儲(chǔ)7組波形數(shù)據(jù)，同時(shí)存儲(chǔ)其他節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)。當(dāng)接收到主控計(jì)算機(jī)的命令時(shí)，SPI總線可以將不同的數(shù)據(jù)發(fā)送到正確的位置，使得每一塊DAC模塊輸出正確的波形數(shù)據(jù)送給適配器檢測(cè)接口[4-5]。

4) 主控計(jì)算機(jī)。主控計(jì)算機(jī)用于管理各DAC模塊的輸出波形數(shù)據(jù)，提供操作軟件，實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)通訊模塊的通訊。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

故障編輯采用Microsoft公司的Visual Studio 2013軟件編寫。教練員通過系統(tǒng)軟件設(shè)置當(dāng)前正常、故障波形數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA及通訊模塊通過SPI將當(dāng)前正常、故障的波形數(shù)據(jù)傳輸給各個(gè)DAC模塊，進(jìn)而送給適配器與檢測(cè)儀連接接口。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3[3,6]。

圖3 軟件結(jié)構(gòu)框圖

電信號(hào)編輯用于編輯各種檢測(cè)模式(正常、故障)狀態(tài)下輸出的波形。每個(gè)DAC模塊預(yù)存7個(gè)波形，共20個(gè)DAC模塊。編輯好的電信號(hào)波形也可以根據(jù)需要進(jìn)行修改；

故障設(shè)置用于設(shè)置當(dāng)前的故障狀態(tài)，準(zhǔn)備分發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)先點(diǎn)擊啟動(dòng)服務(wù)器按鈕，則數(shù)據(jù)庫(kù)就會(huì)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的波形分發(fā)下去。

設(shè)備使用前，使用人員通過分析和測(cè)試各種故障狀態(tài)下19芯檢測(cè)接口的輸出波形，并通過故障編輯軟件錄入故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中。訓(xùn)練過程中，通過故障設(shè)置界面選擇當(dāng)前檢測(cè)模式(正常、故障)狀態(tài)，軟件將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的各電信號(hào)波形數(shù)據(jù)下載至訓(xùn)練彈19芯檢測(cè)接口。

1) 軟件電信號(hào)編輯模塊

打開軟件，輸入賬戶密碼(初始密碼定為“ZZK”)，點(diǎn)擊登陸系統(tǒng)，則進(jìn)入到軟件主菜單，根據(jù)具體故障電路分析編輯需要產(chǎn)生的不同類型的波形。如編輯正弦波形，在“生成類型”中選擇“隨機(jī)生成”，然后在“更多波形”中選擇“正弦波波形”，并輸入正弦波的各種波形參數(shù)，然后保存設(shè)置，則可在“隨機(jī)波形”一欄中看到編輯好的正弦波形的預(yù)覽。電信號(hào)編輯模塊提供的常用電信號(hào)包括方波、周期波、三角波、直流信號(hào)等，還可以手動(dòng)繪制各種波形。如圖4所示。

圖4 電信號(hào)編輯模塊

2) 軟件故障編輯模塊

采用故障樹分析方法對(duì)檢測(cè)彈故障進(jìn)行分析設(shè)計(jì)是針對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)故障性分析最適合的方法，故障樹分析方法把系統(tǒng)不希望發(fā)生的事件(模擬導(dǎo)彈故障狀態(tài))作為故障樹的頂事件，用規(guī)定的圖形符號(hào)來表示，并找出導(dǎo)致這一不希望發(fā)生事件的所有可能的直接因素(包括硬件、軟件、環(huán)境、人為因素等)和原因，它們是處于過渡狀態(tài)的中間節(jié)點(diǎn)，并由此逐步深入分析，直到找到事件的基本原因，即故障樹的底事件為止。某型導(dǎo)彈故障性分析如圖5所示。

圖5 某型導(dǎo)彈故障樹

其中E1為放大器反饋電位器部件故障、E2為放大器部件故障、E3為反饋電位器部件觸點(diǎn)連接不好、E4為反饋電位器部件損壞、E5為綜合器故障、E6為觸發(fā)器故障、E7為功率放大器、E8為濾波器故障、E9為綜合器功能性損壞、E10為綜合器外連觸點(diǎn)脫落、E11為觸發(fā)器功能性損壞、E12為觸發(fā)器外連觸點(diǎn)脫落、E13為功率放大器損壞、E14為功率放大器沒有信號(hào)產(chǎn)生、E15為濾波器外連觸點(diǎn)脫落、E16為濾波器沒有信號(hào)產(chǎn)生、E17為電子裝置沒有產(chǎn)生反饋信號(hào)、E18為反饋電位器電阻故障、E19為電子裝置故障、E20為電子裝置輸出信號(hào)超標(biāo)、E21為電子裝置接收信號(hào)不在規(guī)定范圍、E22為指令信號(hào)超標(biāo)、E23為門限電路故障、E24為信號(hào)處理電路故障。通過事故樹定性分析，還可以通過求最小割集、徑集等方法對(duì)某型導(dǎo)彈進(jìn)行故障性分析，取概率發(fā)生最大7種故障模式的最小集組合為{E9、E11、E13、E15、E21、E23、E18}。每一種模式都會(huì)導(dǎo)致頂事件的發(fā)生，它們是某型導(dǎo)彈容易發(fā)生損壞的元部件和故障模式，可以導(dǎo)致檢測(cè)設(shè)備產(chǎn)生“故障”信號(hào)燈亮等現(xiàn)象。

故障編輯模塊就是根據(jù)上述7種故障狀態(tài)進(jìn)行編輯。首先新建故障方案，具體方法為：?jiǎn)螕簟靶陆ǚ桨浮?，然后在“方案名稱”和“方案描述”中輸入故障的名稱和內(nèi)容，最后選擇默認(rèn)波形和硬件節(jié)點(diǎn)數(shù)，點(diǎn)擊確定。故障方案編輯修改完畢后，在“選擇方案”中找出需要加載的方案，然后單擊“加載方案”，則將所選擇的方案加載了進(jìn)來，然后進(jìn)入各方案電信號(hào)編輯模式。具體如圖6所示。

圖6 故障編輯界面

故障設(shè)置用于設(shè)置當(dāng)前的故障狀態(tài)，準(zhǔn)備分發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)先點(diǎn)擊啟動(dòng)服務(wù)器按鈕，則數(shù)據(jù)庫(kù)就會(huì)將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的波形分發(fā)下去。

設(shè)備使用前，教員通過分析和測(cè)試各種故障狀態(tài)下的各節(jié)點(diǎn)的輸出波形，并通過故障編輯軟件錄入故障狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)中。

教學(xué)過程中，教員根據(jù)教學(xué)內(nèi)容通過故障設(shè)置界面選擇當(dāng)前故障狀態(tài)，軟件將存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的各節(jié)點(diǎn)的波形數(shù)據(jù)下載至各仿真DAC模塊中。

設(shè)置好正常、故障狀態(tài)后，訓(xùn)練人員將系統(tǒng)與配套檢測(cè)儀連接，通過觀察檢測(cè)儀顯示信號(hào)，判斷檢測(cè)指標(biāo)，達(dá)到訓(xùn)練技能目的。教員根據(jù)學(xué)生的表現(xiàn)進(jìn)行打分。軟件電路編輯界面如圖7所示。

圖7 軟件編輯電信號(hào)界面

4 系統(tǒng)驗(yàn)證和試驗(yàn)

系統(tǒng)驗(yàn)證和試驗(yàn)表面，該導(dǎo)彈檢測(cè)儀適配器系統(tǒng)對(duì)信號(hào)指標(biāo)的模擬能夠驅(qū)動(dòng)檢測(cè)儀信號(hào)顯示，能夠產(chǎn)生正確和故障的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了人工編輯信號(hào)、自動(dòng)建庫(kù)、模擬故障的導(dǎo)彈檢測(cè)模擬，具有故障訓(xùn)練、數(shù)據(jù)顯示判讀和操作模擬功能，信號(hào)產(chǎn)生的指標(biāo)利用示波器檢測(cè)誤差在2%以內(nèi)。通過對(duì)系統(tǒng)軟件正常模式對(duì)接檢測(cè)儀，檢測(cè)指示燈綠色燈亮，代表模擬產(chǎn)生的電壓正常驅(qū)動(dòng)檢測(cè)儀系統(tǒng)；選擇“0”指令故障模式，在軟件編輯信號(hào)+10V電壓，則在檢測(cè)儀系統(tǒng)可以觀測(cè)到“0”指令指示燈紅燈亮，代表導(dǎo)彈存在故障，不能用于射擊。

驗(yàn)證結(jié)果表面該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，訓(xùn)練效能顯著，安全性好，模擬檢測(cè)效能高，故障模式訓(xùn)練驅(qū)動(dòng)準(zhǔn)確，信號(hào)編輯方便，開放性、組合性設(shè)計(jì)具有多種導(dǎo)彈檢測(cè)模擬訓(xùn)練的適應(yīng)性，達(dá)到了對(duì)導(dǎo)彈檢測(cè)手要求高、安全風(fēng)險(xiǎn)大、數(shù)據(jù)判別要求高的訓(xùn)練目的。

5 結(jié)論

1) 本項(xiàng)目開發(fā)的基礎(chǔ)性平臺(tái)可以拓展到多種導(dǎo)彈檢測(cè)訓(xùn)練，集成為一種綜合性的訓(xùn)練平臺(tái)。

2) 在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、信號(hào)傳輸和處理模塊等關(guān)鍵技術(shù)設(shè)計(jì)上采用開放性、組合性設(shè)計(jì)，基于控制系統(tǒng)、FPGA技術(shù)和SPI通訊傳輸技術(shù)把數(shù)據(jù)傳輸和控制固化下來，控制系統(tǒng)軟件可以人工修改故障方案、人工輸入編輯波形，得到各種波形組合，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)庫(kù)通過傳輸模塊和處理模塊送給外設(shè)接口。

3) 只需稍微改變檢測(cè)接口并在軟件界面手工編輯數(shù)據(jù)庫(kù)，即可將這些信號(hào)波形組合利用到多種導(dǎo)彈檢測(cè)訓(xùn)練平臺(tái)，系統(tǒng)的開放性設(shè)計(jì)具有重要的應(yīng)用價(jià)值。