FPGA在空空导弹武器系统测试中的应用

国海峰，范惠林，陈丹强

（空军航空大学，长春 130022）

某型空空导弹是我军装备的先进的主动雷达复合空空导弹，在我国先进战机上都有挂载，其作战性能的好坏直接关系到航空兵的超视距作战能力。因此，空空导弹武器系统的技术保障显得尤为重要。针对目前空空导弹现有测试设备检测效率低、使用复杂、设备故障率高、功能单一等缺点，构建了基于VXI总线的测试系统。极大的提高了保障设备的效率和可靠性。在导弹发射时序测试中应用了现场可编程门阵列 FPGA(Field Programmable Gate Arrays)对空空导弹发射控制逻辑进行测试，实现了测试设备自动化，解决了测试设备必须等待信号、易打断测试流程的问题，应用VHDL多进程程的编程方法实现了系统的并行测试。

1 空空导弹的发射控制原理

空空导弹的发射控制过程分为导弹加温、导弹准备和导弹发射三个阶段［1］，如图1所示。

图1 导弹的发射时序Fig.1 The launch scheduling of the missile

发射控制流程如下：在导弹加温阶段，主要完成对导弹的加温供电，如果加温正常，则返回加温正常信号给发射控制装置，等待一定的时间，等待导弹准备信号的到来，从而进入导弹准备阶段，在导弹准备阶段，导弹完成空中修正，目标对准等指令，飞行控制系统传递攻击任务参数，准备工作完成后，导弹会回送准备好信号，满足发射条件后，飞行员按下发射按钮，导弹进入发射阶段，接收点火信号，点燃发动机，脱离导弹发射装置，完成导弹发射。

2 基于FPGA的时序控制电路的设计与实现

2.1 FPGA及编程环境选择

根据可用逻辑门、I/O数目和 EAB模块的需求，本设计采用Actel公司的ProASIC3型FPGA产品，内核设计在该公司提供的集成开发环境Libero-IDE8.4下完成的，综合工具采用了Synplify公司的Synthesis 9.6A工具，仿真工具采用MentorGraphic公司的ModelSim 6.4A软件。

硬件描述语言的作用是把待设计的逻辑功能、实现该功能的算法、选用的电路结构和逻辑模块输入计算机，至今已有百余种之多，如Texas公司的HIHDL、Carnegie-Mellon大学的ISP、GatewayDesign Automation公司的Verilog HDL和美国国防部提出的 VHDL等［2］。本系统编程语言采用 VHDL来编写。

2.2 硬件的开发与设计

发射控制装置和测试设备之间的交联信号数量多，逻辑关系复杂。考虑到测试系统可以直接跟发射控制装置之间进行数字信息的传输，不需要对其进行时序控制。其硬件结构图如图2所示。

图2 硬件结构图Fig.2 The structure of the hardware

发射控制装置向FPGA发送的指令经电平转换后，送入FPGA进行处理，作出响应，一方面输出至发射控制装置，发射控制装置根据传来的信号作出响应，传给飞机在多功能显示器上显示；另一方面输出至测试设备进行显示，响应测试步骤。在测试设备中选择故障设置，输出控制信号控制FPGA模拟发射故障。

2.2.1 电平转换电路

发射控制装置与空空导弹之间传输的信号有的高电平有效，有的是低电平有效，但其有效电压都为28V，而FPGA工作在TTL电平或CMOS电平下，所以输入输出电平要按照要求进行相应的变换。输入输出信号的变换都采用光电耦合电路设计。

（1）输入信号的变换［3］

图3 输入信号变换Fig.3 The change of the input signal

当有28V信号输入时，光敏二极管导通，进行光电耦合，经反相器反相，输入“1”，当没有信号输入时，输出为“0”。若信号是低电平有效的，不需要输出信号之前的反相器。

（2）输出信号的变换

图4 输出信号变换Fig.4 The change of the output signal

当TTL电平为高时，光电耦合单元工作，驱动右侧继电器吸合，输出28V，当TTL电平为低时正好相反，输入为0V。

2.2.2 时钟、复位电路

图5 时钟电路Fig.5 The clock circuit

由于导弹发射流程中要判断信号响应时间，需要为FPGA设计时钟电路，采用晶振时钟电路，如图5所示。

当整个系统复位时，FPGA也要完成复位，利用上位机控制一个D触发器的方式完成FPGA的复位。

2.3 软件的设计

软件包括上位机控制软件和FPGA内核软件，软件的时序控制是整个空空导弹测试系统的核心，完成对空空导弹发射流程的时序控制以及对测试设备故障的响应。程序的主框架流程，以空空导弹的发射时序控制流程为主线，依次完成系统初始化、故障识别、测试信号的输入输出等功能。

图6 主程序流程图Fig.6 The flow chart of the main program

图7 正常时序逻辑图Fig.7 The logic diagram of the normal scheduling

2.3.1 上位机程序的编写

测试设备作为上位机在导弹发射流程测试中实现对FPGA的控制和故障判别显示，上位机程序采用 LabWidows/CVI编写，其主要功能包括：控制FPGA的开始和复位；向FPGA发送故障设置控制指令；接收FPGA发送来的故障响应指令。

上位机可以设置的故障有：导弹存在故障、导弹准备故障、导弹电池故障、舵机故障和导弹未发射故障。

2.3.2 软件开发流程

根据某型空空导弹的发射流程和测试系统对时序控制循环检测，自动检测的要求，软件的开发采用模块化的设计思想，按空空导弹的发射流程分为三个模块，加温模块、准备模块和发射模块。前一个模块的输出作为后一个模块的输入，顺序执行程序。

空空导弹的挂点有多个，为了满足并行测试的要求，软件采用多线程并行调用的方式，每一个测试点作为一个进程，按照挂点选择同时运行测试程序。其单个挂点的主程序流程图如图6所示。

2.3.3 程序的仿真结果

程序的仿真包括无故障情况下的仿真和有故障条件下的时序仿真，本文只给出正常时序下的仿真，如图7所示。

由时序仿真波形可看出，各信号的逻辑关系符合空空导弹发射控制流程，该程序能够满足测试系统对于导弹发射控制测试的要求。

3 结束语

FPGA应用于空空导弹武器系统测试中控制导弹的发射流程，解决了以往的测试设备中必须人为按照测试步骤进行测试的问题，实现了系统的自动测试和故障设置。应用多进程的编程方法，解决了并行测试的问题，提高了测试效率。这对提高武器系统，特别是先进导弹的武器系统的战斗力具有十分重要的意义，对于同类产品的研制也有一定的借鉴意义。

［1］孟秀云.导弹制导与控制系统原理［M］.北京：北京理工大学出版社，2003.

［2］阎华，王民钢，王桂华.导弹模拟系统嵌入式电子组件的设计与实现［J］.计算机测量与控制，2007，15（2）：202-204.

［3］闫春光，姜文志，丰海波.基于FPGA的某发控仪模拟器设计［J］.指挥控制与仿真，2006，28（6）：96-99.