舰艇平台基础软硬件标准化总体技术

顾亚军，曹宁生

(中国舰船研究院，北京 100192)

舰艇平台基础软硬件标准化总体技术

顾亚军，曹宁生

(中国舰船研究院，北京 100192)

对舰艇平台基础软硬件进行标准化设计可减少备品备件的种类和数量，降低成本，并有效提升装备的生命力。本文从建立统一的标准体系、确保模块互换的硬件设计技术、基于中间件的软件设计技术、人性化的结构设计技术和统一的测试环境设计技术等方面对实施基础软硬件标准化的总体技术进行了深入研究。

舰艇平台;软硬件;标准化

0 引言

根据舰艇平台的基本构成和作战使用需要，舰艇平台一般具有推进监控、电力监控、损管监控等功能。舰艇平台是舰艇构成与使用的基础，它为作战系统提供存在环境和使用条件，为全舰直接或间接地提供作战能力，并直接提供生存能力和保障能力。

舰艇平台基础硬件主要包括电气、机械及其他有关器件组成的具有特定的数据采集、监测控制、网络通信、操作指示等功能的智能化信息处理基本单元，能满足各类舰船自动化要求的智能硬件模块或设备。舰艇平台基础软件主要包括能驱动硬件正常工作的驱动程序、进行故障诊断的诊断程序以及中间件程序等。硬件和软件相互依存，硬件为软件提供物质基础，软件离开了相应硬件的支持，便无法发挥相应作用;同时也只有在软件的支持下，硬件才能正常工作。高质量的基础软硬件是舰艇平台可靠运行的基础，对基础软硬件进行标准化设计可有效减少备品备件的种类和数量，降低成本，并提升装备的生命力。

发达国家海军从20世纪90年代初期便开始重视舰艇平台基础硬件的标准化，采用军用标准和民用标准相结合进行系统设计，并在系统监控台、数据采集处理装置、传感器等设备通用化、系列化、模块化基础之上，强化了软件标准化设计。德国MTU公司、日本寺崎公司、挪威KONGSBERG公司、加拿大CAE公司等都有相关的机电系统产品及集成平台系统，其产品模块化程度高，形成高、中、低等不同层次产品，并明确分成推进控制、电站监控、机舱监测等不同系列产品。

把动力、电力及辅助系统监控装置各功能以通用方式分解为一些通用功能模块，开发符合需求的标准化功能模块及统一的网络设备接口，开发软件构件，按系统特点要求，选择所需的功能模块，连同它们的接口一起形成全船的动力、电力及辅助系统监控装置。在舰艇的整个寿命周期内，要改变和提高该系统的功能，将由变更、增加、减少标准化的模块或模块的升级来实现。这便是国际上目前广泛应用的舰艇平台基础软硬件标准化设计模式。

对舰艇平台基础软硬件进行标准化已越来越受到各国海军的重视，相关技术研究也愈来愈深入，本文重点论述相关的总体技术。

总体设计工作应遵循顶层设计思想，着重加强总体顶层设计和软硬件一体化设计，建立标准体系、约束系统研制，各系列产品采用统一的技术体制、软件共用环境、硬件系列配置和标准规范。

总体设计的目标是应能满足不同专业用户的需求，用户可根据功能和战术使命要求进行模块的选择和配置;为提高装备标准化水平，减少备品备件种类，软硬件同类模块应实现兼容互换;为满足技术发展的需求，软硬件模块应可独立升级。

1 从顶层出发建立统一的标准体系

为了做好有关研制工作，应从系统顶层设计着手，对各系统间硬件的共性功能需求进行分析，完成系统功能的基本配置要求，剥离个体的差异，并进行归纳提炼，提出相应的系列型谱，包括系列化的控制台和控制单元。不同系列控制台和控制单元采用统一的技术体制、软件共用环境、硬件系列配置和标准规范进行设计。

为规范并指导项目研制，应坚持“标准先行”，首先应建立一套完整的包括总体、硬件、软件、结构、集成与测试、批生产管理规范管理等方面的标准化体系，并贯穿整个研制、生产、集成和二次开发全过程。

2 确保模块互换的硬件设计技术

为满足不同使用环境需求，适应型谱系列要求，应进行丰富的功能一致的标准化模块设计，用户能根据功能需求进行模块的选择和配置。

标准化模块可分为I/O类、现场控制类、网络通信类、显示操作类和综合类共五大类30余小类模块，可通过标准化模块的组合来构成不同的控制台和控制单元。

I/O类模块的基本功能为模拟信号采集与处理、脉冲信号采集与处理、数字信号采集与处理、控制信号产生与输出、双CAN冗余通信;现场控制类模块的基本功能为信号采集、信号处理、网络通讯、参数配置;网络通信类的基本功能为以太网通信、以太网与CAN网关、CAN网中继与隔离;显示操作类的基本功能为信息收集、信息显示、状态指示、操作控制;综合类模块的基本功能为操作控制、传令和报警。

标准化模块主要包括现场总线类的开关量输入模块、开关量OC输出模块、开关量继电器输出模块、热电阻输入模块、热电偶输入模块、电压电流输入模块、电压电流输出模块、脉冲量输入/输出模块等I/O类模块;CPCI类的开关量输入模块、开关量OC输出模块、开关量继电器输出模块、热电阻输入模块、热电偶输入模块、电压电流输入模块、电压电流输出模块、脉冲量输入/输出模块等I/O类模块，以及现场控制模块、网关模块、CAN中继模块、现场显控模块、主车钟、应急车钟、功能定义键等模块。

3 基于中间件的软件设计技术

当采用多家配套开发模式时，各家在具体的硬件芯片及驱动电路设计上必定存在差异，为了保证同类模块的互换性，确保控制台硬件的独立升级和应用软件的可移植性和重用性，保证用户在构建应用系统软件时，无需关心硬件驱动的形式、接口、通信协议、版本等的变化，应采用统一的软件体系结构、硬件接口、驱动程序约定/通信协议约定和软件配置项接口调用，应在设备管理、硬件操控、故障诊断等方面开发相应的中间件，从而屏蔽硬件驱动和操作系统的差异性，确保同类模块的互换和独立升级，实现用户的应用程序开发不依赖硬件驱动和操作系统［1］。

智能管理器中间件主要负责根据用户需求自动完成系统硬件配置、管理及维护，支持同类硬件模块的互换功能;操控消息中间件主要负责提供统一的接口调用，屏蔽不同专业、不同厂商及不同操作系统下统的差异，支持二次用户快速开发;故障诊断中间件主要负责提供硬件故障信息的搜集，支持板卡级故障类型快速定位。

为了实现同类硬件模块互相更换时无需更换用户应用程序的目标，还必须对同类硬件模块对用户提供的调用接口进行统一设计和约定，统一规定USB接口通信协议、CAN通信协议、网关接口通信协议等对外通信协议，确定各个硬件模块驱动程序的统一提供形式和调用接口，确定故障诊断代码的统一定义，从而为实现同类硬件模块兼容互换奠定坚实的基础。

USB接口通信协议规定统一采用 USB2.0协议规范;在Windows XP操作系统中统一映射为HID设备(USB人体工程学设备类)，设备读写控制统一采用操作系统的USB设备读写控制API接口;传输速率为HID中速设备及以上(不小于640 000 bit/s，包长度为64字节及以上)，其中功能定义键传输速率为HID低速设备及以上(不小于80 000 bit/s，包长度8个字节及以上)。包长度定义以2的n次方递增，即 8，16，32，64，128，…，等;在 VxWorks 操作系统下的读写控制仿WindowsXP操作系统的API接口。

CAN通信协议规定通信波特率统一采用250 Kbit/s;帧结构采用11位ID的报文识别码和8个数据字节的数据区;PDO报文分为3种形式:上行数据为定时发送和请求应答方式，下行指令为事件触发发送，上行指令回答为接收到下行指令后触发发送;所有硬件模块输出模拟量以实际物理值表示，负数用补码表示，0x8000表示模拟量无效值，开关量0表示断开，1表示闭合;PDO报文发送方式包括定时触发、事件触发和请求应答方式;请求应答方式支持当收到作为发送请求的远程帧指令后，节点向CAN网络发送相应PDO报文，并发送远程帧表示发送结束。

网关接口通信协议规定当网关模块收到CAN报文中设备节点号为本模块节点号的CAN报文时，根据网关模块参数设置报文的要求将该报文转换为以太网报文并发出(信息单元标识为0011);以太网报文以TCP/UDP协议为基础，每个网关模块有且仅有1个IP地址，有且仅有1个设备节点号;当网关模块收到要求转换为CAN报文的以太网报文时(信息单元标识为1100)，将该报文转换为CAN报文并发出。

VxWorks操作系统下每个硬件模块需要提供4个文件:驱动安装文件、故障诊断模块安装文件、驱动目标码和故障诊断目标码。

Windows XPE操作系统下每个硬件模块需要提供3类文件:驱动目标码、故障诊断模块安装文件和故障诊断目标码。驱动目标码由驱动程序、动态链接库组成，驱动程序包括*.inf和对应的*.sys文件，动态链接库包括 *.dll，*.lib和*.h文件;故障诊断代码包括(厂商号+设备号).bit(配置文件)，*.dll文件。

4 人性化的结构设计技术

控制台结构采用“积木化”形式，主要由显示单元、操控单元和电子机箱单元组成。台体采用铸铝结构，既保证了零件的加工精度和整体的造型，同时也提高了控制台的整体强度和电磁屏蔽效果。

根据舰艇平台特点，控制台可用于驾控室、集控室等多种舱室，这就要求控制台应能同时适应坐、站2种操作方式。为了满足该需求，控制台的显示单元设计成可在一定角度范围内进行自由翻转，调节角度应符合人机工程。显示单元通过连接支架与电子机箱上部轴系连接，松开固定加固显示器的2个螺钉，将加固显示器向左侧翻转后，可使用锁紧装置在与水平面成100°(适合坐姿)、126°(适合站姿)2个角度对显示单元进行整体调节(见图1)。

图1 显示单元翻转机构示意图Fig.1 The sketch map of turn framework of display-unit

为了方便电子机箱内部插座转接操作和计算机维修，控制台的操控单元也应能在一定角度范围内进行翻转，并采用气弹簧助力、快锁方式锁紧。向前拉动操控单元下部的拉杆后，其上连接的锁舌会脱开电子机箱的限位，使操控单元在气弹簧的推力作用下，自动向上翻转到与水平面成30°位置停住，即可进行电子机箱内部插座转接和计算机的维修操作;操作完成后，向下按压可使操控单元向下翻转，并在翻转到水平位置时，锁舌受弹簧作用力回位，将操控单元锁紧(见图2)。

图2 操控单元翻转机构示意图Fig.2 The sketch map of turn framework of control-unit

由于商用计算机价格低、与商用主流技术同步等特点，因此控制台采用商用计算机可降低成本，保证技术先进性，但商用计算机又存在着外形尺寸不统一、抗冲击振动能力低、电磁兼容性低和抗湿热能力差等问题。为解决商用计算机的不足，可对控制台的计算机机箱进行在保证不改变商用计算机板卡的物理尺寸和电气特性，对其进行适当的抗恶劣环境能力加固后，装入统一设计的控制台商用计算机机箱内，从而达到舰艇装备使用要求。控制台商用计算机机箱为6U结构，采用对流散热设计，上下表面开设足够的风口，由电子机箱解决商用计算机散热问题。在商用计算机单独调试时，允许自带风机作为调试工装，解决商用计算机单独调试时的散热。装入商用机的电子机箱采用底部进风方式，风路系统主要由下部进风口、商用机箱、底部轴流风机及顶部轴流风机组成。商用机箱具有统一的竖插式结构，保证风路上下畅通。电子机箱内部，由于顶部轴流风机的作用，在商用机箱区形成路线一定的负压风道，引导风流实现全矢量方向的冷却作用。

5 统一的测试环境设计技术

当舰艇平台基础软硬件试制完成后，应建立统一的测试环境，对试制模块和控制台进行严格的功能、性能和互换性测试，以判断其是否满足设计要求。

测试环境包含自动化仿真测试平台、半实物仿真测试平台、被测设备机箱以及仪器/仪表等设备，主要针对各类IO接口、通信接口进行测试，检测其功能、性能、软件合格性、软硬件互换性等项目，以确定是否满足技术指标。

自动化仿真测试平台采用6U CPCI计算机技术构建，由于被测模块的信号种类较多，通道数量也较多，因此为了实现I/O接口和通信接口的协同测试，将CPCI计算机规划为ETU-1仿真测试计算机1和ETU-2仿真测试计算机2，其中1台主要针对模拟量信号测试，另1台主要针对数字量信号测试。自动化仿真测试计算机共2台，测试计算机包括各类I/O接口信号源、I/O接口采集设备、通信接口以及驱动CPCI总线模块的计算机主板。

ETU-1仿真测试计算机1主要包括CPCI主板、电压/电流信号采集、电压/电流信号发生器、热电阻信号发生器板、热电偶信号发生器板、双冗余CAN总线板、多功能8串口卡等，侧重于模拟量板卡的测试。

ETU-2仿真测试计算机2主要包括CPCI主板、OC门信号采集板、脉冲信号发生/采集、继电器信号采集板、开关量信号发生器板、双冗余CAN总线板等，侧重于数字量板卡的测试。

半实物测试设备的核心设计理念是采用LED指示灯和内部电路构成直观的信号监测系统，同时对于热电偶、热电阻等设备可以直接采用实物进行连接测试，对于外部的被测输入设备提供少量定点信号进行激励。主要完成定性的基本功能检测，可检验I/O引脚定义的合格性;并且可用来测试在ETU-1、ETU-2仿真测试计算机的自动化测试环境中不能覆盖的技术指标。

为了实现测试环境的各项功能，还需分别开发约40余个各类硬件模块的测试软件，以及约10余个控制台/单元集成测试软件。

图3 测试软件示意图Fig.3 The sketch map of test-software

6 结语

依据上述总体设计技术，充分利用现有成熟成果，开展舰艇平台基础软硬件标准化，可明显减少备品备件的种类和数量，降低成本，有效提升装备的生命力，取得令人满意的效果。

［1］张云勇，张智江，等.中间件技术原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2004.

General research on standardization technology of basic hardware and software in warship platform system

GU Ya-jun，CAO Ning-sheng
(China Ship Research and Development Academy，Beijing 100192，China)

The standardization design of hardware and software in warship platform system can effectively reduce the amount and type of spare parts，reduce cost and enhance the vitality of equipment.This paper studied the most important standardization technology of basic hardware and software in warship platform system，included the overall architecture design，software design based in middleware，hardware design ensured the module is interchangeable，user-friendly structural design，uniform test platform design.

warship platform;hardware and software;standardization

U674.7+03.1

A

1672－7649(2011)06－0042－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2011.06.011

2011－05－06

顾亚军(1969－)，男，高级工程师，研究方向为舰载信息基础平台总体技术。