某型飞机空舰导弹供电系统检测仪的软件设计

韩兆福 王超勇 杨明绪

摘要：为解决某型飞机空舰导弹供电系统在发射启动阶段无法检测满负载能力和纹波电压的问题，本文设计了空舰导弹供电系统检测仪。采用实时嵌入式控制器、实时操作系统（realtime operating system，RTX）、变速率采样及缓冲式传输等技术，实现了纳秒级供电瞬间电压和电流波形的还原及实时检测，提高了检测深度，缩小了故障定位范围，实现了供电系统综合检测。使用结果表明，该检测仪运行稳定可靠、检测准确度高、扩展性好，能有效提高部队空舰导弹供电系统维护保障能力。该设计可应用于其他主战机型空舰导弹供电系统的原位检测，应用前景广阔。

关键词：空舰导弹; 供电系统; 检测仪; 软件设计

中图分类号： V249; TJ762.2+4文献标识码： A

文章编号： 10069798（2019）01011106; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.020

某型飞机空舰导弹供电系统作为YJ××空舰导弹的大功率供电专用电源，对空舰导弹系统的可靠性起着重要作用。自该型飞机列装以来，发生了多起与供电系统相关的故障，主要故障形式包括单枚导弹发射故障和满负荷攻击导弹发射故障两种。由于该系统没有故障监控，地面维护检查时不能发现系统的故障，战备训练时，通常以单枚导弹攻击为主，只有战斗任务时才采用满负荷导弹攻击，因此，在空中可以发现单枚导弹攻击故障，满负荷导弹攻击故障不能发现，从而降低了飞机火控系统战时满挂出动的可靠性。目前，欧美国家生产的大型航空器及军机对机上电源系统监测是靠机上传感器进行，不需对电源系统进行性能检测，中国生产的大飞机也采用机上传感器进行监控，只有个别型号的军机除外，但由于这些型号的飞机列装不久，军内也无此方面的研究。近年来，一些专家对地面电源性能检测进行了研究，高红红[1]采用单片机与计算结合对机载电源检测系统进行了设计，该设计只能对电流输出10 A以下的小型电源进行检测;刘建锋[2]基于虚拟仪器技术对航空地面电源进行研究，但只对电源静态工作环境下的性能检测进行了探讨，缺乏复杂电磁环境下大型机载设备工作时原位检测的研究;张文华等人[3]采用微型计算机控制技术，对变电站直流电源检测设备进行设计，但缺乏电源向用电设备供电瞬间电压突变的检测及大功率模拟负载网络的研究。目前，部队对空舰导弹供电系统的维护通常采用挂载导弹模拟器与模拟训练弹进行辅助检查，特点是只能提供很小的模拟负载电流，其模拟工作不足以反映空舰导弹供电系统的满负荷能力。基于此，本文研制了空舰导弹供电系统检测仪，该检测仪主要应用于原位检测该型飞机空舰导弹供电系统在空舰导弹启动阶段的满負载能力和纹波电压，判明供电系统的供电品质，消除安全隐患，以便空舰导弹作战和训练任务可靠完成。该研究有效提高了部队空舰导弹供电系统维护保障能力。

1检测仪的开发与运行

检测仪硬件架构包括Compact RIO平台和触摸屏式计算机（touch panel computer，TPC）两部分，通过构建局域网进行信息交换，两者有各自配套的应用软件[45]。根据检测仪功能研制的进度，软件分为开发模式和运行模式两个阶段，开发模式主要依赖于开发机，而运行模式则脱离开发机。检测仪的开发及运行模式如图1所示。

开发模式是指在检测仪硬件尚未集成时所进行的软件开发或硬件集成后所进行的软件调试、修改及维护。在检测仪硬件尚未集成时，提前进行软件框架设计[68]，开展相关技术演练（人机界面、数据采集、输出控制、TCP/IP双机通信、数据模拟、用户端和服务器设置等）和关键技术（检测仪的状态控制等）的攻关;硬件集成完毕后，针对系统调试中出现的问题及瑕疵进行相应的软件修改和技术改进。开发机主要用于Compact RIO平台软件与触摸屏式计算机（TPC）进行信息交换。运行模式是指检测仪研制完成的最终形态。嵌入式系统Compact RIO和TPC采用局域网进行交联，工作于双机协调模式[912]。实际的检测仪包括嵌入式系统Compact RIO和TPC，两者之间采用交叉网线构成的局域网进行TCP/IP通信，因此前面板无需留有网线接口。

检测仪操作模式采取Compact RIO + TPC协调工作操作模式，检测仪的信息关系如图2所示。所有的操作完全通过TPC的触摸屏，采集任务由Compact RIO平台完成，两者之间通过Ethernet进行通信，TPC向Compact RIO发送相应的控制命令，Compact RIO实时向TPC发送测量数据[13]。

2检测仪的软件设计

2.1双机TCP自动连接及通信设计

TCP采用基于连接的协议，表示各传输点必须在数据传输前进行交联。信息传输在用户端和服务器之间进行，服务器只能是1个，用户端可多个。检测仪包括cRIO平台和TPC，现将cRIO平台设置为服务器，TPC设置为客户端[1415]，两者可任意设置，但两者有严格的启动顺序，服务器启动之后才能启动TPC，若TPC先启动，cRIO平台后启动，则无法进行双机连接。因此，必须设计特定的流程，确保TCP连接与启动顺序无关。

2.1.1cRIO平台服务器创建

cRIO服务器通过“创建TCP侦听器”函数创建侦听器，并等待位于指定端口的已接受的TCP连接。“侦听器创建”的超时毫秒默认值为-1，表示无限等待，正确启动顺序确保TCP连接成功[1619]。一旦客户端先启动，侦听器将一直等待，因此，将“侦听器创建”的超时毫秒设置为500 ms，同时增加一个循环结构，一旦500 ms没有侦听到连接，则循环继续，再次侦听，直至连接成功，跳出循环。cRIO服务器如图3所示。

2.1.2TPC用户端连接

TPC用户端通过“打开TCP连接”函数创建，打开由地址和远程端口或服务名称指定的TCP网络连接。“打开TCP连接”的超时毫秒默认值为60 000 ms，即1 min，如果服务器没启动，用户端等待1 min才能作后续处理，耗时较长。因此，将超时毫秒设置为900 ms，同时增加一个循环结构，如果900 ms后没有连接成功，则循环继续，再次打开TCP连接，直至连接成功，跳出循环。TPC用户端连接如图4所示。

2.1.3双机通信

双机通信主要是指嵌入式控制器cRIO与触摸屏式计算机TPC之间的双向数据交换，传输数据主要有电压和电流测量数据及状态命令。嵌入式控制器cRIO主要通过外部计算机实时采集的电压和电流数据传送到触摸

屏式计算机TPC，并显示相应的测量数据;触摸屏式计算机TPC为了实现相应的状态控制，通过将其接收到的状态控制信号信息以命令字的形式传送到嵌入式控制器cRIO，并实时接收显示嵌入式控制器cRIO发送的测量数据。为完成相应的状态转换[2023]，可通过触摸屏式计算机TPC发送的状态命令实现。双机通信示意图如图5所示。

2.2TPC功能设计与实现

触摸屏式计算机用于显示和控制，TPC端状态转换图如图6所示。

单机状态： TPC启动，完成硬件和人机界面的初始化。选择“连接”菜单项，实现双机连接;选择“读取”菜单项，显示此前保存过的测量数据。

电压监控状态： TPC接收并显示cRIO发送的测量电压数据，供监视用。选择“开始”菜单项，转入电流测量状态;选择“停止”菜单项，转入双机连接状态。

电流测量状态： TPC接收并显示cRIO发送的测量电压、电流数据。选择“停止”菜单项，转入双机连接状态。

双机连接状态： cRIO不向TPC发送测量电压、电流数据，为此现有状态不变。此时，选择“保存”菜单项，转入测量数据保存状态。

测量数据保存状态： 将测量到的电压、电流数据保存，以供以后调用。

“连接”命令： 实现TPC与cRIO之间的TCP连接。连接成功后，cRIO发送自动转入电压监控状态，此后再次选择“连接”菜单项，将无作用。

“开始”命令： 双机连接时，选择“开始”菜单项，转入电压监控状态，再次选择“开始”菜单项，转入电压+电流显示状态。

“停止”命令： 电压监控状态时，选择“停止”菜单项，转入双机连接状态;电压+电流显示状态时，选择“停止”菜单项，转入停止状态。

“读取”命令： 可读取此前保存过的测量数据，并显示测量数据。

“保存”命令： 可将当前的测量数据保存，以便以后查阅。

为保证检测仪的正常工作，TPC上的菜单项根据当前的状态自动设置有效或无效状态，避免不正确的使用[24]。控制菜单禁用项如表1所示。

2.3cRIO功能设计与实现

cRIO嵌入式系统主要接收解析TPC发送的命令，控制模拟负载的接通状态，同时将测量电压和电流的数据发送到TPC。cRIO端状态转换如图7所示。

单机状态： cRIO启动，完成硬件和软件的初始化，等待双机TCP连接。

双机状态： 双机TCP连接成功，等待“开始”命令。

电压测量状态： 一旦接收到“开始”命令，进入电压测量监控状态，同时将测量的电压数据发送到TPC显示。

电压+电流测量状态： 再次接收到“开始”命令，接通所有模拟负载，同时测量电压和电流，并将测量的电压、电流数据发送到TPC显示。

2.4自检功能设计

通过依次接通一组继电器和大功率负载，采集上传相应的电压和电流，自动判断该组合的工作情况，并在触摸屏计算机上显示。

3检测仪系统设计

3.1检测仪状态划分

检测仪的应用软件主要包括触摸屏式计算机软件TPC VI、嵌入式控制器软件RT VI和FPGA软件FPGA VI三部分，其中，触摸屏式计算机软件TPC VI提供人机操作界面，后两者构成嵌入式系统。检测仪的状态分别由TPC、RT和FPGA三者共同决定，所有的显示和操作通过TPC的触摸屏进行。三者之间通过状态控制和采集数据传输两个通道进行连接。

检测仪状态的合理划分，有效控制检测仪的状态，有利于软件开发、多人合作、设计相互转换之间的信息交换。检测仪的软件整体可划分为初始化、等待（状态1）、低速采集（状态2）和高速采集（状态3）四种状态。

触摸屏式计算机主要用于显示和控制，进一步分为9个子状态;cRIO嵌入式系统主要接收解析TPC发送的命令，控制模拟负载的接通状态，同时将测量电压和电流数据发送到TPC，进一步细分为11个子状态。

3.2信息交换

检测仪需要传输的信息主要包括用户的操作信息、FPGA的状态信息和采集数据。用户的操作信息作为检测仪的控制输入，最终将控制FGPA的工作状态，其状态的改变依TPC→RT→FPGA的顺序进行传递控制;FPGA的状态信息上传到TPC显示;FPGA的采集數据上传到TPC进行实时的计算机处理和显示。FPGA的状态信息和采集数据通过DMA FIFO传送到RT，然后通过TCP传送到TPC。

操作触摸屏式计算机的下拉菜单，通过TCP将相应的命令信号传送到cRIO嵌入式系统，再通过DMA FIFO将命令信号传送到FPGA，从而完成对FPGA的状态控制。此外，FPGA在严格的时序下自动工作，完成相应的任务后，通过反向的通道将FPGA的状态信息上传到TPC，并显示给用户。

3.3传感器的选取

由于被测对象的输出电流相对较大，一般采集模块无法满足测量要求，无法直接测量其电流。因此，选用霍尔型电流传感器测量启动电流和稳定电流。霍尔电流传感器是应用霍尔效应原理开发的新一代电流传感器，能在电隔离条件下测量直流、交流、脉冲及各种不规则波形的电流。电流传感器输出的是与电流成比例的小电压，送到模拟量采集模块NI 9205，即可简洁、可靠地完成两枚空舰导弹启动时的大电流测量。

4结束语

本文设计了空舰导弹供电系统检测仪，该检测仪能够进行微秒级周期控制，解决了供电瞬间电压和电流波形实时检测与还原困难的问题，及时准确的判断供电系统的供电品质，有效解决了某型飞机空舰导弹供电系统性难以检测的难题，为空舰导弹供电系统的日常维护和故障排除提供了必要的检测条件和有效可行的检测手段，提高了一线部队对空舰导弹供电系统维护保障能力。同时，系统也存在不足，在调试过程中出现大功率负载网络负载电阻，由于存在通电时间过长，电阻发热失效的问题，通过软件处理限定工作时间解决问题。该研究为其他两型战机导弹供电系统检测的拓展应用及产品生产提供了方法和借鉴。

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