某型飞机空舰导弹供电系统检测仪的设计

王超勇，李 林，杨明绪

（海军航空大学 青岛校区，山东 青岛 266041）

0 引言

某型飞机机上共有4 个变压整流器，都属于飞机应急及二次电源系统。在飞机交流主电源系统工作时，4 台变压整流器自动将输入的115V 400Hz 三相四线制交流电转变为直流28V 输出。其中， 3、4 号变压整流器作为空舰导弹的供电系统，由火控专业人员负责日常的维护，不与飞机直流电网系统交联，专门为4 枚YJ-××空舰导弹进行大电流供电。自该型飞机列装以来，先后发生多起与空舰导弹供电系统相关的故障。空舰导弹供电系统的故障不仅会导致单枚挂载或满负荷挂载YJ-××空舰导弹时无法正常发射，而且若供电系统向导弹供电瞬间电压突变，还可能导致导弹损伤。目前，由于该型飞机空舰导弹供电系统机上无相应的监控措施，无检测设备。有无故障无法及时发现，给其维护带来了很大的困难，严重影响该型飞机的导弹武器训练及作战任务的完成。为此，研制了空舰导弹供电系统检测仪，有效解决了上述问题的困扰。

1 总体设计

某型飞机空舰导弹供电系统检测仪是一套基于Compact RIO 平台和触摸屏式计算机TPC 的测量系统[1]，其总体结构如图1 所示，两者通过网线连接构成对等的局域网，主要包括硬件系统和应用软件两部分。

其中，运行时的硬件主要包括Compact RIO 系统平台、触摸屏式计算机、固态继电器、大功率模拟负载、显示控制面板和传感器等，开发阶段的硬件还有开发机[2]。应用软件包括测量应用软件和显示应用软件两部分，都是在开发机上编程实现，测量应用软件下载到嵌入式控制器中，显示应用软件下载在触摸屏式计算机TPC 中[3]。所有的显示和操作都是通过触摸屏式计算机的触摸屏进行的。

某型飞机空舰导弹供电系统检测仪的连接关系如图2所示。将原有连接到空舰导弹指挥仪接线箱的插头通过延长电缆连接到某型飞机空舰导弹供电系统检测仪的检测插座。通过延长电缆将航空插头CH4-4 和CH4-7 连接到检测仪的两个检测插座，实现对3 号变压整流器的检测，或将航空插头CH4-1 和CH4-10 连接到检测仪的两个检测插座，实现对4 号变压整流器的检测。

2 功能设计

1）作为空舰导弹供电系统的模拟负载原位接入，模拟实现一个变压整流器对两枚导弹加电的过程。

2）实时采集空舰导弹供电系统的输出电压和负载电流，还原供电瞬间电压和电流的实时波形，并根据超差结果，综合判断供电品质。

3）提供检测数据的保存和回放功能。

4）提供友好的人机界面。

3 检测仪的设计

3.1 操作系统

技术平台的选择主要包括操作系统的选择和硬件平台的选择，两者是相互制约的，必须综合考虑，权衡利弊。典型的检测平台有基于通用系统（Windows）和实时操作系统（RTX）两种形式。

1）通用系统（Windows）

通用系统（Windows）运行在软实时状态下，即在恶劣运行情况下，以降低性能、延迟处理时间为代价来响应事件，事件响应是通过及时地中断服务程序（ISR）调用和延迟调用（DPC）两个步骤实现的[4]。ISR 以优先级调用、抢占方式运行，而DPC 是以队列方式等候处理。而且系统中优先级等级很少，任务过多时甚至出现优先级倒置，无法满足实时要求。Windows 提供了强大的通信和同步机制，但是不具备实时性。系统的同步事件信号量的平均延迟为几十微秒，在繁忙时最大延迟可达几百微秒。其普通定时器精度仅仅达到几十毫秒，在极限情况下，可达到几百毫秒。由上可知，Windows 无法满足微秒级控制的设计要求。

2）实时操作系统（RTX）

实时操作系统（RTX）运行在硬实时状态下，不管运行环境如何，都必须在时限内按优先级完成事件处理。实现并行多任务机制，严格遵守优先级抢占调度原则，及时处理异常危险事件。对于确定性响应的性能要求，RTX 实时子系统可以满足最苛刻的实时应用程序。它的线程调度程序可以对设备中断提供最快速的响应，一般情况下小于30μs，并且支持RTX 线程的最低可能的延迟调度[5]。

实时RTX 系统是高度确定性的，可以实现实时精度很高的工业控制，特别是中断响应时间的快速性可对高速运动控制提供保障。

某型飞机空舰导弹供电系统检测仪的核心任务是实时采集、分析、记录模拟导弹大负载加电过程中的电流和电压工作情况。由于启动脉冲宽度很窄，要想达到比较好的波形再现效果，至少要达到百微秒级的采样和控制周期。

综上所述，本检测仪必须采用实时操作系统。

图1 某型飞机空舰导弹供电系统检测仪总体结构Fig.1 General structure of the air-to-ship missile power supply system detector of a certain type of aircraft

3.2 硬件平台

检测仪提供两套完全相同的检测硬件，可同时对两个供电通道进行检测。空舰导弹供电系统检测仪的硬件主要由大功率模拟负载网络、嵌入式检测平台、显示控制部分、电源转换模块、机箱和电缆等6 部分组成[6]，如图3 所示。

图2 某型飞机空舰导弹供电系统检测仪的连接关系Fig.2 Connection relationship of the air-to-ship missile power supply system detector of a certain type of aircraft

1）大功率模拟负载网络

包括18 个大功率电阻和18 个固态继电器，受数字输出模块的控制。

2）嵌入式检测平台

包括嵌入式控制器、FPGA 机箱、数字输入模块、数字输出模块、模拟采集模块和霍尔传感器等。

3）显示控制部分

包括触摸屏式计算机TPC，检测仪所有的操作均由TPC 完成。

4）电源部分

检测仪的工作电源为外接的+28V 电源，内部分别送到嵌入式控制器、触摸屏式计算机TPC、风扇和内部电源转换模块，其中内部电源转换模块输出±15V 送到霍尔传感器。

5）机箱

主要包括内部的电子仪器箱和外部的台式加固机箱。电子仪器箱主要用于固定大功率模拟负载组合板、嵌入式检测平台和内部电源转换模块；台式加固机箱主要用于固定电子仪器箱、触摸屏式计算机、航空插座、断路器和风扇等。

6）电缆

主要包括检测电缆、自检模拟电源连接电缆和机上+28V 连接电缆。

图3 某型飞机空舰导弹供电系统检测仪硬件组成框图Fig.3 A frame diagram of the hardware composition of the air-to-ship missile power supply system detector of a certain type of aircraft

图4 检测仪应用软件总体设计Fig.4 The overall design of the tester application software

除了检测仪主体之外，还有220V 50Hz →+28V 电源，以及用于自检和模拟操作的自检模拟电源。

3.3 软件开发

硬件平台的选择决定了软件开发平台的选择，Compact RIO 的硬件平台只能采用NI 的配套软件进行匹配开发设计[7]。硬件系统的结构决定了应用软件的架构形式，检测仪的双计算机架构需要两个应用软件的开发和支持。

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）3 部分，其中前者提供人机操作界面，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，所有的显示和操作都是通过TPC 的触摸屏进行的。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，如图4 所示。

其状态的改变依TPC →RT →FPGA 的顺序进行传递控制；FPGA 采集的数据通过DMA FIFO 传送到RT，然后通过TCP 传送到TPC。为满足100μs 的高速采集周期要求，使用DMA FIFO 可以将FPGA 采集的数据直接传输到Compact RIO RT 控制器的内存中，它可以数据流化大量来自FPGA VI 的数据，对于RT 来讲，这个过程不占用它的CPU 资源，可以利用这个传输时间来进行自己感兴趣的计算。TCP 是基于连接的协议，能进行可靠的网络传输，可按顺序传输数据而毫无错误、遗失或重复，TCP 会不断地传输数据报直至收到接收响应为止。

4 结束语

某型飞机火控总线检测仪的研制，极大提高了该型飞机导弹火控系统总线传输线路性能检测的效率和速度，对于提高飞机的战斗力具有非常重要意义。经部队试用证明，该检测仪工作稳定可靠，操作简便，易于维护，不仅满足了航空兵部队息化精确保障要求，而且稍作改动可扩展满足部队其他主战飞机，满足了现代战争对航空装备技术保障能力的需要。