面向GJB 1188A接口的通用武器模拟器设计

(中国空空导弹研究院,河南 洛阳 471009)

在作战飞机航电综合试验中，需要进行武器/悬挂物综合试验，测试飞机对武器/悬挂物进行控制管理的功能和性能。武器/电子舱段参与试验是一个必不可少的环节，可以真实地检测飞机与武器/悬挂物的适应性。但由于操作和成本上的限制，在实验室使用武器/电子舱段很不方便，或者实验室不具备试验条件，如考核飞机的武器发射/投放功能试验，并且在试验过程中需要检测飞机对武器/悬挂物各种故障模式的处理能力，武器/电子舱段也不具备模拟故障的能力，因此需要研制武器模拟器，实现对武器/悬挂物的半实物模拟，参与航电综合试验。随着武器种类越来越多，需要的武器模拟器种类也越来越多，如果针对每一型武器都研制独立的模拟设备，会导致模拟设备的数量越来越多、试验成本越来越大，因此需要研制一套通用武器模拟设备，以适应不同类型武器挂载模拟的需求。

GJB 1188A规定了飞机与悬挂物之间的电气接口，标准化了全部的总线、供电、离散线、高带宽、低带宽等信号的特性和部分使用逻辑，使得通用化武器模拟器的研制成为可能。本文针对GJB 1188A接口的武器，设计了一套通用型的武器模拟器，不更换或更换少量的硬件，通过增加不同类型的武器模拟软件模块，实现同时模拟多型武器的目的。

1 设计需求

模拟器模拟武器和发射装置，主要设计需求包括：

(1) 同时模拟武器数量：12个。

(2) 对外接口为飞机与悬挂物间的接口，基本符合GJB 1188A，每个武器模拟接口包括：

① 总线信号：符合GJB 289A要求，单通道双余度。

② 供电输入信号：

直流28 V电源，包括电源1、直流电源2、辅助直流；

直流270 V，1路；

交流115 V，4路。

③ 离散线信号：

输入信号，6个地址线，与地址回线构成通/断；投放允许，信号特性为28 V/断；

输出信号：联锁和联锁回线，信号特性为通/断。

④ 高、低带宽信号,包括GPS输入信号、视频输出信号、脉冲输出信号等。

⑤ 其他非GJB 1188A中规定的接口信号，包括2路CAN总线、1路投放信号(输出，28 V/断)、1路应急投放信号(输出，28 V/断)等。

(3) 武器工作逻辑应符合专用规范的要求。

通过联锁和联锁回线做为挂载飞机的状态；通过地址线识别挂点号；作为RT，通过GJB 289A总线与飞机进行数字通信；使用来自飞机的直流电源、交流电源作为武器用电；通过高、低带宽信号传输GPS、复合视频等信号。

2 系统概述

2.1 系统功能

武器模拟器采用物理手段模拟武器及其发射装置的全部功能，主要功能如下：

① 提供模拟武器的所有对外电气接口；

② 其电气接口、通信接口、工作逻辑和时序符合武器专用接口控制文件、规范等顶层要求，工作过程主要包括挂载、上电、识别、参数装订、准备、发射和离机等各阶段；

③ 运行可配置：通过操作人员对武器挂载方案的设置，包括武器类型、武器挂载情况等配置，重构运行任务，可以同时模拟多种类、多数量武器，目前暂定为可同时模拟12枚武器；

④ 具有故障模拟的功能，通过操作人员对各类型武器故障模式的设置，武器模拟器在运行过程中插入对应的故障；

⑤ 为保证通用性，不模拟电气负载，当有电气负载试验要求时，可在外部接入电子负载直接与飞机相连。

2.2 工作原理

为完成武器的半实物模拟，将武器模拟器从逻辑上划分为两个部分：对外接口模块和武器仿真模块，原理框图如图1所示。

对外接口模块为物理仿真[1]，实现之前所描述的与飞机交联的各类型电气接口，完成与飞机的总线通信与电气信号交联。武器仿真模块是武器模拟器的核心部分，采用数字仿真的方式，模拟各型武器的工作逻辑和工作过程，通过运行驻留在CPU中的软件完成，它从对外接口模块中获取飞机对武器的操作信息，经综合处理后，将武器的行为状态通过对外接口模块进行输出，反馈给飞机。

图1 武器模拟器原理框图

3 系统设计方案

3.1 总体设计

采用嵌入式计算机的架构方式，由嵌入式计算机内置的功能板卡实现对外接口，由武器仿真软件实现武器发控逻辑。嵌入式计算机和功能板卡尽量采用COTS产品[2]，以提高设备的标准化设计程度。除高、低带宽信号外，其他信号的特性在GJB 1188A中已经非常明确，面向一般使用，高带宽信号接口设计为GPS信号、复合视频信号，低带宽信号接口为脉冲信号。对外接口留出足够的余度，以方便扩展。

在嵌入式计算机内部对各个功能板卡信号进行梳理，形成N组挂点信号接口，对应N个武器，分别接入到设备的后面板航空插座上，通过后面板航空插座与飞机的N个挂点接口相连。

操作系统采用WindowsXP，采用C++语言进行编程，提供图形化人机操作界面。

3.2 硬件设计

武器模拟器对外接口复杂，交联信号类型和数量多，特别是飞机与武器间信号的逻辑和时序关系有严格的要求，必须满足实时性要求，因此选用PXI[3]架构的嵌入式计算机。PXI在PCI的基础上，增加了专用的的系统参考时钟、触发总线、星形触发等机制，满足武器模拟器所需的高精度定时、同步和数据通信的要求。在PXI机箱内配置多块功能板卡，以PXI控制器为核心，组建硬件系统，如图2所示。

机箱采用NI公司的PXIe-1082机箱，每插槽具有2 GB/s的专用带宽和8 GB/s的系统带宽。PXI控制器是武器模拟器的核心控制部分，采用NI公司的PXIe-8840控制器，四核处理器，2.6 GHz频率，包括CPU、内存和硬盘等，软件驻留在硬盘中，在CPU中运行，实现武器的数字仿真，通过其他功能板卡获取外部输入信息，将武器的实时行为通过其他功能板卡对外输出。

图2 硬件组成图

GJB 289A总线通信卡具有单通道双余度，模拟多个RT，实现与飞机的通信，通信协议符合GJB 289A。CAN总线具有多路独立通道，通信速率为0～1 Mbit/s可调，支持CAN2.0A/B协议。视频卡对外输出多路复合视频，视频图像可以受程序控制进行图像缩放、平移、字符叠加等处理，以满足高度宽信号的需求。GPS接收卡具有多路GPS接收模块，接收GPS射频信号，对NMEA协议进行解析，通过RS232总线发送给PXI控制器，以满足高带宽信号的需求。脉冲卡以FPGA+驱动/放大电路构成，在PXI控制器的控制下，对外输出脉冲波形，满足低带宽的需求。离散量输入输出卡采用光电隔离的方式，采集外部的28V/断开、地/断开、通/断信号，采用继电器控制，对外输出地/断开、通/断信号。交直流检测卡由信号调理电路和采集电路组成，直流270 V、交流115 V信号经信号调理电路调理后，通过采集电路变换为数字信号，供PXI控制器读取。

功能板卡数量的选取应以武器模拟器对外接口的类型和数量为依据，计算方法为同时模拟武器的数量×单枚武器最大的信号数量，并在此基础上，保证适当的预留。为避免由于信号需求变更而引起硬件资源的不满足，可以提前预留一些其他类型的信号接口。

3.3 软件设计

3.3.1 软件框架

为了降低软件复杂程度、减少软件间的耦合程度，软件采用分层设计的架构方式，将复杂的系统功能分解为不同逻辑层次的简单功能。将软件进行分类，功能相似的封装在同一层，相邻层之间通过数据封装进行信息传递，层与层之间相对独立，每一层执行一个特定的任务，下一层为上一层提供服务，并屏蔽低层任务执行的细节。通过这种体系结构，整个系统划分为若干个服务层次，上一层不需要知道下一层的服务是如何执行的，只需将服务的内容以数据交换的形式传递给下一层，由下一层执行。每一层任务分工明确，层层调用，这样就把一个大问题划分为若干个小问题，并为每个小问题设计一个单独的协议，使问题的解决较为容易[4]，并且每一层内部的修改和功能扩展都不会对其他层有影响[5]。按照这种思路将武器模拟器软件分为4个逻辑层次：系统功能层、武器仿真层、系统服务层和物理介质层，软件架构如图3所示[6]。

图3 软件架构

系统功能层负责人机交互界面显示与控制、武器配挂方案管理、工作模式切换和任务调度，完成武器模拟功能。系统功能层依据武器服务描述信息和武器配挂方案，通过任务调度使用武器仿真层提供的武器仿真服务，实现武器模拟功能，并在显示界面上显示武器状态信息。系统功能层与武器仿真层之间的接口包括武器通用接口参数和通用武器模拟函数，不涉及具体的武器特征。

武器仿真层封装了多类型武器的具体行为特征、功能和逻辑，由一系列武器仿真模块组成，接收系统功能层的调用、任务数据和指令，按照具体武器特征进行执行，形成特定的任务数据和发控逻辑，调用系统服务层功能，完成对外信息交互。

系统服务层主要包括操作系统和各个功能板卡的接口驱动函数，为武器仿真层提供系统时钟、硬件信号访问与控制等服务，封装了具体的硬件特征，通过物理层实现对外接口的电气信号交联。

物理介质层封装了武器模拟器与飞机之间的物理交联介质和硬件接口，负责获取外部电气接口信息、将控制指令形成电气信号输出，实现了两个设备之间电气信号的交联。

3.3.2 软件通用化设计

按照图3建立的软件，层与层之间相互独立，通过调用和数据传递可以获取下层的服务，每一层内部的修改对其他层不影响。系统功能层按照不同的武器配挂方案调度不同类型的武器仿真模块，武器仿真模块通过系统服务层获取外部输入信号，依据触发条件和武器工作逻辑，模拟武器的全部工作过程，并将武器工作过程中产生的外部行为特征，通过系统服务层发送给飞机。因此当仿真武器类型增加时，只需增加新的武器仿真模块，并建立新增武器类型与新武器仿真模块的映射关系，供系统功能层调用即可，其他层不需要改动，或仅需少量的特殊性改动。按照这一思路，标准化武器仿真软件模块对外接口参数，个性化不同类型的武器仿真逻辑过程，按照统一规范进行封装和调用，以通过嵌入采用类似软件插件[7]技术的武器仿真插件的方法，在系统功能层和系统服务层中间运行，达到软件通用化设计的目标。

武器仿真模块采用C++方法进行设计，系统功能层根据武器配挂方案生成实例进行调用。武器仿真模块定义如下：

class Weapon_XXX_SIM

{

public:

void Begin_SIM();

virtual ～ Weapon_XXX_SIM ();

Weapon_XXX_SIM();

STRUCT_SMSMSG SMS_message;

STRUCT_IO_1188A SMS_IO_interface;

……

private:

……

};

类型为STRUCT_SMSMSG的结构体包含了所有的飞机与武器的GJB 289A消息，包括接收消息、发送消息等，结构定义与具体的ICD无关，STRUCT_IO_1188A包含了所有的非总线信号。外部任务负责将收到的总线消息、非总线信息传递给武器仿真模块，由武器仿真模块内部进行解析执行，并将执行结果和状态按照ICD格式通过STRUCT_SMSMSG、STRUCT_IO_1188A传递给系统服务层，向外发送。

3.3.3 软件主要流程

软件主要分为3个部分，管理和调度、武器仿真和对外接口处理。

管理和调度软件负责完成系统的初始化、自检测、人机交互界面及各项任务的调度执行。软件流程图如图4所示。

图4 管理和调度软件流程图

管理和调度软件建立了武器类型与武器仿真模块的映射关系，根据选择的武器配挂方案，调用武器仿真模块，设置仿真参数，生成武器仿真运行实例，根据武器仿真模块输出结果更新显示画面。

武器仿真软件实现武器的数字仿真，每型武器仿真为一个C++类。软件流程图如图5所示。

图5 武器仿真软件流程图

武器仿真软件首先判断武器供电是否是首次上电，如果是，则依据地址线，对GJB 289A模块进行RT地址设置，建立与BC的总线通信，开始武器的数字仿真过程，依据其他任务传递过来的对外接口数据仿真武器阶段的功能。

对外接口处理软件中建立了基于XML格式的硬件资源配置文件[2]，此配置文件建立了物理的武器接口与逻辑的武器接口的映射关系，按照此映射关系，调用硬件驱动函数，实现对外接口的输入和输出。

3.4 实时性设计

Windows系统具有良好的人机界面，使用方式已经被广大用户所接受，同时提供了大量基于图形的类，极大地简化了软件的工作量，但由于其基于消息和非抢占性的特点，不能满足高实时性要求的使用需求[8]，而武器模拟器的时间精度控制一般要求在1 ms左右，因此采用Windows+RTX的方式[9]，在确保本系统的实时性的基础上，保留了Windows环境下的编程习惯。RTX体系结构原理如图6所示。

RTX对Windows系统不做任何封装和修改[2]，只在Windows下进行安装，扩展整个硬件抽象层HAL，通过独立的内核驱动形成与Windows并列的实时系统。

RTX采用基于优先级的线程调度队列，实现抢占式实时任务的管理和调度[8]，将中断处理也赋予优先级，与处于准备就绪的任务进行统一调度。在本文所设计的武器模拟器软件中，将软件按照实时性要求进行分类，将具有实时性特征的软件模块做为RTSS进程运行在实时子系统中，如武器仿真软件、硬件控制软件，其他非实时性软件，如界面显示与操作、武器配挂管理、参数设置等显示与管理类软件，作为传统的Win32进程运行在Win32子系统中。

图6 RTX实时扩展原理

4 试验验证

在综合试验环境中进行武器模拟器的试验，试验构型如图7所示。

图7 试验构型

陪试设备为某型悬挂物管理系统和综合航电系统，使用监控设备，采集并记录武器模拟器的所有输入输出信号，可以对试验结果进行分析，在整个试验过程中，武器模拟器同时模拟12枚多类型武器。

试验按照武器流程，分别完成了武器的上电过程、自检测、传递对准、任务准备和参数装订、投放/发射等步骤。试验结束后，使用Origin软件对监控设备记录的数据进行分析，判断武器模拟的逻辑、时间关系、实时性是否满足设计要求。模拟某型武器的主要逻辑时序关系及数据分析如图8、表1所示。

图8 武器上电过程时序

表1 时间特性数据分析

从表1可以看出，虽然硬件信号的输出具有一定的滞后，但软件执行的响应时间满足实时性的设计要求。从分析的试验数据中可以得出结论：该武器模拟器的武器仿真逻辑、时间关系、实时性满足设计要求，电气接口通信正常。该武器模拟器已经用于实际应用。

5 结束语

本文从硬件构成、软件框架设计和基于Windows的实时性设计等方面开展了分析和研究，采用了基于COTS的模块实现硬件架构设计，提高了硬件标准化、通用化程度，实现硬件资源覆盖武器接口的需求，并预留足够的资源以满足升级的需要；采用Windwos+RTX架构，提高了系统的实时处理性能；软件设计采用分层架构，使用基于插件技术的武器仿真软件模块，保证了软件设计的灵活性和扩展性，通过增加武器仿真插件，即可实现软件的升级。该设备的研究，在GJB 1188A标准的贯彻执行、机载武器种类不断快速更新等情况下，可以实现软件的快速升级、减少试验设备的重复投入，具有很大的现实意义和应用价值。