一种新型弹载综合控制计算机的设计方法

摘要：

弹载计算机作为精确制导武器的核心单元，是实现武器系统制导与控制的关键部件。随着武器装备发展水平的提高，弹载控制计算机除控制接口复杂、对计算性能要求高外，对综合化也提出了更高的要求。提供了一种新型弹载综合控制计算机的设计方法，基于国产天脉2嵌入式实时分区操作系统，采用了软硬件一体化的设计思想，采用PowerPC处理器提供高性能计算能力，将原有多舱段计算机的复杂交联控制进行有效融合，实现了弹载控制计算机的综合化与一体化。对弹载综合控制计算机的软硬件设计和特点进行了较为详尽的描述。该控制计算机满足某型航空武器的使用需求。

0 引言

精确制导空地导弹的研制对于提升我国常规武器的空中打击能力起着尤为重要的作用。综合控制计算机用于新一代空地型武器，是其控制导航系统一体化弹载电子设备的重要部件之一，其处理的数据量大，控制接口复杂，实时性强，对计算机的设计要求较高。本文提出了一种新型弹载综合控制计算机，采用综合化、一体化设计，将传统的多模块分舱段计算机进行集成综合，并配以国产自主产权的天脉2实时分区操作系统[1]，提升了计算机性能，最后设计出了一套新一代弹载综合控制计算机的软硬件平台解决方案。

1 总体设计

综合控制计算机主要功能是根据装订的飞行航路点及目标点的三维坐标，综合运用弹上的各传感器信息，按时序发出控制指令，进行制导控制规律解算，控制航空武器飞行。综合控制计算机主要由中央处理模块（CPM）、二次电源模块（PSM）、无线电测高模块、舵机伺服控制模块等组成，在软件方面综合控制计算机采用天脉2实时分区操作系统，综合控制计算机结构框图如图1所示。

2 硬件设计

CPM模块为综合控制计算机的核心部件，CPM模块又由CPU子卡模块和IOC模块组成。

CPU模块采用MPC8270处理器[2]。该处理器是Freescale公司PowerUICC II系列的一款高性能低功耗处理器，具有双内核：一个嵌入式PowerPC603e内核和一个通信处理模块，具有双地址总线，最高工作主频为450 MHz。CPU模块的结构如图2所示。

IOC模块通过PCI总线接受CPU的通信控制，该模块采用模拟/数字混合一体化电路设计，主要使用FPGA设计实现，主要包括GJB289A总线[3]功能电路、RS422/RS485电路、脉冲、频率信号处理电路、离散量输入/输出电路、模拟量输入/输出电路等，这些接口被用来与导弹上的遥测、引信、火控、舵机、发动机和卫星定位接收机等部件实现通信控制，实现对整个导弹的集中控制和算法解算。

3 软件设计

综合控制计算机软件由应用软件、系统软件和开发环境3部分组成。其中，系统软件主要包括操作系统软件、驱动软件和BIT软件[4]3部分。操作系统采用具有分区功能的天脉2国产操作系统； BIT(Built-In Test)软件完成系统对硬件资源的检测，实现对硬件资源实时监控。驱动程序完成对底层硬件设备的初始化，并提供应用软件实现对控制计算机硬件的操作和控制。图3为控制计算机软件组成结构图。

4综合控制计算机特点

在某弹载综合控制计算机的设计中，有以下的设计特点：

(1)采取综合化、一体化设计；

(2)采用国产自主分区实时操作系统；

(3)是相对传统弹载计算机的全面提升。

4.1 综合化、一体化设计

综合控制计算机将整弹应用的数据处理、任务调度、算法解算与控制（高度、导航、姿态）、舵机伺服控制等功能集于一体，整机包括5个功能模块，其不同应用任务的软件实现又可依赖于天脉2操作系统的分区功能。相比传统的弹载计算机多舱段多计算机的模式，该硬件平台与系统软件的统一设计实现了弹载计算机的综合化与一体化，为某型空地弹提供了统一的计算控制平台。同时设计控制计算机时，采取模数一体化设计，将传统控制计算机设计时的CPU、AIO（模拟输出/输出）和DIO（数字输出/输出）模块集成为CPM模块，进一步提升了系统的集成度。图4为综合控制计算机一体化的示意图。

4.2 分区实时操作系统

综合控制计算机设计中采用了国产自主产权的天脉2嵌入式实时操作系统（AcoreOS653），天脉２是基于ARINC653标准研发的支持多应用任务子系统的分区操作系统，其采用层次化软件结构，将软件分为模块支持层、操作系统层和应用层３层。其中，操作系统层包括核心操作系统、分区操作系统及可配置组件。该操作系统采用了分区技术、健康监控技术和基于端口的通信技术，可以有效地实现对故障的隔离，并且保证不同应用任务的相对独立。

在设计中，综合控制计算机为该型空地弹提供了统一的计算平台，而天脉2操作系统的使用又使应用任务相互独立，在使用中使同一计算平台变得透明。控制计算机的应用软件创建有4个分区：

(1)功能子系统1：飞行控制软件；

(2)功能子系统2：组合导航解算软件；

(3)功能子系统3：气压高度表解算软件；

(4)功能子系统4：无线电测高解软件。

各应用功能分区在空间和时间上相互独立，在逻辑层面上实现了“多台”控制计算机，一旦一个功能子系统发生故障，不会影响到其他功能子系统和操作系统的空间，满足了系统对故障隔离的要求。操作系统采用了以中断/异常管理和健康监控管理为核心的容错设计技术[5]，健康监控按照故障级别对故障进行记录、隔离和处理，防止故障蔓延，确保系统的安全运行。操作系统在系统运行全过程中对可能发生的故障都进行了处理。图5为故障处理示意图。

4.3 弹载计算机提升对比

相对于传统的多舱段分离式弹载计算机，综合控制计算机不仅实现了综合化、一体化和使用国产天脉2分区实时操作系统，而且在功耗、体积等方面也有显著降低，如表1所示，这对于实现小型化和解决散热问题格外重要。

在采用控制计算机相同的处理器平台MPC8270处理器的情况下，本文采用控制导引中常用的卡尔曼滤波算法(Kalman Filtering)[6]测试程序和基于小波变化的目标检测算法(Wavelet Transform)测试程序作为基准测试程序，将AcoreOS653操作系统与国外的VxWorks653系统进行了性能测试对比，对比情况如图6所示，可见使用AcoreOS653的综合控制计算机性能略优。

5 结束语

在国防领域，随着各类机载精确制导武器的不断发展，系统单位不仅要求弹载计算机具有更高的性能，而且在综合度、集成度及实时性等方面提出了越来越高的要求。因此需要更多地采用综合化设计、软硬件一体化的设计思路，更好地实现“小低轻”。本设计基于天脉2嵌入式实时分区操作系统，采用了综合化、一体化的设计思路，减小了弹载计算机的体积与重量，在系统应用中取得了很好的效果。本文对包括机/弹载计算机在内的多领域嵌入式计算机的综合化、一体化设计都具有一定的参考价值。