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摘要：为了更好地在地面保障时验证飞机挂弹系统逻辑的正确性，设计了一种便携式导弹模拟系统。该系统在传统导弹模拟系统的基础上采用FPGA作为主控单元，通过制定通信协议控制离散IO模块采集飞机至导弹的控制指令以及继电器模块模拟导弹至飞机的响应信号，实现模拟真实导弹准备过程、发射前后控制指令等信号处理流程。该系统通过了在机上进行的实际验证，效果较好，能够满足地面保障使用。
关键词：导弹模拟器；FPGA；相序检测；状态机
Keywords：missile simulator；FPGA；phase sequence detection；state machine
0 引言
飞行员在空中完成一次导弹的全部攻击流程，涉及火控雷达、光电雷达、武控系统和挂载武器之间复杂的信号处理。现行地面检查中，火控系统和军械系统的调试相对分离，军械系统调试时，导弹的相关检测内容在自主状态（火控失效）下进行，缺少火控系统参与解算的完整攻击过程检查内容，且现有的导弹模拟器体积较大、比较笨重，搬运起来比较繁琐，不易携带。因此，针对上述问题提出一种便携式导弹模拟器及其使用方法。
1 模拟方法研究
梳理导弹的输入输出信号，有115V400Hz交流电源信号、27V直流电源信号、27V离散信号输入、0～27V电压信号等输入信号，以及27V离散信号、0～10V模拟信号和识别短接等输出信号。模拟方法采取搭建硬件电路，利用软件控制输出，模拟飞机导弹发射时序和弹型识别，通过软硬件电路采集飞机至导弹的输入信号，并判断飞机导弹控制指令的正确性，从而模拟真实导弹的识别和发射过程。
2 硬件设计
2.1 整体设计
如图1所示，整个系统为220V交流电输入，通过电源转换模块转换成12V供电脑主机使用；飞机导弹的离散量，一路通过信号调理电路从28V降到1.73V进入ADC采集模块，ADC采集模块将调理好的信号转换成数字量，通过RS485接口发送至电脑主机；另一路经过光耦转换成数字量进入FPGA， FPGA将采集的数字量通过RS232接口发送至电脑主机。电脑主机将需要发送给导弹的离散量先發送给FPGA，FPGA对其进行解析后，通过达林顿管控制继电器阵列将离散量信号输送至飞机导弹。电脑主机通过RS485接口，将飞机导弹需要的模拟量以数字信号形式发送至DAC模块，DAC模块对其转换后发送至飞机导弹。飞机导弹的电源连接115V交流电测量模块，该模块将采集的信号通过RS485接口发送至电脑主机。2.2 FPGA设计
FPGA采用INTEL公司的Cyclone III系列的EP3C5E144I7，该芯片采用65nm技术制造，具有94个I/O端口，22对差分对端口。
2.3 离散IO采集电路设计
离散IO采用双路采集模式设计（见图2），一路通过光耦加施密特触发器进行数字量采集，另一路通过降压进入ADC模块进行模拟量采集，在数字量采集为高电平的同时利用模拟量对高电平幅值进行监控，保证离散量采集的准确性。
2.4 115V交流电相序检测
115V交流电相序检测采用TC783A芯片采集。TC783A为三相相序和缺相检测电路，可用作检测三相正弦波电压的相序和缺相状态，同时有保护功能，具有单电源、功耗小、功能强、输入阻抗高、采样方便、外接元件少等优点。将其联入控制板，可对三相电压进行指示，也可在电机上使用，对电机的正反转进行控制和缺相进行保护。如图3所示，三相电压信号A、B、C经分压电阻网络分别进入电路1、2、3脚，通过对正弦波进行施密特检测，了解信号的存在并送入缺相检测电路进行检测后再输出指示，电路13脚为内部脉冲发生电路的外接电容，约为0.01uF。三相正弦输入正常时，对应A、B、C输入1、2、3脚的输出端12、11、10脚的输出为低电平；当某一相没有输入信号时，对应的输出脚上将有高电平。根据缺相检测的结果，在不缺相的情况下相序指示电路将输出相序，在三相电压信号A、B、C进入电路1、2、3脚的状态下，9脚输出高电平指示正序；而在三相电压信号A、C、B进入电路1、2、3脚的状态下，8脚输出高电平指示反序。在缺相状态下，9脚、8脚皆输出低电平。此电路另外还设计了保护电路，可对过流、过压信号进行检测和输出。5脚为采样输入端，输入信号与电路内的6V基准进行比较，并在电路6脚输出。如果采样高于6V，则输出高电平。4脚对输出方式有两种控制选择：4脚接低电平，输出为不锁定输出，即输入高输出高，输入低输出低；4脚接高电平，输出为锁定输出，此时输入高输出高，输入低输出仍高，需要4脚接地复位才能输出低。
3 控制协议制定
为实现上位机对整个系统的控制，需制定上位机与FPGA的通信协议，本系统采用RS232接口与FPGA通信，FPGA实现的功能为接受上位机发送的模拟开关控制、达林顿管控制、离散I/ O采集和DAC控制等4项指令，对指令进行解析并执行相应的控制和数据采集。协议格式如表1所示，FPGA实现该协议的状态机示意图如图4所示。
4 软件设计
在无挂弹状态下，设备连接到飞机导弹挂点，模拟近战红外导弹挂载信息，在飞机多功能显示器上显示导弹占位信息。使用交流电压采集模块对机上115V三相交流电压进行采集监控，离散量IO采集卡对+27V一次性指令信号进行采集，通过相关接口传至板卡进行信号处理，采用CVI软件编写专用测试程序，实现模拟器相关功能。自制矩阵开关板卡对不同挂点信号进行切换，以适应多挂点测试需要。软件流程图如图5所示。 软件具体逻辑如下：
1）软件控制模拟导弹挂载标志针脚接地，为飞机提供挂载标志，飞机识别出已挂导弹型别。
2）等待弹型标志为绿色空心圆，武器控制系统开始向导弹供电，便携式导弹模拟器对机上三项115V电压和相序进行检查。
3）当三相供电良好时，模拟器软件向飞机发送+27V相关指令。
4）导弹按照指示的方向搜索目标，对目标进行截获，便携式导弹模拟器接收目标指示信号（线性变化电压）。
5）当目标距离达到攻击区以后，弹型标志为截获状态，操作者扣下发射导弹按钮。导弹模拟器检测导弹输出相关指令是否正常。
6）导弹脱离，挂载标志取消接地。
7）再次进行循环检测，控制电压应消失。
按压便携式导弹模拟器电源按键，设备启动完毕后，双击电脑桌面上的导弹模拟器自动测试软件，输入用户名和密码即可进入测试系统。
选择好挂点和弹型后，点击“绿色”按钮进入测试流程，软件界面显示测试倒计时，点击“停止”按钮即可停止测试。测试完毕后，软件显示实测值，同时根据给定的标准范围给出結果判定。
5 结束语
采用便携机箱和自制板件相结合的方法，利用高性能FPGA作为处理中心，研究导弹攻击发射全流程的模拟技术，研制了一套某型导弹便携式模拟器并通过了实际验证，为导弹模拟技术研究提供了有效的参考。该项目的研究成果，改进了地面保障人员测试的工艺方法，有效减少了空中导弹发射故障，提高了部队作训时导弹的发射成功率。
参考文献
[1]张宝琴.用于导弹自动测试系统开发的通用模拟器研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.
[2]李尚生，李炜杰，付哲泉，邹翰锋.导弹模拟器研究现状与关键技术[J].兵工自动化，2017，36（6）：1-4+16.
[3]齐晓林，冀捐灶，崔功，史军勇，冯金富.某型飞机导弹模拟器的原理与实现[J].火力与指挥控制，2002（S1）：48-49+58.
[4]肖子廉，王林.基于单片机的交流电源相序检测电路[J].电子制作，2017（7）：23-24.
[5]姚伟，曹俊，张玉良.一种带正序、负序、逆序显示功能的三相相序检测电路[J].通信电源技术，2015，32（3）：64-66.
[6]程刚，谢驰，姚永和.在Lab Windows/CVI环境下开发虚拟仪器自动测试系统[J].实用测试技术，2002（3）：27-28.
[7]王媛斌，王宏斌.FPGA与PC通信的UART串口设计[J].兰州工业学院报，2020，27（5）：56-61.
作者简介
刘良勇，工程师，研究方向：飞机电子产品修理。
关键词：导弹模拟器；FPGA；相序检测；状态机
Keywords：missile simulator；FPGA；phase sequence detection；state machine
0 引言
飞行员在空中完成一次导弹的全部攻击流程，涉及火控雷达、光电雷达、武控系统和挂载武器之间复杂的信号处理。现行地面检查中，火控系统和军械系统的调试相对分离，军械系统调试时，导弹的相关检测内容在自主状态（火控失效）下进行，缺少火控系统参与解算的完整攻击过程检查内容，且现有的导弹模拟器体积较大、比较笨重，搬运起来比较繁琐，不易携带。因此，针对上述问题提出一种便携式导弹模拟器及其使用方法。
1 模拟方法研究
梳理导弹的输入输出信号，有115V400Hz交流电源信号、27V直流电源信号、27V离散信号输入、0～27V电压信号等输入信号，以及27V离散信号、0～10V模拟信号和识别短接等输出信号。模拟方法采取搭建硬件电路，利用软件控制输出，模拟飞机导弹发射时序和弹型识别，通过软硬件电路采集飞机至导弹的输入信号，并判断飞机导弹控制指令的正确性，从而模拟真实导弹的识别和发射过程。
2 硬件设计
2.1 整体设计
如图1所示，整个系统为220V交流电输入，通过电源转换模块转换成12V供电脑主机使用；飞机导弹的离散量，一路通过信号调理电路从28V降到1.73V进入ADC采集模块，ADC采集模块将调理好的信号转换成数字量，通过RS485接口发送至电脑主机；另一路经过光耦转换成数字量进入FPGA， FPGA将采集的数字量通过RS232接口发送至电脑主机。电脑主机将需要发送给导弹的离散量先發送给FPGA，FPGA对其进行解析后，通过达林顿管控制继电器阵列将离散量信号输送至飞机导弹。电脑主机通过RS485接口，将飞机导弹需要的模拟量以数字信号形式发送至DAC模块，DAC模块对其转换后发送至飞机导弹。飞机导弹的电源连接115V交流电测量模块，该模块将采集的信号通过RS485接口发送至电脑主机。2.2 FPGA设计
FPGA采用INTEL公司的Cyclone III系列的EP3C5E144I7，该芯片采用65nm技术制造，具有94个I/O端口，22对差分对端口。
2.3 离散IO采集电路设计
离散IO采用双路采集模式设计（见图2），一路通过光耦加施密特触发器进行数字量采集，另一路通过降压进入ADC模块进行模拟量采集，在数字量采集为高电平的同时利用模拟量对高电平幅值进行监控，保证离散量采集的准确性。
2.4 115V交流电相序检测
115V交流电相序检测采用TC783A芯片采集。TC783A为三相相序和缺相检测电路，可用作检测三相正弦波电压的相序和缺相状态，同时有保护功能，具有单电源、功耗小、功能强、输入阻抗高、采样方便、外接元件少等优点。将其联入控制板，可对三相电压进行指示，也可在电机上使用，对电机的正反转进行控制和缺相进行保护。如图3所示，三相电压信号A、B、C经分压电阻网络分别进入电路1、2、3脚，通过对正弦波进行施密特检测，了解信号的存在并送入缺相检测电路进行检测后再输出指示，电路13脚为内部脉冲发生电路的外接电容，约为0.01uF。三相正弦输入正常时，对应A、B、C输入1、2、3脚的输出端12、11、10脚的输出为低电平；当某一相没有输入信号时，对应的输出脚上将有高电平。根据缺相检测的结果，在不缺相的情况下相序指示电路将输出相序，在三相电压信号A、B、C进入电路1、2、3脚的状态下，9脚输出高电平指示正序；而在三相电压信号A、C、B进入电路1、2、3脚的状态下，8脚输出高电平指示反序。在缺相状态下，9脚、8脚皆输出低电平。此电路另外还设计了保护电路，可对过流、过压信号进行检测和输出。5脚为采样输入端，输入信号与电路内的6V基准进行比较，并在电路6脚输出。如果采样高于6V，则输出高电平。4脚对输出方式有两种控制选择：4脚接低电平，输出为不锁定输出，即输入高输出高，输入低输出低；4脚接高电平，输出为锁定输出，此时输入高输出高，输入低输出仍高，需要4脚接地复位才能输出低。
3 控制协议制定
为实现上位机对整个系统的控制，需制定上位机与FPGA的通信协议，本系统采用RS232接口与FPGA通信，FPGA实现的功能为接受上位机发送的模拟开关控制、达林顿管控制、离散I/ O采集和DAC控制等4项指令，对指令进行解析并执行相应的控制和数据采集。协议格式如表1所示，FPGA实现该协议的状态机示意图如图4所示。
4 软件设计
在无挂弹状态下，设备连接到飞机导弹挂点，模拟近战红外导弹挂载信息，在飞机多功能显示器上显示导弹占位信息。使用交流电压采集模块对机上115V三相交流电压进行采集监控，离散量IO采集卡对+27V一次性指令信号进行采集，通过相关接口传至板卡进行信号处理，采用CVI软件编写专用测试程序，实现模拟器相关功能。自制矩阵开关板卡对不同挂点信号进行切换，以适应多挂点测试需要。软件流程图如图5所示。 软件具体逻辑如下：
1）软件控制模拟导弹挂载标志针脚接地，为飞机提供挂载标志，飞机识别出已挂导弹型别。
2）等待弹型标志为绿色空心圆，武器控制系统开始向导弹供电，便携式导弹模拟器对机上三项115V电压和相序进行检查。
3）当三相供电良好时，模拟器软件向飞机发送+27V相关指令。
4）导弹按照指示的方向搜索目标，对目标进行截获，便携式导弹模拟器接收目标指示信号（线性变化电压）。
5）当目标距离达到攻击区以后，弹型标志为截获状态，操作者扣下发射导弹按钮。导弹模拟器检测导弹输出相关指令是否正常。
6）导弹脱离，挂载标志取消接地。
7）再次进行循环检测，控制电压应消失。
按压便携式导弹模拟器电源按键，设备启动完毕后，双击电脑桌面上的导弹模拟器自动测试软件，输入用户名和密码即可进入测试系统。
选择好挂点和弹型后，点击“绿色”按钮进入测试流程，软件界面显示测试倒计时，点击“停止”按钮即可停止测试。测试完毕后，软件显示实测值，同时根据给定的标准范围给出結果判定。
5 结束语
采用便携机箱和自制板件相结合的方法，利用高性能FPGA作为处理中心，研究导弹攻击发射全流程的模拟技术，研制了一套某型导弹便携式模拟器并通过了实际验证，为导弹模拟技术研究提供了有效的参考。该项目的研究成果，改进了地面保障人员测试的工艺方法，有效减少了空中导弹发射故障，提高了部队作训时导弹的发射成功率。
参考文献
[1]张宝琴.用于导弹自动测试系统开发的通用模拟器研制[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2020.
[2]李尚生，李炜杰，付哲泉，邹翰锋.导弹模拟器研究现状与关键技术[J].兵工自动化，2017，36（6）：1-4+16.
[3]齐晓林，冀捐灶，崔功，史军勇，冯金富.某型飞机导弹模拟器的原理与实现[J].火力与指挥控制，2002（S1）：48-49+58.
[4]肖子廉，王林.基于单片机的交流电源相序检测电路[J].电子制作，2017（7）：23-24.
[5]姚伟，曹俊，张玉良.一种带正序、负序、逆序显示功能的三相相序检测电路[J].通信电源技术，2015，32（3）：64-66.
[6]程刚，谢驰，姚永和.在Lab Windows/CVI环境下开发虚拟仪器自动测试系统[J].实用测试技术，2002（3）：27-28.
[7]王媛斌，王宏斌.FPGA与PC通信的UART串口设计[J].兰州工业学院报，2020，27（5）：56-61.
作者简介
刘良勇，工程师，研究方向：飞机电子产品修理。