0 引言
精確制導空地導彈的研製對於提升我國常規武器的空中打擊能力起著尤為重要的作用。綜合控制計算機用於新一代空地型武器，是其控制導航系統一體化彈載電子設備的重要部件之一，其處理的數據量大，控制接口複雜，實時性強，對計算機的設計要求較高。本文提出了一種新型彈載綜合控制計算機，採用綜合化、一體化設計，將傳統的多模塊分艙段計算機進行集成綜合，並配以國產自主產權的天脈2實時分區操作系統[1]，提升了計算機性能，最後設計出了一套新一代彈載綜合控制計算機的軟硬件平臺解決方案。
綜合控制計算機主要功能是根據裝訂的飛行航路點及目標點的三維座標，綜合運用彈上的各傳感器信息，按時序發出控制指令，進行制導控制規律解算，控制航空武器飛行。綜合控制計算機主要由中央處理模塊（CPM）、二次電源模塊（PSM）、無線電測高模塊、舵機伺服控制模塊等組成，在軟件方面綜合控制計算機採用天脈2實時分區操作系統，綜合控制計算機結構框圖如圖1所示。
2 硬件設計
CPM模塊為綜合控制計算機的核心部件，CPM模塊又由CPU子卡模塊和IOC模塊組成。
CPU模塊採用MPC8270處理器[2]。該處理器是Freescale公司PowerUICC II系列的一款高性能低功耗處理器，具有雙內核：一個嵌入式PowerPC603e內核和一個通信處理模塊，具有雙地址總線，最高工作主頻為450 MHz。CPU模塊的結構如圖2所示。
IOC模塊通過PCI總線接受CPU的通信控制，該模塊採用模擬/數字混合一體化電路設計，主要使用FPGA設計實現，主要包括GJB289A總線[3]功能電路、RS422/RS485電路、脈衝、頻率信號處理電路、離散量輸入/輸出電路、模擬量輸入/輸出電路等，這些接口被用來與導彈上的遙測、引信、火控、舵機、發動機和衛星定位接收機等部件實現通信控制，實現對整個導彈的集中控制和算法解算。
3 軟件設計
綜合控制計算機軟件由應用軟件、系統軟件和開發環境3部分組成。其中，系統軟件主要包括操作系統軟件、驅動軟件和BIT軟件[4]3部分。操作系統採用具有分區功能的天脈2國產操作系統； BIT(Built-In Test)軟件完成系統對硬件資源的檢測，實現對硬件資源實時監控。驅動程序完成對底層硬件設備的初始化，並提供應用軟件實現對控制計算機硬件的操作和控制。圖3為控制計算機軟件組成結構圖。
4 綜合控制計算機的特點
在某彈載綜合控制計算機的設計中，有以下的設計特點：
(1)採取綜合化、一體化設計；
(2)採用國產自主分區實時操作系統；
(3)是相對傳統彈載計算機的全面提升。
4.1 綜合化、一體化設計
綜合控制計算機將整彈應用的數據處理、任務調度、算法解算與控制（高度、導航、姿態）、舵機伺服控制等功能集於一體，整機包括5個功能模塊，其不同應用任務的軟件實現又可依賴於天脈2操作系統的分區功能。相比傳統的彈載計算機多艙段多計算機的模式，該硬件平臺與系統軟件的統一設計實現了彈載計算機的綜合化與一體化，為某型空地彈提供了統一的計算控制平臺。同時設計控制計算機時，採取模數一體化設計，將傳統控制計算機設計時的CPU、AIO（模擬輸出/輸出）和DIO（數字輸出/輸出）模塊集成為CPM模塊，進一步提升了系統的集成度。圖4為綜合控制計算機一體化的示意圖。
4.2 分區實時操作系統
綜合控制計算機設計中採用了國產自主產權的天脈2嵌入式實時操作系統（AcoreOS653），天脈２是基於ARINC653標準研發的支持多應用任務子系統的分區操作系統，其採用層次化軟件結構，將軟件分為模塊支持層、操作系統層和應用層３層。其中，操作系統層包括核心操作系統、分區操作系統及可配置組件。該操作系統採用了分區技術、健康監控技術和基於端口的通信技術，可以有效地實現對故障的隔離，並且保證不同應用任務的相對獨立。
在設計中，綜合控制計算機為該型空地彈提供了統一的計算平臺，而天脈2操作系統的使用又使應用任務相互獨立，在使用中使同一計算平臺變得透明。控制計算機的應用軟件創建有4個分區：
(1)功能子系統1：飛行控制軟件；
(2)功能子系統2：組合導航解算軟件；
(3)功能子系統3：氣壓高度表解算軟件；
(4)功能子系統4：無線電測高解軟件。
各應用功能分區在空間和時間上相互獨立，在邏輯層面上實現了“多臺”控制計算機，一旦一個功能子系統發生故障，不會影響到其他功能子系統和操作系統的空間，滿足了系統對故障隔離的要求。操作系統採用了以中斷/異常管理和健康監控管理為核心的容錯設計技術[5]，健康監控按照故障級別對故障進行記錄、隔離和處理，防止故障蔓延，確保系統的安全運行。操作系統在系統運行全過程中對可能發生的故障都進行了處理。圖5為故障處理示意圖。
4.3 彈載計算機提升對比
相對於傳統的多艙段分離式彈載計算機，綜合控制計算機不僅實現了綜合化、一體化和使用國產天脈2分區實時操作系統，而且在功耗、體積等方面也有顯著降低，如表1所示，這對於實現小型化和解決散熱問題格外重要。
在採用控制計算機相同的處理器平臺MPC8270處理器的情況下，本文采用控制導引中常用的卡爾曼濾波算法(Kalman Filtering)[6]測試程序和基於小波變化的目標檢測算法(Wavelet Transform)測試程序作為基準測試程序，將AcoreOS653操作系統與國外的VxWorks653系統進行了性能測試對比，對比情況如圖6所示，可見使用AcoreOS653的綜合控制計算機性能略優。
5 結束語
在國防領域，隨著各類機載精確制導武器的不斷髮展，系統單位不僅要求彈載計算機具有更高的性能，而且在綜合度、集成度及實時性等方面提出了越來越高的要求。因此需要更多地採用綜合化設計、軟硬件一體化的設計思路，更好地實現“小低輕”。本設計基於天脈2嵌入式實時分區操作系統，採用了綜合化、一體化的設計思路，減小了彈載計算機的體積與重量，在系統應用中取得了很好的效果。本文對包括機/彈載計算機在內的多領域嵌入式計算機的綜合化、一體化設計都具有一定的參考價值。
參考文獻
[1] 譚龍華，杜承烈，雷鑫.ARINC653分區實時系統的可調度分析[J].航空學報，2015，36（11）：3698-3705.
[2] 姜琳琳，施辰光.MPC8270最小系統的設計與實現[J].航空計算技術，2013，43（6）：125-128.
[3] 田澤，王菁，學鋒.高速GJB289A總線技術綜述[J].電子技術應用，2016，42（7）：151-153，163.
[4] 田心宇，張小林，吳海濤，等.機載計算機BIT設計技術及策略[J].計算機測量與控制，2011，19（9）：2064-2066.
[5] 仝敏，衛一芃，張燈.嵌入式分區操作系統可靠性技術的研究與應用[J].航空計算技術，2015，45（2）：105-106.
[6] 餘樂，鄭力新.基於卡爾曼濾波的動態目標跟蹤[J].微型機與應用，2016，35（16）：44-45，52.
作者信息:
劉 碩1，呂 浩1，2，高 浩1
(1.中國航空工業集團公司西安航空計算技術研究所，陝西 西安710065；
2.西北工業大學 計算機學院，陝西 西安710072)
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