弹载记录器实时监测模式的设计和实现

1 引言
    导弹测试是导弹研制的重要环节，能够全面检测弹上部件和导弹整体的电气性能及参数性能，判定导弹性能质量是否合格。因此提供真实可靠的导弹测试及试验参数已成为研制新型导弹的迫切需求。
    导弹发射前的模拟飞行试验是导弹测试的必要环节。试验过程中的暂态数据具有大量有用信息，可为故障诊断、失效分析等提供理论依据；连续的大容量数据对系统预测、参数估计辨别具有重要意义。与传统弹载记录器相比，实时监测模式记录器能够在地面全方位采集弹上暂态和连续数据，并进行存储，从而大大提高设备测试效率，缩短研制周期。

2 导弹测量参数采集存储系统
    图1给出导弹测量参数采集存储系统原理框图，它主要由测试平台、记录器和用户终端软件3部分构成。其中测试平台完成弹上信号源模拟、发送测试命令、接收记录器实时监测数据和读取固态存储器数据等，该测试平台通过USB接口实现用户终端通信；记录器将采集调理电路处理的弹上数据传输至FPGA中心逻辑控制单元进行解码、编码和缓冲处理，并按照不同格式和采样率分别存入RAM和固态Flash存储器中，最后将RAM中的监测数据实时串行传输到测试平台。用户终端通过USB接口远程实时读取监测数据，并存储到指定磁盘，通过软件实时解包，显示相关参数。采集结束后，深入分析Flash存储器数据。为了更直观监测弹上记录器工作状态，地面测试平台设有等待记录、实时监测、正在记录等工作状态指示灯。

    从图l看出，记录器实时监测模块将整个系统构成一个完整的闭环实时监测系统。它能够实现闭环考核，双重检测弹上数据，这样有助于整个测量系统的故障实时定位、诊断和排除。

3 实时监测系统设计
    记录器中心控制器采用Spanan—II系列的FPGA，该系列FPGA具有大量接口和较强的负载能力，并且编程方式灵活，集成度高，能够提高信号的完整性和抗干扰能力。利用FPGA内部的UART IP核和外围硬件接口电路能够实现集成度较高的实时监测模块。
3．1 硬件电路设计
    该系统采用标准的RS一422接口差分传输地面测试平台与弹载记录器之间的监测命令和数据，从而增大传输距离和增强抗干扰能力。实时监测外围接口电路如图2所示，JCRXD、JCTXD分别为记录器经RS一422接口接收的测试启动监测命令和发送的监测数据；测试平台接收数据后，通过缓冲，将接口转换为串行数据通过USB接口传输至测试终端；CON为测试平台和记录器间的握手信号，为同定频率脉冲信号，实现这两者的同步，记录器只有接收到CON信号后才开始等待测试平台的启动监测命令：Sl、S2、S3为记录器发送的状态指示信号，测试平台接收到信号后直接与面板指示灯相连，以避免传输指示信号时受到干扰，导致出现误指示。

    监控命令和握手信号接口使用HCPL一2631光耦隔离，能够准确接收和发送差分信号，抑制干扰噪声通过光耦前后级互相影响，避免产生共阻抗耦合干扰信号；而且光耦具有良好的安全保障作用。信号进入光电耦合器前，对其整形滤波和阻抗匹配，以消除线路终端反射和高频干扰信号。此外，在光耦输入端加5 V稳压二极管实现过压保护，光耦的输出端接带有施密特触发器的非门74HCl4可滤除毛刺。
3．2 系统软件设计
    系统软件设计时，测试平台和记录器遵循相关协议进行实时监测。为保证实时监测操作的可靠性，重复发送监测发送命令。实时监测要求数据缓存容量，采用SOC和IP核技术，将UART、FIFO等分立元件集成到FPGA内部即可实现。FPGA内部FIFO的实时监测模块如图3所示，整个UART设计由时钟控制和采集数据输入模块gclock，异步串行数据发送模块txm、内部存储模块ram及逻辑控制模块fifocon构成。
    图3中gclk为全局主时钟，rst为全局复位信号。empty和half为RAM存空间状态标志。为了抑制外部干扰引起的误触发，关键信号采用消抖技术。程序设计流程如图4所示。实时读信号txrd和写信号fifo_wr，通过判别RAM存储空间状态标志empty和half，采用可调频率实现采集数据的读写。txm模块将数据并串转换，按照设计要求发送波特率，并以固定帧格式编码发送至RS一422接口。

4 仿真及测试结果
    图5给出实时监测数据软件仿真结果。将Ox00~0xFF的十六进制递增数字量数据sh_datain[7：0]和数据标志0xAA，按照360 kHz的fifo_wr写信号写入内部RAM，512 kHz的txrd读信号从RAM中抽样读入txm模块，再按照异步串行格式发送。实时监测采集精度在一定范围内则是通过改变程序代码来实现的。
    图6给出模拟量实时监测实测数据，通过终端软件读取并显示实时监测模拟量和数字量数据。模拟量根据不同参数分类显示，可直观监测采集信号工作状态。图7给出数字量实时监测界面显示，经记录器实时完全采样，加标志0xAA实时显示结果，图7中左侧为软件对数字量的统计。

5 结语
    详细给出导弹测量参数采集存储系统设计，从实时监测模式出发，阐述了实时监测软硬件设计方案。通过软件仿真和实际测试全面验证了实时监测模块的功能，并证实该实时监测模式可为系统测量提供有效的实时实验数据。目前该设计方案已成功应用于某型号导弹研制和测试。