随着军事科技的快速发展，导弹控制系统的设计要求在不断提高，控制律和制导律设计的复杂度和难度也在增加，因此，如何能在不同研发阶段发现和验证设计中的不足至关重要。快速原型的应用不仅可以验证飞控算法的有效性和执行效率，对算法进行及时改进，而且可以指导飞控系统的硬件设计与优化[1]。在飞控系统的设计过程中，快速原型主要是在产品研发的实验阶段，将相应的控制算法加载到硬件平台，通过实际的硬件通信接口与惯性传感器、GPS接收机、舵机等实物相连[2]，通过模拟飞控计算机的实时仿真，来验证算法的正确性、可靠性。基于RT_LAB实时仿真器的快速原型已经被广泛应用于导弹控制系统的设计，该方法通过RT_LAB软件将基于Matlab/Simulink开发的数字仿真模型加载到硬件平台上运行，实现了数字仿真向实物仿真的转换[3]；dSPACE实时系统也常被用于半实物仿真系统快速原型的开发，该实时系统具有计算精度高、实时性好等优点，但是也存在着开发成本高、维护性差等缺点[4]。
本文设计了一种基于RaspberryPi的低成本快速控制原型仿真系统，将基于Matlab/Simulink设计的飞控仿真模型直接加载到硬件平台上实时运行，参与半实物仿真试验。
1 总体方案设计
本文开发的快速控制原型仿真系统是以RaspberryPi作为硬件平台，实现飞控数学模型的运行。RaspberryPi(树莓派)是一款采用ARM架构处理器和Linux操作系统的卡片式计算机，外形小巧，成本低。虽然外形只有信用卡大小，但是具有强大的系统功能和接口资源[5]，如RaspberryPi 4B拥有1.5 GHz的4核64位 ARM Cortex-A72 CPU，强大的运行能力可以匹敌一般的仿真计算机；支持千兆以太网，同时外设4路USB接口，以及多路I/O接口，丰富的接口资源极大地扩展了它的使用范围。而且树莓派可以根据不同的使用需求安装不同的支持系统，针对Matlab/Simulink仿真要求，树莓派开发了相应固件支持包，可以将Matlab/Simulink仿真模型直接下载到系统中运行。
根据飞控系统半实物仿真的一般构成和快速原型开发的一般特点，结合具体的功能需求，飞控快速控制原型仿真系统包括五个部分：电源调理模块、外部仿真参试组件、通信扩展模块、仿真计算模块和仿真总控平台。其中外部仿真参试组件为半实物仿真过程中的数据发生模块，主要包括惯导系统、GPS模拟器、舵机等[6]；为了满足多种外部参试组件的通讯要求，设计了通讯扩展模块，包括CAN总线接口、1553B接口、多路高速串行通讯接口RS422和多路I/O，同时为了实现舵机的控制和舵机反馈信号的采集，集成了ADC和DAC模块；仿真计算模块作为快速原型的核心，主要承担飞控仿真模型的运行，而且该模块自带多种通信接口，尤其是千兆以太网接口，可以实现大量数据的快速传输，完成向总控平台的数据传输；为了实现较好的人机交互，仿真总控平台运行在Windows系统中，该平台基于Matlab/Simulink设计，主要用于飞控仿真模型的建立，包括导弹运动学和动力学模型的建立，控制律和制导律的设计，同时作为总控平台，实现仿真状态的监控、仿真数据存储和数据图像化，如图1所示。
图1 飞控快速原型仿真系统总体方案框图
2 系统硬件及软件设计
2.1 基于RaspberryPi的仿真计算模块开发
仿真计算模块作为模型运行的载体，是整个快速原型的核心，本文设计了以RaspberryPi为基础的仿真计算机。Mathwork官方已经推出了树莓派的硬件支持包，无论是Matlab函数或是Simulink模块，都可以完成对RaspberryPi的开发，这与飞控算法开发软件具有高度的一致性。Simulink的树莓派支持包提供了多种硬件通讯接口模块，包括SPI、serial、I2C、TCP/IP、UDP和ThingSpeak等，这些接口函数降低了仿真试验的软件开发难度，提高了飞控系统设计的效率。
快速控制原型在该模块的基础上进行了扩展，充分利用了模块中的I/O，扩展出了RS422和SPI，用于与外界的通讯。同时通过千兆以太网口实现与上位机的通讯，不仅可以完成飞控模型的下载，而且可以实现仿真数据的传输。以Matlab/Simulink作为导弹飞行控制系统的建模工具，利用Simulink/RTW工具的代码自动生成功能将数学模型转换成相应的C代码，并加载到RaspberryPi中进行实时运行。通过高速串行接口SPI接收由通信扩展模块采集和打包的外部传感器数据。图2为仿真计算模块功能结构。
图2 仿真计算模块功能结构框图
2.2 基于ARM的通讯扩展模块设计
由于参加半实物仿真的外部组件较多，混合多种硬件接口，为了满足丰富的接口要求，本文设计了基于ARM的通讯扩展模块，完成了模块中的硬件电路设计。根据外部仿真参试组件接口的具体要求，本文扩展了CAN总线、1553B总线、SPI、RS422和I/O等接口，同时集成了ADC和DAC模块。1553B是由美国提出应用在机载设备间信息传输的总线标准，因其高可靠性、实时性和安全性等优点而广泛应用于航空电子通信网络[7]，为了方便设计和数据传输的可靠性，选取BST_1553B模块作为总线驱动器，通过SPI接口与STM32F429相连。
1) STM32F429具有丰富的I/O端口，最高输出电平和最大承受电平为3.3 V，为了满足不同电平要求，选用光耦继电器AQW214和HCPL-2630，通过输出端的参考电压Pwr_IO，将I/O的3.3V电平转变成与Pwr_IO相等的电压；同时利用HCPL-2630将外部电压转换成I/O可承受的标准3.3 V电平，具体的电路如图3所示。
图3 I/O扩展电路图
2) RS422作为一种标准通讯协议，具有抗干扰能力强、传输距离远、传输速率高等优点，已经被广泛应用于工程实践中[8]。选用的ARM处理器为STM32F429IGT6，拥有四路USRAT和四路UART，可以扩展出多路RS422总线。选用芯片MAX490ESA作为电平转换器，实现ARM输出的TTL电平转化为RS422接口标准电平，外围添加电阻和电容，减少电信号的干扰，具体电路如图4所示。
图4 RS422串口通讯电路图
3) CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，采用双线串行方式，检错能力强，可在高噪声、复杂电磁环境中工作，已经被广泛应用于航空航天领域[9]。STM32芯片中嵌入有bxCAN控制器(Basic Extended CAN)，并且支持最高1Mbit/s的通讯速率，可以自动地接收和发送报文，支持使用标准ID和扩展ID的报文。选用芯片PCA82C250作为CAN收发器，由于STM32F429的内核电压为3.3 V，收发器的工作电压为5 V，为了实现两种不同电平之间的信号传递及抑制CAN总线的共模电压引起的串扰[10]，选用光耦6N137来隔离STM32F429和PCA82C250之间收发引脚的连接。同时为了滤除总线上的高频干扰和电磁辐射，在CANH和CANL之间连接一定大小的电容和电阻。斜率电阻Rs端外接一个可变电阻，通过调节其阻值大小可以选择PCA82C25的三种工作模式：高速工作模式、斜率控制工作模式、待机模式，具体电路如图5所示。
图5 CAN总线通信电路图
4) 模拟信号的采集与输出是快速仿真原型的必备功能。选用TI公司的DAC8563作为数模转换芯片，该芯片为16位低功耗电压输出双通道数模转换器，支持50 MHz的SPI标准接口[11]，可实现与主控处理器STM32F429之间的快速数据传输。为了满足电压输出范围要求(-10 V～+10 V)，基于OPA2171AID设计了运算放大电路，以DAC8563输出的2.5 V电压作为参考电压VREF，外接±15 V的常值电平，所设计的运算放大器的输出公式为VOUT=4.7*(VIN-VREF)，具体电路如图6所示。ADC模块选用AD7606芯片，此芯片具有16位8通道同步采样能力，可处理不同量程的双极性输入信号(-10 V～+10 V，-5 V～+5 V)，采样速率可达200kSPS。为提高总线的负载能力，外接双向三态数据缓存器74LS245。
图6 D/A转换电路图
2.3 系统软件设计
在导弹飞行控制系统的设计过程中，Matlab/Simulink因为其编程简单且图形化功能强大，已经成为最常用和最重要的工具之一，并且可安装丰富的硬件工具包，Matlab2016及其更高版本可以支持RaspberryPi的开发。系统的软件开发主要包括上位机即仿真总控平台的设计、飞控仿真模型中硬件通讯模块设计和通信扩展模块STM32F429的开发。仿真总控平台的功能主要是监控模型运行状态、数据存储和数据图形化，根据仿真需求，设计了如图7所示的快速原型控制平台。
图7 快速原型控制平台界面
所设计的快速原型以RaspberryPi作为模型运算核心，通过通信扩展模块完成与外部设备的通讯，通信扩展模块作为数据处理中心，将采集到的数据整合打包成具有指定协议的帧数据，通过SPI将数据传输到RaspberryPi中供仿真模型使用。RaspberryPi作为主设备模式，在每一个仿真周期发送时钟信号到STM32F429(从设备)中，并从中读取已处理完成后的帧数据，设置SPI Master Transfer模块的SPI时钟模式为model1，如图8所示。仿真数据与上位机的通讯通过网线连接，根据通讯网址要求，设置UDP Send模块的IP地址；为了方便单独查看或输出某些数据，利用RaspberryPi外围扩展的RS422通信接口，根据串口通信要求，设置Serial Write模块的波特率、校验位、数据位和停止位。通信扩展模块作为从设备通过SPI与Raspberry连接，为减小CPU的负荷，采用DMA(Direct Memory Access)传输方式，根据外围扩展芯片的要求，参考STM32F429技术手册可以完成其他通信的软件设计。
图8 SPI时钟模式示意图
3 仿真试验及结果分析
针对某一飞行控制系统的仿真，在核心控制模型的基础上添加RaspberryPi的通讯接口模块，如图9所示，图9中的RS422高度输出模块为RaspberryPi的串口输出模块，用于测试外扩RS422接口的可靠性，图9中的UDP Send模块主要功能为向上位机传输大量的仿真数据结果，用于存储和显示。图9中的sfun_RaspberUartPack是使用S-Function编写的用于数据打包的程序，通过添加帧头、校验和等构成上下位机约定的数据帧格式。利用转台、舵机负载模拟器、惯性组件和卫星模拟器等完成半实物仿真系统的搭建。
图9 Matlab/Simulink仿真测试模块示意图
在控制模型建立成功和硬件系统搭建完成之后，用户可以通过操作上位机进行仿真参数的设置和数学模型的下载，整个操作流程如下：
a) 打开模型：选择一个基于Matlab/Simulink建立的飞行控制系统仿真模型。
b) 硬件下载配置和通讯模块参数设置：在Simulink模型的Configuration Parameters中设置目标参数，包括硬件类型、目标IP、用户名和密码等；在选择的数学模型的基础上添加RaspberryPi通讯模块并设置通讯参数，包括SPI时钟模式、串口参数和UDP网址等。
c) 系统上电和通信检测：快速原型需要28 V 5 A的电源，在上电之后，等待20 s左右，点击上位机界面的“连接”，如若连接成功，会显示快速原型的IP地址。
d) 模型下载：设置相关仿真参数之后，点击模型编译，会生成可在快速原型上执行的C代码，并自动完成模型下载。快速原型可下载多个不同的仿真模型，不同模型之间通过模型名称进行区别。
e) 启动模型：以名称作为模型标签，一次启动一个或多个模型，启动之后模型按照预先设置的仿真要求进行仿真。
f) 暂停运行：暂停模型运行，使系统处于等待状态。
g) 重启：重新启动硬件，需要重新与上位机建立连接。
以某弹道模型进行仿真测试，设定发射角度为45°，根据操作流程完成模型下载和运行，高度信息通过RS422串口传送到上位机上，俯仰角和偏航角等数据通过网线传输到上位机，得到图10～图12所示的仿真结果。根据仿真结果可知，快速原型仿真与数字仿真的总体趋势一致，只是存在噪声干扰和部分波动，这符合硬件仿真结果，表明快速原型可以稳定可靠地完成模型仿真和算法验证。
图10 高度仿真结果曲线
图11 俯仰角仿真结果曲线
图12 偏航角仿真结果曲线
4 结论
快速原型作为控制算法设计的辅助仿真系统，可以根据仿真结果，不断调整仿真参数，逐步完成对控制系统的优化，也可为飞控硬件系统的设计提供参考。基于RaspberryPi设计了一种新的快速原型仿真系统，扩展出丰富的硬件接口，完成了快速仿真系统软件控制平台的设计，根据仿真实验可知，该系统能可靠地完成多类飞控算法的仿真任务，对其他快速原型的设计具有参考作用。
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