Nghiên cứu làm chủ khối bm1 – máy tính điều khiển máy кб163п của hệ thống điều khiển phóng tên lửa 3M-24Э

Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 171 NGHIÊN CỨU LÀM CHỦ KHỐI BM1 – MÁY TÍNH ĐIỀU KHIỂN MÁY КБ163П CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÓNG TÊN LỬA 3M-24Э Phạm Xuân Công1*, Phạm Văn Hậu1, Dương Mạnh Cường1, Đinh Văn Ngọc1, Nguyễn Văn Bình2, Thân Văn Doanh3 Tóm tắt: Khối BM1 là khối máy tính điều khiển máy КБ163П trong hệ thống điều khiển phóng tên lửa 3M-24Э trên tàu (КАСУ). Bài báo này trình bày các nghiên cứu làm chủ về mặt phần cứng và phần mềm của khối máy tính chuyên dụng BM1 đó. Từ khóa: Tên lửa 3M-24Э, Hệ thống điều khiển phóng tên lửa KACY, BM1. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hệ thống điều khiển phóng tên lửa 3M-24Э trên tàu (КАСУ) bao gồm máy trung tâm КУ163Ц trên khoang điều khiển và các máy КБ163П giao tiếp trực tiếp với các quả đạn trong ống phóng. Máy КБ163П chứa các khối chức năng, trong đó, BM1 là khối máy tính điều khiển. Việc nghiên cứu làm chủ khối BM1 nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả công tác đảm bảo kỹ thuật cho tổ hợp tên lửa URAN-E trên tàu hải quân lớp 12418. Nghiên cứu làm chủ khối BM1 cần thực hiện các công việc: nghiên cứu nguyên lý hoạt động của các card chức năng; vẽ lại sơ đồ nguyên lý và tìm hiểu card МЦО; dựng sơ đồ cáp nối của khối BM1; tìm hiểu khả năng sửa chữa khối BM1; sao lưu thẻ nhớ chứa chương trình điều khiển, nghiên cứu cấu trúc lưu trữ file, cấu trúc chương trình trong khối BM1. 2. CẤU TẠO, CHỨC NĂNG KHỐI BM1 Hình 1. Khối BM1 khi mở nắp. 2.1. Chức năng Khối BM1 thực hiện chức năng kết nối với máy điều khiển trung tâm КУ163Ц theo đường truyền mạng Ethernet nội bộ và các đường truyền đa truy nhập nối tiếp cơ bản và dự phòng (theo chuẩn MIL-STD-1553B). Khối BM1 nhận lệnh từ máy trung tâm để điều khiển hoạt động của 4 quả đạn tên lửa thông qua đường truyền lệnh rơ le và đường truyền số, đồng thời truyền về máy trung tâm tình trạng hoạt động của các tên lửa trong ống phóng. 2.2. Cấu tạo của BM1 Thông tin khoa học công nghệ P.X.Công, P.V.Hậu, D.M.Cường, , “Nghiên cứu làm chủ khối BM1 tên lửa 3M-24Э.” 172 - 01 ISA card cage phân phối nguồn nuôi và bus dữ liệu cho toàn bộ các card chức năng của BM1. - 01 bộ vi xử lý trung tâm CPU686E, chạy hệ điều hành QNX. - 01 card KB686E-3: card mở rộng giao tiếp cho CPU686E. - 01 thẻ nhớ Flash Disk 128MB: lưu trữ chương trình điều khiển. - 02 card DI-32 Isolated Digital Input : nhận thông tin số 32bit. - 01 card DO-32 Isolated Digital Output : Điều khiển số 32bit. - 01 card TX1-MP: trao đổi thông tin theo kênh đa truy nhập nối tiếp. - 01 card МЦО : trao đổi thông tin số nối tiếp với tên lửa. - 01 card CTC5300 : đồng bộ thời gian thực. - 01 card nguồn МПР3-512ДМ: biến đổi nguồn DC-DC từ 27V xuống ±12V và 5V nuôi máy BM1. Hình 2. Sơ đồ cấu trúc của khối BM1. 2.3. Cáp nối và giao tiếp ngoại vi của BM1 Trên khối BM1 có 7 cổng cắm kết nối ra ngoài với các thành phần khác trong máy КБ163П cũng như tổ hợp КАСУ, bao gồm từ X1 đến X7: - X1 ở phía sau kết nối BM1 vào trong máy КБ163П là cổng cấp nguồn và một số trạng thái tín hiệu đầu vào, tín hiệu điều khiển đầu ra giữa máy КБ163П với các thành phần còn lại của tổ hợp КАСУ. - X2 phía mặt máy là jack kết nối BM1 với các đường truyền nội bộ của КАСУ: đường truyền Ethernet và đường truyền đa truy nhập nối tiếp. - X3-X6 phía mặt máy tương ứng kết nối các lệnh rơ le và thu thập thông tin trạng thái đến 4 quả tên lửa và ống phóng mà BM1 được phân công điều khiển. - X7 là cổng kéo dài của cổng COM1 tích hợp trên CPU686E, kết nối BM1 với máy tính của nhà sản xuất để cấu hình và cài đặt chương trình. 3. KHAI THÁC LÀM CHỦ KHỐI BM1 3.1. Về mặt phần cứng Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các card, xây dựng sơ đồ đấu nối cáp trong khối Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 173 Như đã trình bày ở trên, khối BM1 chứa các card chức năng cắm trên một ISA card cage như CPU686E, DI32-5, DO32-5, TX1, MЦO, 5300. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành khảo sát và tìm hiểu nguyên lý hoạt động của các card này, trong đó hầu hết đều là các module thương mại có sẵn trên thị trường. Card CPU686E là card máy tính xử lý trung tâm, chứa thẻ nhớ chương trình điều khiển, chịu trách nhiệm điều hành toàn bộ hoạt động của máy, cũng như giao tiếp với máy КУ163Ц và các tên lửa. Card DI32-5 và DO32-5 được dùng để truyền nhận dữ liệu vào/ra số. Card TX1-MP được dùng để giao tiếp với máy КУ163Ц và các thành phần khác của КАСУ qua kênh đa truy nhập nối tiếp, card này chỉ thực sự hoạt động truyền dữ liệu khi đường truyền khác gặp sự cố. Card CTC5300 dùng để đồng bộ hoá thời gian thực các thành phần trong khối, đồng thời còn có một chức năng tạo địa chỉ vật lý ảo cho khối trong КАСУ. Đặc biệt, chỉ có module MЦO là card giao tiếp trực tiếp với tên lửa 3M-24Э do nhà sản xuất chế tạo, giữ bản quyền và không công bố bất cứ thông tin nào. Nhóm nghiên cứu đã khảo sát và xây dựng bộ mô tả nguyên lý hoạt động, cấu hình địa chỉ, cấu hình ngắt điều khiển của các card chức năng này. Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng xây dựng thành công bảng sơ đồ đấu nối cáp chi tiết của các card chức năng trong khối BM1 cũng như sơ đồ jắc cắm giao tiếp ra bên ngoài của khối. Nghiên cứu, chế tạo module chuyên dụng MЦO Card МЦО bảo đảm việc trao đổi thông tin số giữa BM1 và 4 quả đạn tên lửa theo đường truyền nối tiếp, dùng mã 2 cực, 3 bậc theo chuẩn ARINC429 (Nga: ГОСТ 18977- 79). Chương trình điều khiển thực hiện việc trao đổi và truyền thông tin với máy tính trên khoang của tên lửa thông qua giao diện LPT (trên card mở rộng KB686E-3 của CPU686E). Việc nghiên cứu, khảo sát card MЦO được tiến hành tỉ mỉ, chính xác sử dụng các công cụ thu thập dữ liệu, phân tích logic, dịch ngược phần mềm điều khiển, để phục dựng lại sơ đồ nguyên lý của card nguyên mẫu, trên cơ sở đó tiến hành xây dựng sơ đồ nguyên lý mới và chế tạo thành công card MЦO. Hình 3. Hình ảnh card MЦO-VN chế tạo mới. Nghiên cứu, thu thập dữ liệu qua card TX1-MP Card TX1-MP đảm bảo việc kết nối giữa BM1 với máy điều khiển trung tâm và các thành phần còn lại trong КАСУ theo kênh đa truy nhập nối tiếp chuẩn MILSTD 1553B với hai kênh truyền: kênh cơ bản và kênh dự phòng. Nhóm nghiên cứu đã phân tích làm chủ driver điều khiển của TX1-MP, viết phần mềm để có thể thu thập các gói tin truyền trên card này. Việc thu thập gói tin của TX1 giúp hiểu Thông tin khoa học công nghệ P.X.Công, P.V.Hậu, D.M.Cường, , “Nghiên cứu làm chủ khối BM1 tên lửa 3M-24Э.” 174 rõ hơn hoạt động trao đổi thông tin giữa các thành phần trong КАСУ, từng bước làm chủ toàn bộ hệ thống này. Nghiên cứu, chế tạo module nguồn Qua thực tế hoạt động của các khối BM1 trên tàu hải quân, TX1-MP và card nguồn là các thành phần dễ gặp sự cố nhất. Nhóm nghiên cứu đã khảo sát, đề xuất phương án chế tạo và sản xuất thành công card nguồn mới sử dụng các linh kiện mới, chất lượng tốt hơn đảm bảo hoạt động với cường độ cao và thực hiện nhiệm vụ đặc biệt quan trọng của BM1. 3.2. Về mặt phần mềm Phân tích thẻ nhớ chứa chương trình điều khiển Thẻ nhớ của khối BM1 trên máy КБ163П chứa chương trình điều khiển chạy hệ điều hành QNX4.25. Nhóm nghiên cứu đã tiến hành sử dụng các công cụ đặc thù để sao lưu và đọc thẻ nhớ chương trình của khối. Bảng 1. Mô tả chức năng một số thư mục và tệp chính trên thẻ nhớ BM1. Tên thư mục, tệp Mô tả /bin Chứa các trình khả thi của hệ thống, thư viện của TX1 /boot Chứa các tệp phục vụ quá trình khởi động /etc Chứa các tệp cấu hình hệ thống, cấu hình khởi động, cấu hình mạng /home Chứa các tệp của người dùng, chương trình điều khiển /qnx4 Chứa các tệp của QNX4 /usr Chứa các thư viện người dùng, các tệp hỗ trợ .boot Tệp ảnh khởi động Khi khởi động, QNX loader sẽ tải ảnh của hệ điều hành từ tệp .boot để tải ảnh của hệ điều hành, sau đó nhường quyền điều khiển cho hệ điều hành. Hệ điều hành tiếp tục xem xét bên trong tệp sysinit trong thư mục /etc/config để tải các driver và chạy các chương trình hệ thống và các ứng dụng chạy tự động. Chương trình điều khiển khối BM1 nằm trong thư mục /home/granit. Thư mục này có khoảng hơn 70 tệp, là các tệp kịch bản (script) và các tệp chương trình phục vụ các chế độ khác nhau của КАСУ. Các khối BM1 có thể dùng chung giữa các máy КБ163П, do đó, mỗi khi bộ đội tháo lắp khối BM1, BM1 có khả năng tự động nhận biết nó đang ở máy КБ163П nào và tự động cấu hình lại phần mềm để có thể hoạt động đúng vị trí và đúng các quả tên lửa. Thu gói tin truyền giữa BM1 và máy tính trung tâm Hệ thống КАСУ bao gồm 6 máy giao tiếp với nhau qua hai chuẩn kết nối là Ethernet và chuẩn đa truy cập nối tiếp MIL-STD-1553b. Cả 6 máy trên hệ thống đều cài hệ điều hành QNX 4.25, sử dụng chuẩn giao tiếp FLEET. FLEET là một giao thức liên lạc giữa các tiến trình trên mạng độc quyền của QNX. Các máy tính cài hệ điều hành khác sẽ không thể tham gia vào giao thức này. Gói tin theo giao thức FLEET vẫn dựa trên giao thức TCP/IP, với 2 bytes mã nhận dạng là 0x80 và 0x23. Các máy trên hệ thống КАСУ tham gia vào mạng FLEET dưới dạng các NODE. Để thu được các gói tin FLEET, nhóm nghiên cứu phải sử dụng công cụ hỗ trợ cả về phần cứng và phần mềm. Việc thu thập và phân tích gói tin FLEET cũng góp phần làm rõ hoạt động của КАСУ, từ đó từng bước làm chủ khối BM1 và toàn bộ КАСУ. Dịch ngược phần mềm điều khiển Thông tin khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 40, 12 - 2015 175 Chương trình điều khiển khối BM1 nằm trong thư mục /home/granit. Để có thể làm chủ hoàn toàn khối này, nhóm nghiên cứu phải phân tích và dịch ngược các phần mềm điều khiển của khối. Việc phân tích, dịch ngược mã chương trình điều khiển là một việc làm hết sức khó khăn, đòi hỏi trình độ kĩ thuật cao và tích luỹ kinh nghiệm tốt. Để dịch ngược một chương trình, nhóm nghiên cứu đã tiến hành chạy từng dòng lệnh mã máy, sau đó xây dựng lại mã hợp ngữ của chương trình. Từ mã hợp ngữ, nhóm nghiên cứu tiếp tục phân tách và xây dựng các hàm, dựng lại sơ đồ khối, sơ đồ thuật toán của từng hàm. Tiếp theo, từ sơ đồ khối, nhóm xây dựng lại chương trình bằng ngôn ngữ lập trình bậc cao. Cuối cùng, biên dịch chương trình và so sánh kết quả chạy để kiểm chứng. Quá trình này phải tiến hành rất nhiều lần để khẳng định kết quả hoạt động của chương trình dịch ngược so với chương trình gốc phải hoàn toàn giống nhau. Hình 4. Chạy từng dòng lệnh assembly để nghiên cứu đảo mã chương trình. Hình 5. Phân tích, khôi phục sơ đồ khối và chương trình C từ mã hợp ngữ. 3.3. Xây dựng thiết kế tổng thể khối BM1 Nghiên cứu khảo sát hỏng hóc và đưa ra các phương án sửa chữa Từ các kết quả nghiên cứu, nhóm nghiên cứu đã xây dựng được các bước phân tích khả năng hỏng hóc và đưa ra phương án khắc phục, sửa chữa (nếu có) đối với khối BM1. Thiết kế, sản xuất khối BM1 mới Từ các kết quả nghiên cứu phần cứng và thống phần mềm điều khiển, nhóm nghiên cứu đã xây dựng thành công thiết kế tổng thể khối BM1, bao gồm: thiết kế cơ khí – điện, thiết kế sơ đồ nguyên lý của các module phần cứng, xây dựng lại bộ phần mềm điều khiển. Các thiết kế này đã được sử dụng để sản xuất một số khối BM1 mới. Thông tin khoa học công nghệ P.X.Công, P.V.Hậu, D.M.Cường, , “Nghiên cứu làm chủ khối BM1 tên lửa 3M-24Э.” 176 4. KẾT LUẬN Trong khuôn khổ bài báo này, nhóm nghiên cứu trình bày vắn tắt một số kết quả nghiên cứu làm chủ khối tính toán BM1 của hệ thống điều khiển phóng tên lửa КАСУ 3Р-60УЭ- 1241.8. Từ các nghiên cứu được tiến hành tỉ mỉ, chính xác cả về phần cứng và phần mềm, nhóm nghiên cứu đã xây dựng thành công bộ tài liệu thiết kế khối BM1 mới. Bắt đầu từ cuối năm 2014, Viện Công nghệ thông tin/Viện KH-CNQS đã tiến hành chế tạo thành công khối BM1 mới, qua thử nghiệm hoạt động tốt tại phòng thí nghiệm và được sự cho phép của QCHQ, khối BM1 đã triển khai thử nghiệm thực tế trên hệ thống chiến đấu tại Vùng 4 Hải quân từ tháng 6/2015. Từ những thành công ban đầu, nhóm nghiên cứu tiếp tục nghiên cứu làm chủ chế tạo máy КБ163П và tiến tới làm chủ toàn bộ hệ thống КАСУ 3Р-60УЭ-1241.8. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. “Thuyết minh kỹ thuật tên lửa 3М-24Э”, tập 1 và tập 2. [2]. “Bộ thuyết minh kỹ thuật tổ hợp tên lửa URAN-E trên tàu lớp 12418”. [3]. Phạm Hồng Long và các cộng sự. “Nghiên cứu thiết kế chế tạo một số thiết bị chuyên dụng phục vụ bảo đảm tổ hợp tên lửa URAN-E”, Báo cáo tổng kết đề tài nền cấp Viện KH-CNQS (4-2014). ABSTRACT RESEARCHING AND MANUFACTURING CARD MЦO IN MODULE BM1 IN 3M- 24Э MISSILE LUNCHER SYSTEM USING DESIGN REVERSE TECHNOLOGY. BM1 is a controling module in КБ163П, which is a part of on ship 3M-24Э missile luncher system (КАСУ). Module BM1 consists of many functional cards as CPU686E, MЦO, DI32, DO32, TX1.. Specially, the MЦO card is an blackbox card without any datasheets, designing and operating informations. This article decribles some researching and manufacturing the MЦO card by Design Reverse Technology. Keywords: 3M-24Э missille, КАСУ, BM1. Nhận bài ngày 03 tháng 8 năm 2015 Hoàn thiện ngày 13 tháng 10 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 12 năm 2015 Địa chỉ: 1 Viện Công nghệ thông tin, Viện KH&CNQS. 2 Phòng Kỹ thuật/Lữ đoàn 162/Bộ tư lệnh Vùng IV Hải quân 3 Phòng Kỹ thuật/Bộ tư lệnh Vùng 4 Hải quân * Email: congpx@gmail.com