某型導(dǎo)彈檢測儀快速檢校研究

李正優(yōu)，高玉水，許 忠，陳 偉

(1.裝甲兵工程學(xué)院兵器工程系，北京100072;2.山西惠豐機(jī)電有限公司，山西長治046000)

某型導(dǎo)彈射程遠(yuǎn)、命中精度高、破甲威力大，對提高我軍裝甲機(jī)械化部隊的遠(yuǎn)距離精確作戰(zhàn)能力具有重要意義。隨該導(dǎo)彈配備的檢測儀是檢測導(dǎo)彈電氣性能是否符合發(fā)射要求的裝備，其測量的準(zhǔn)確性、可靠性對導(dǎo)彈的測試結(jié)果至關(guān)重要。隨著檢測儀的使用、貯存以及運(yùn)輸?shù)拳h(huán)境的變化，導(dǎo)彈檢測儀的技術(shù)狀態(tài)會發(fā)生相應(yīng)改變。因此，對導(dǎo)彈檢測儀進(jìn)行快速、全面的檢測和校準(zhǔn)，是確保導(dǎo)彈檢測儀處于良好技術(shù)狀態(tài)、為導(dǎo)彈提供準(zhǔn)確檢測手段的關(guān)鍵。

1 某型導(dǎo)彈檢測儀快速檢校的必要性

該導(dǎo)彈檢測儀在進(jìn)行二級維護(hù)保養(yǎng)時，需要對檢測儀進(jìn)行技術(shù)參數(shù)檢驗或調(diào)整。部隊目前對該導(dǎo)彈檢測儀采用手動檢測與校正的方法，基本實現(xiàn)了導(dǎo)彈檢測儀的檢校。技術(shù)參數(shù)檢驗采用的設(shè)備有檢測儀專用檢測盒、萬用表、示波器、頻率計、100 V絕緣電阻表、直流穩(wěn)壓電源等。檢驗方法就是將檢測儀的檢驗插座XS1的各個管腳通過專用電纜連接到檢測盒面板上的24個插孔，用示波器、頻率計、萬用表等儀表測量插孔的電氣特性，判斷檢測儀測量參數(shù)的準(zhǔn)確性，連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 某型導(dǎo)彈檢測儀檢校連接示意圖

由于檢測儀手動檢測與校正項目達(dá)13項，操作步驟多達(dá)100余項，而且校驗儀器儀表數(shù)量多、造價高、校驗操作復(fù)雜、效率低、時間長、準(zhǔn)確度不高等，操作人員培訓(xùn)難度大，設(shè)備維修保障水平低，因此不能滿足導(dǎo)彈裝備保障快速、高效的要求。

2 某型導(dǎo)彈檢測儀需檢校參數(shù)及測試資源分析

2.1 需檢校參數(shù)

基于導(dǎo)彈檢測儀的功能需求，以提高裝備保障能力為目標(biāo)，科學(xué)合理地確定檢校參數(shù)體系，從中選擇最重要的技術(shù)指標(biāo)，以便合理選用或研究檢校技術(shù)，便于實現(xiàn)快速檢校，提高裝備保障的效率。

在滿足重要、必要、系統(tǒng)、快速的原則條件下，選擇并確定導(dǎo)彈檢測儀檢校參數(shù)體系，主要包括:電源供電電壓;“0”、“－1”、“+1”指令控制信號;“0”、“－1”、“+1”指令下的 Uz、Uy電壓;導(dǎo)彈電路消耗電流;舵機(jī)放大器輸入信號U1、U2;舵機(jī)放大器輸出電壓等13項檢校參數(shù)。

2.2 需檢校測試資源

13項檢校參數(shù)所涉及的導(dǎo)彈檢測儀的主要測試資源如圖2所示，包括信號發(fā)生器、面板開關(guān)、前置放大、多路模擬開關(guān)、射隨器、A/D轉(zhuǎn)換、單片機(jī)和顯示模塊等。

以滿足導(dǎo)彈檢測儀檢測精度要求為出發(fā)點(diǎn)，分析導(dǎo)彈檢測儀各模塊對檢測儀檢測精度的影響，根據(jù)導(dǎo)彈檢測儀實際使用經(jīng)驗，并通過試驗驗證，合理確定影響導(dǎo)彈參數(shù)檢測精度、需要且能夠檢校的測試資源，包括10路前置放大、多路模擬開關(guān)、射隨器和A/D轉(zhuǎn)換器。

圖2 導(dǎo)彈檢測儀需檢校參數(shù)涉及的主要測試資源

3 某型導(dǎo)彈檢測儀快速檢校系統(tǒng)

3.1 總體方案

在不改變現(xiàn)有導(dǎo)彈檢測儀裝備的前提下，利用導(dǎo)彈檢測儀已有檢測和校準(zhǔn)接口，采用現(xiàn)代測試技術(shù)，構(gòu)建以單片機(jī)為控制核心的導(dǎo)彈檢測儀快速檢校系統(tǒng)，實現(xiàn)對導(dǎo)彈檢測儀技術(shù)參數(shù)的快速檢測與校準(zhǔn)，替代導(dǎo)彈檢測儀的檢測盒、萬用表、示波器、頻率計等儀器儀表，達(dá)到提高檢測精度、縮短檢測時間、方便操作使用，進(jìn)而提高裝備保障能力的目的。導(dǎo)彈檢測儀快速檢校系統(tǒng)總體方案如圖3所示。

圖3 導(dǎo)彈檢測儀快速檢校系統(tǒng)總體方案

快速檢?？刂浦行挠脕硗瓿蓪?dǎo)彈檢測儀快速檢校時的程序控制、標(biāo)準(zhǔn)信號的輸出控制、信號電路的通斷控制、模擬導(dǎo)彈的負(fù)載控制、信號的處理與存儲，同時根據(jù)導(dǎo)彈檢測儀需檢校參數(shù)的測試結(jié)果，給出檢校操作建議;測試激勵模塊產(chǎn)生導(dǎo)彈檢測儀檢校時所需的各種模擬和數(shù)字信號輸出;信號調(diào)理模塊對各種測試參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的匹配、轉(zhuǎn)換、驅(qū)動和衰減，之后經(jīng)高精度數(shù)據(jù)采集模塊送往快速檢校控制中心進(jìn)行處理。此外，導(dǎo)彈檢測儀快速檢校系統(tǒng)還具有自檢、顯示需檢校參數(shù)測試結(jié)果等功能。

3.2 導(dǎo)彈檢測儀快速檢校系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

3.2.1 硬件設(shè)計與實現(xiàn)

1)快速檢校系統(tǒng)控制中心

快速檢校系統(tǒng)控制中心選用 Cygnal公司的C8051F040。該芯片是混合信號高速單片機(jī)，片內(nèi)含有豐富的模擬和數(shù)字外設(shè)，包括2個12位DAC、1個12位ADC和1個8位ADC、64個I/O端口、5個定時器、3個可編程電壓比較器、6個PCA模塊、2個增強(qiáng)型UART串口等［1］。C8051F040單片機(jī)采用交叉開關(guān)和可編程數(shù)字I/O設(shè)計，允許將內(nèi)部數(shù)字系統(tǒng)資源分配給端口I/O引腳［2］。其豐富的片上資源及輸入輸出功能，為設(shè)計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的快速檢校系統(tǒng)提供了很大方便?？焖贆z校系統(tǒng)在C8051F040基礎(chǔ)上進(jìn)行部分?jǐn)U展，提高了系統(tǒng)的可靠性和集成度?？焖贆z校系統(tǒng)控制中心的資源分配如圖4所示。

圖4 快速檢校系統(tǒng)控制中心資源分配

2)測試激勵模塊

測試激勵主要包括2部分:一是由快速檢校系統(tǒng)控制中心C8051F040單片機(jī)向?qū)棛z測儀控制中心89C51單片機(jī)發(fā)出的檢校參數(shù)請求信號(4位二進(jìn)制碼)，導(dǎo)彈檢測儀根據(jù)接收到的檢校參數(shù)請求信號，產(chǎn)生不同的指令信號或控制多路模擬開關(guān)切換至相應(yīng)檢校參數(shù)的前向通道;二是進(jìn)行檢校所需的電壓激勵信號，在檢校過程中，按照檢校時序，由C8051F040單片機(jī)控制向?qū)棛z測儀的10條檢校通道施加穩(wěn)定的高精度電壓激勵信號。

高精度電壓激勵信號的產(chǎn)生過程:C8051F040單片機(jī)根據(jù)要產(chǎn)生的激勵信號要求控制D/A轉(zhuǎn)換器，D/A轉(zhuǎn)換后的模擬信號經(jīng)調(diào)理電路后輸入到32選1開關(guān)電路進(jìn)行選通，再經(jīng)運(yùn)放跟隨和自激振蕩消除電路處理后即可輸出。信號輸出的同時再輸入到反饋信號選擇電路，由C8051F040自帶的12位A/D進(jìn)行采集反饋信號，與理論值進(jìn)行比較并動態(tài)調(diào)整，組成閉環(huán)控制系統(tǒng)，提高輸出信號精度。

高精度電壓激勵信號產(chǎn)生的關(guān)鍵器件是D/A轉(zhuǎn)換器，快速檢校系統(tǒng)選用具有12位分辨率的AD7542。AD7542是精密的CMOS型DAC，具有良好的直流和交流特性，控制方便，可保證輸出電壓的精度和穩(wěn)定性。

3)數(shù)據(jù)采集模塊

圖5 ADC0轉(zhuǎn)換器功能

“0”指令信號為幅度為1～2 V、頻率為21 kHz的方波信號;“－1”指令信號幅度為1～2 V，由2種方波信號組合而成，前5 ms為頻率為9 kHz的方波信號，后5 ms為頻率為15 kHz的方波信號，分別表征導(dǎo)彈的右、上偏差;“+1”指令信號幅度為15～20 mV，同樣由2種方波信號組合而成，前5 ms為頻率為11 kHz的方波信號，后5 ms為頻率為18 kHz的方波信號，分別表征導(dǎo)彈的左、下偏差。指令信號頻率的最大誤差為±1%。

指令信號頻率測試采用測脈寬來計頻。指令信號經(jīng)過選通濾波器濾波后，得到相應(yīng)頻率信號，經(jīng)多路轉(zhuǎn)換開關(guān)選通后送C8051F040單片機(jī)。C8051F040單片機(jī)的T2-T4是16位自動重載和捕捉定時/計數(shù)器，可用來測量事件發(fā)生的時間間隔、計數(shù)外部輸入波形脈沖個數(shù)以及周期性中斷。測試中采用捕捉模式和計數(shù)模式相結(jié)合(T2定時、T4計數(shù))的方法來完成測頻。待測頻率f的計算公式為

式中:Npulse為測量脈沖數(shù);tT2為T2定時時間;fSYS為系統(tǒng)時鐘頻率;n為T2溢出次數(shù);c為T2計數(shù)值。

4)測試結(jié)果顯示模塊

測試結(jié)果顯示模塊主要采用128×64點(diǎn)陣的漢字圖形型12864液晶顯示模塊。該模塊內(nèi)置8 192個中文漢字、128個字符，具有電壓低、功耗低、接口方式靈活簡單、操作指令方便等特點(diǎn)［3］，可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字，也可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面，用于顯示檢校參數(shù)測試結(jié)果以及檢校操作建議。在測試結(jié)果顯示模塊硬件接口設(shè)計中，關(guān)鍵是要滿足液晶時序要求;在軟件編程中，關(guān)鍵是要進(jìn)行正確的初化操作及寫入顯示內(nèi)容的代碼。

3.2.2 軟件設(shè)計與實現(xiàn)

采用Cygnal的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)對導(dǎo)彈檢測儀快速檢校系統(tǒng)軟件進(jìn)行開發(fā)。IDE支持C語言和匯編語言的源碼級調(diào)試，可以對快速檢校系統(tǒng)控制中心進(jìn)行在系統(tǒng)編程和非侵入式的全速在系統(tǒng)調(diào)試［4］?？焖贆z校系統(tǒng)工作程序流程如圖6所示。

系統(tǒng)初始化、測試激勵、數(shù)據(jù)采集及顯示程序的關(guān)鍵函數(shù)列表如下:

圖6 快速檢校系統(tǒng)工作程序流程

3.2.3 導(dǎo)彈檢測儀快速檢校方法

檢校參數(shù)的選擇由C8051F040單片機(jī)向?qū)棛z測儀控制中心發(fā)送的檢校代碼信息決定。因為由前置放大、多路模擬開關(guān)、射隨器、A/D轉(zhuǎn)換器組成的10路測試通道的放大倍數(shù)各不相同，為確保每一項檢校項目都符合測試要求，需要采集在測試激勵作用下的導(dǎo)彈檢測儀各測試通道的電壓輸出信號，分析計算出各測試通道的實際放大倍數(shù)，并與理論放大倍數(shù)相比較，根據(jù)比較結(jié)果判斷是否需要進(jìn)行檢校。因此，導(dǎo)彈檢測儀快速檢校系統(tǒng)采用對由前置放大、多路模擬開關(guān)、射隨器、A/D轉(zhuǎn)換器組成的測試通道電路總體參數(shù)進(jìn)行調(diào)校的方法，達(dá)到與采用分別調(diào)校各元器件的方法具有相同測試精度的目的。檢校代碼、檢校參數(shù)與調(diào)校電位計具體對應(yīng)關(guān)系如表1所示。

表1 檢校代碼、檢校參數(shù)與檢校電位計對應(yīng)關(guān)系

4 結(jié)論

筆者在利用某型導(dǎo)彈檢測儀已有檢測和校準(zhǔn)接口基礎(chǔ)上，設(shè)計并實現(xiàn)了基于C8051F040單片機(jī)的導(dǎo)彈檢測儀快速檢校系統(tǒng)。該快速檢校系統(tǒng)操作簡單、便攜、高效，可以對該導(dǎo)彈檢測儀進(jìn)行快速、全面的檢測和校準(zhǔn)，對提高該裝備快速保障能力具有重要意義。

［1］童長飛.C8051F系列單片機(jī)開發(fā)與C語言編程［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2005:39.

［2］黃亮亮，朱欣華.基于實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μCOS-II的8051系列單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)［J］.測控技術(shù)，2005，24(9):39－42.

［3］李志廣，李曉泉，淮俊霞.中文圖形12864點(diǎn)陣液晶顯示模塊與51單片機(jī)的并行接口電路及C51程序設(shè)計［J］.現(xiàn)代顯示，2008(7):41－44.

［4］潘琢金，施國君.C8051Fxxx高速SOC單片機(jī)原理及應(yīng)用［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2002:221.