一種便攜式火控系統(tǒng)檢測儀設(shè)計(jì)

康 葳，董田沼， 王仁忠，李 浩

(1.裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072；2.解放軍72502部隊(duì)，山東 濟(jì)南 250300；3.西安電子科技大學(xué)，陜西 西安 710071)

隨著現(xiàn)代軍事科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對于基層級修理單位維修保障能力要求不斷提高，但是目前能夠?qū)δ承滦筒綉?zhàn)車進(jìn)行火控系統(tǒng)故障診斷和性能測試的設(shè)備相對較少，且實(shí)用性靈活性不強(qiáng)?，F(xiàn)階段基層修理分隊(duì)在野外對其進(jìn)行性能測試和故障診斷時(shí)，修理人員主要依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)和萬用表等原始儀表，嚴(yán)重滯后于裝備的發(fā)展，阻礙裝備保障能力的提高，影響了新裝備戰(zhàn)斗力的形成。因此，尋找一種體積小、便于攜帶且具有較好的穩(wěn)定性和可維護(hù)性的測試設(shè)備，已成為測試領(lǐng)域的重要研究課題[1]。

鑒于此，為適應(yīng)基層級部隊(duì)測試設(shè)備自動(dòng)化、小型化、便于攜帶發(fā)展要求[2]，考慮到本系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的主要技術(shù)指標(biāo)，在對某型步戰(zhàn)車火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理進(jìn)行系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上，按照功能完備、系統(tǒng)集成、平戰(zhàn)結(jié)合的設(shè)計(jì)思想，本著標(biāo)準(zhǔn)化、小型化、信息化的設(shè)計(jì)原則，綜合運(yùn)用故障樹與基于知識的專家系統(tǒng)，以便攜式PC機(jī)為測控平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一種便攜式火控系統(tǒng)檢測儀，為部隊(duì)提供方便快捷的保障與維修手段，提高部隊(duì)對某型步戰(zhàn)車火控系統(tǒng)檢測診斷水平。

1 系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)組成

整個(gè)系統(tǒng)[3]主要由便攜PC機(jī)、測試盒、測試電纜和附屬配件組成。檢測儀在結(jié)構(gòu)按照小型化設(shè)計(jì)原則，使檢測工作可以在車內(nèi)部完成實(shí)裝測試，無需拆卸部件及車內(nèi)車外的交互，節(jié)省了檢測時(shí)間，提高了維修效率。

1.2 系統(tǒng)主要功能

性能測試：性能測試主要基于信號。從裝備的重要功能出發(fā)，通過測試部件關(guān)鍵輸入輸出信號以及對信號的處理，判斷裝備功能是否良好。

故障診斷：根據(jù)輸入信號、輸出信號和提取的特征信號，實(shí)現(xiàn)故障檢測和故障診斷，將故障定位到現(xiàn)場可更換單元。根據(jù)檢測診斷結(jié)果，在充分參考專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，提出修理建議，為科學(xué)和快速地維修提供技術(shù)支持。

數(shù)據(jù)管理：檢測儀能夠?qū)崿F(xiàn)對測試信息的存儲(chǔ)、查詢和管理，并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸和信息共享，滿足信息化戰(zhàn)場條件下裝備信息化保障的需求。

維修支持：檢測儀內(nèi)置電子技術(shù)手冊，能夠指導(dǎo)和培訓(xùn)操作人員掌握火控系統(tǒng)構(gòu)造和原理、修理工藝和標(biāo)準(zhǔn)、故障診斷的流程和方法。系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

綜合分析火控系統(tǒng)工作機(jī)理和各部件航空插頭上信號可知，該型步戰(zhàn)車火控系統(tǒng)待測資源主要由高壓模擬信號、高壓脈沖信號、普通模擬信號、普通數(shù)字信號、數(shù)字脈沖信號、SPI總線信號、I2C總線信號、電源信號等信號組成。檢測儀主要面向基層級維修，因此要求檢測儀體積小、質(zhì)量小，以便于檢測人員隨身攜帶，故硬件采用基于USB接口數(shù)據(jù)采集方案，整機(jī)采用模塊化和組合化設(shè)計(jì)。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

數(shù)據(jù)采集卡的主要功能是將由調(diào)理板模擬物理量信號轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可處理的數(shù)字信號，并進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。由于USB型采集卡與傳統(tǒng)的插入式采集卡相比具有采樣精度高、傳輸數(shù)據(jù)速度塊、便攜等優(yōu)點(diǎn)，因此根據(jù)實(shí)際需要，本系統(tǒng)選用阿爾泰公司的16位分辨率的USB-2814高速數(shù)據(jù)采集卡。

2.3 便攜PC機(jī)

便攜PC機(jī)主要完成對采集數(shù)據(jù)的顯示、存儲(chǔ)和分析處理?？紤]到某型步戰(zhàn)車的復(fù)雜工作環(huán)境，本系統(tǒng)選用了北京京融電自動(dòng)化科技有限公司的加固型平板電腦作為測試系統(tǒng)平臺(tái)，為操作人員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理提供了極大便利。

2.4 電源模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)調(diào)理板所涉及的元器件供電電壓為±15 V和5 V 三種，利用便攜PC機(jī)上的USB接口通過USB數(shù)據(jù)線將5 V電壓引到調(diào)理板上，通過A2415S電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成±15 V給元器件進(jìn)行供電。

2.5 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)

信號調(diào)理電路是測試系統(tǒng)中重要的組成部分，是被測部件與采集卡之間的聯(lián)結(jié)紐帶，它主要完成測試信號的調(diào)理、轉(zhuǎn)換、隔離和保護(hù)采集卡等重要功能。

2.5.1 高壓脈沖信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

對于脈寬時(shí)間只有十幾微秒的高壓脈沖信號，如果僅依靠模擬信號調(diào)理電路進(jìn)行實(shí)時(shí)信號采集，可能會(huì)因?yàn)檐浖捻憫?yīng)時(shí)間或采集卡的靈敏度造成信號捕獲丟失。因此，為了增強(qiáng)信號捕捉能力，減小軟件編程復(fù)雜度，采用光隔與D觸發(fā)器結(jié)合的調(diào)理電路，將高壓脈沖信號轉(zhuǎn)換為電平信號，其電路原理圖如圖2所示。

當(dāng)高壓脈沖信號(-200 V)到來時(shí)，TL高速光隔導(dǎo)通，經(jīng)由74HC14反相器后，將高壓脈沖信號隔離轉(zhuǎn)化為一個(gè)TTL脈沖加載到D觸發(fā)器74HC74的CLK引腳，D觸發(fā)器的第6腳在Fire脈沖上升沿到來時(shí)，由0 V跳變?yōu)? V并保持，供2814采集卡采集判斷。通過2814-DO4信號可以控制D觸發(fā)器5、6引腳的狀態(tài)復(fù)位為0 V，等待下次檢測。

2.5.2 角速度脈沖信號調(diào)理

炮塔角速度信息是通過A、B兩路相位差為90°的脈沖信號來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)A路脈沖先于B路脈沖到達(dá)時(shí)，表示炮塔順時(shí)針運(yùn)動(dòng)；當(dāng)B路脈沖先于A路脈沖到達(dá)時(shí)，表示炮塔逆時(shí)針運(yùn)動(dòng)，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的脈沖數(shù)量反映了炮塔的運(yùn)動(dòng)速度。對于相位差為90°的脈沖信號檢測，如果依靠軟件進(jìn)行高速采樣分析來判斷出那路脈沖首先到達(dá)，一方面加大了軟件的工作量；另一方面可能會(huì)因采樣頻率的不適合而造成判斷失誤，因此可在硬件設(shè)計(jì)上通過鎖相電路將相差90°的兩路脈沖信號轉(zhuǎn)化為單一的脈沖信號進(jìn)行判斷。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件設(shè)計(jì)思想與流程

軟件開發(fā)平臺(tái)采用LabWindows/CVI集成開發(fā)環(huán)境[4]和SQL數(shù)據(jù)庫軟件進(jìn)行開發(fā)，在軟件設(shè)計(jì)過程中，遵循"風(fēng)格統(tǒng)一、簡單直觀、功能完善、操作簡便"的原則，采用模塊化設(shè)計(jì)方案，按照設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，將軟件劃分為各個(gè)子模塊，并對各個(gè)子模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到操作簡便，維護(hù)容易的效果。為提高軟件可靠性，軟件內(nèi)部嵌入了看門狗、數(shù)字濾波器及資源獨(dú)占技術(shù)等。軟件程序流程圖如圖3所示。

3.2 性能測試軟件模塊設(shè)計(jì)

性能測試可實(shí)現(xiàn)對火控系統(tǒng)部件的性能檢測，判定系統(tǒng)技術(shù)狀況，為有經(jīng)驗(yàn)的檢測人員排除故障提供關(guān)鍵信號。檢測儀測試項(xiàng)目較多，測試步驟需要根據(jù)測試項(xiàng)目確定，不能以一代全，但是如果為每個(gè)測試項(xiàng)目編寫一個(gè)界面，就會(huì)造成軟件太大，運(yùn)行速度慢，維護(hù)不便等問題。為解決上述問題，在進(jìn)行測試軟件設(shè)計(jì)時(shí)，采用通用界面和專用界面統(tǒng)一編排，數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一調(diào)用的方式進(jìn)行解決。測試流程如圖4所示。

3.3 故障診斷模塊設(shè)計(jì)

故障診斷模塊是本測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)[5-6]，通過分析火控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能特點(diǎn)及常見故障模式，本系統(tǒng)采用了基于故障樹的專家系統(tǒng)診斷方法。專家系統(tǒng)與常規(guī)程序有著不同體系結(jié)構(gòu)，其總體結(jié)構(gòu)如圖5所示。

知識庫的建立，系統(tǒng)仿照故障字典法來獲取知識。基本思想是：提取電路在各種故障狀態(tài)下的電路特征值，然后將特征值與故障的對應(yīng)關(guān)系列成一個(gè)字典。診斷時(shí)按照測量得到的實(shí)際值在故障字典中進(jìn)行檢索，比較判斷出故障的性質(zhì)和位置。

一個(gè)完善的專家系統(tǒng)要將各種不同的知識資源組織起來，寫出包含所有知識的規(guī)則，并利用這些規(guī)則進(jìn)行推理，找出一條給定狀態(tài)到目標(biāo)狀態(tài)的路徑，一個(gè)好的規(guī)則庫是有效推理的前提，本系統(tǒng)采用基于規(guī)則的推理方式進(jìn)行推理，推理格式采用"if then"語句。故障推理過程實(shí)際上就是咨詢過程，實(shí)測數(shù)據(jù)采集進(jìn)來后與故障征兆集中特征數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，通過用戶對問題的回答，進(jìn)行正確選擇，如此反復(fù)，直到將故障找出為止。其診斷流程如圖6所示。

3.4 維修支持模塊設(shè)計(jì)

選用 MS Word 2003 和Adobe Acrobat 9.0 作為電子手冊的制作工具，并對Acrobat 9.0 進(jìn)行二次開發(fā)；提供Acrobat Reader 軟件供用戶對電子手冊進(jìn)行瀏覽閱讀，利用LabWindows/CVI軟件開發(fā)工具，通過LaunchExecutable (char fileName[])函數(shù)將用戶技術(shù)資料電子手冊嵌入到測試設(shè)備程序中。

4 結(jié)束語

某型步戰(zhàn)車便攜式火控系統(tǒng)檢測儀經(jīng)部隊(duì)使用，結(jié)果表明：整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，工作可靠，檢測精度高，操作維護(hù)方便，從功能上完全滿足了對某型步戰(zhàn)車火控系統(tǒng)的測試需要，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)，極大地提高了部隊(duì)檢測診斷效率和維修保障能力。

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