基于嵌入式技術(shù)的火控系統(tǒng)故障檢測儀設(shè)計

寧飛，熊云，楊小強(qiáng)

(解放軍理工大學(xué)，江蘇 南京 210007)

0 引言

某型布雷車電子控制系統(tǒng)的故障多因其元器件、電源、連接線纜和接口裝置等的外來干擾或系統(tǒng)元部件的老化等引起。這些故障會導(dǎo)致裝控系統(tǒng)、發(fā)控系統(tǒng)和主控制系統(tǒng)的功能喪失，而且在整體故障情況下，會對布雷車造成災(zāi)難性的故障。在安全性、可靠性和信息化重要性日益增加的情況下，非常有必要研制一種robust智能的工具，能夠檢測、隔離和診斷布雷控制系統(tǒng)的元器件和系統(tǒng)故障。以便部隊的維修人員在野戰(zhàn)條件下，對拋撒布雷車布雷控制系統(tǒng)故障進(jìn)行快速檢測、定位、排除[1]。目前，布雷控制系統(tǒng)故障檢測主要依靠操作人員的經(jīng)驗判斷，或者簡單地檢測點火觸頭有無輸出電信號。這種檢測方法只能判斷是布雷彈還是控制系統(tǒng)出現(xiàn)問題，而對于輸出信號的具體信息及出現(xiàn)故障的原因卻無法進(jìn)行準(zhǔn)確分析判斷，效率低、可靠性差，嚴(yán)重影響平時訓(xùn)練、演習(xí)和戰(zhàn)時任務(wù)的完成。

1 火控系統(tǒng)故障分析

1.1 火控系統(tǒng)常見故障與原因

火控系統(tǒng)是拋撒布雷系統(tǒng)的中心控制部分，主要用于地雷自毀時間的裝定、引信的通電或斷電、布雷彈的檢測和按需要調(diào)節(jié)布雷彈點火發(fā)射的時間間隔、布雷密度，控制實施快速機(jī)動布雷?；鹂叵到y(tǒng)對整機(jī)的工作具有十分關(guān)鍵的作用。該系統(tǒng)由布控主機(jī)、裝控輔機(jī)、發(fā)控輔機(jī)等組成。尤其是由嵌入式微控制器和外圍部件構(gòu)成的布控主機(jī)是整個火控系統(tǒng)的大腦，直接影響到地雷參數(shù)的設(shè)定、布雷彈的可靠點火與發(fā)射等，決定著裝備的使用可靠性和戰(zhàn)斗力。該系統(tǒng)龐大復(fù)雜，呈典型的網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，各分系統(tǒng)的邏輯順序關(guān)系更是錯綜復(fù)雜，整個系統(tǒng)長期工作在高溫、強(qiáng)烈的沖擊振動、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境和多灰塵等不利環(huán)境下，出現(xiàn)故障的幾率較大，診斷難度也很大。根據(jù)基層單位對裝備的應(yīng)用情況反映，火控系統(tǒng)常見故障見表1：

表1 火控系統(tǒng)常見故障

1.2 火控系統(tǒng)故障的分類層次模型

診斷問題就其實質(zhì)來說是一種分類問題。設(shè)備的故障往往依據(jù)設(shè)備所表現(xiàn)出的征兆，將設(shè)備的當(dāng)前狀態(tài)分類到某一故障狀態(tài)。在故障診斷專家系統(tǒng)設(shè)計中，使用最多、實現(xiàn)簡單、效果較好的是層次分類方法。故障診斷系統(tǒng)的分類層次是由概念節(jié)點所構(gòu)成的層次結(jié)構(gòu)，所有的分類層次結(jié)構(gòu)均為樹形結(jié)構(gòu)，即每一概念節(jié)點都只有一個父節(jié)點，樹形結(jié)構(gòu)可以顯著地降低診斷問題求解的復(fù)雜性?；陔`屬度和規(guī)則的層次分類診斷的第一步，是建立診斷對象的分類層次。對診斷對象建立分類層次通常有以下3種方法[2]：

1) 結(jié)構(gòu)分解。結(jié)構(gòu)分解是從結(jié)構(gòu)上對系統(tǒng)進(jìn)行分解，把系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)分解為下一層次的子結(jié)構(gòu)，而每個子結(jié)構(gòu)又可分解為下層次的子結(jié)構(gòu)，這種分解可以知道最低層次的零部件。

2) 功能分解。功能分解是從功能上對診斷對象進(jìn)行分解，把系統(tǒng)的總體功能分解為下層次的子功能，而每一子功能又可分解為更下層的子功能，這種分解可以到基本功能。

3) 故障分解。故障分解是指對診斷對象的故障類型進(jìn)行分解，下層子故障總是上層父故障的特性，上層父故障則是下層子故障的概括，這種分解可以到最具體的故障。

在實際應(yīng)用中，往往在不同的階段，綜合運(yùn)用不同的分類方法建立最合適的分類層次模型，即在高層用結(jié)構(gòu)分類層次方法或功能分類層次方法，以減少分類層次的搜索量，而在中、低層則用故障分類層次，以包括所有的故障現(xiàn)象。針對拋撒布雷車的工作原理與故障特點，可以建立火控系統(tǒng)故障分類層次模型。

2 火控系統(tǒng)故障檢測儀的總體功能與結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 檢測儀的功能設(shè)計

根據(jù)火控系統(tǒng)故障檢測的基本需求和測試功能要求，信號測量通道超過60個，信號類型主要是信號電壓值和信號的持續(xù)時間等。因此，布控裝置故障參數(shù)檢測儀的功能概括為：控制系統(tǒng)的裝定控制性能檢測，主要包括自毀時間設(shè)定功能、斷電功能和信號連接電纜與接插件等的狀態(tài)檢測與故障判別等；發(fā)射功能及相關(guān)發(fā)射電路的性能的檢測與故障判斷等。火控系統(tǒng)的故障主要發(fā)生在這布控主機(jī)、裝控和發(fā)控輔機(jī)等子系統(tǒng)和其內(nèi)部的元器件上，這些部件相關(guān)故障的檢測涉及因素比較復(fù)雜，檢測所需資源和信號通道較多，故檢測儀的功能設(shè)計按圖1進(jìn)行。

圖1 檢測儀的功能設(shè)計圖

2.2 檢測儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)拋撒布雷車和火控系統(tǒng)的故障檢測需求，布雷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為上位機(jī)、下位機(jī)兩部分、串口通信總線、測試連接電纜、信號接口和電源等部分。其中上位機(jī)核心為工控機(jī)，采用觸模顯示屏與用戶進(jìn)行信息交互，并可外接鍵盤、鼠標(biāo)、打印機(jī)等附件。下位機(jī)主體由雙CPLD信號處理系統(tǒng)和信號調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路等組成，下位機(jī)主要負(fù)責(zé)布雷控制系統(tǒng)的信號檢測與控制信號輸出，采用串行總路線與上位機(jī)進(jìn)行信息交換。下位機(jī)與控制系統(tǒng)的信號交互通過測試電纜連接實現(xiàn)。上、下位機(jī)均由軟件和硬件等構(gòu)成。上、下位機(jī)和電源電路等全部安裝于檢測儀的機(jī)箱內(nèi)，其具體結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 檢測儀結(jié)構(gòu)框圖

3 檢測儀的硬件系統(tǒng)設(shè)計

火控系統(tǒng)檢測儀硬件部分主要包括：上位機(jī)中的核心控制單元工控機(jī)、液晶屏、觸摸屏、電源模塊，下位機(jī)中數(shù)據(jù)采集與處理單元、電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、JTAG程序下載電路及通信接口電路，信號采集電纜和儀器箱體等。

3.1 上位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計

上位機(jī)的核心是PCM-5351B工控機(jī)，該型工控機(jī)具有較高的性價比，可靠性、適應(yīng)性都比較強(qiáng)。PCM-5351B的底板是無源型底板，其上設(shè)計有多個插槽，底板與插槽之間的板載總線結(jié)構(gòu)形式多樣，包含了STD，ISA和PCI總線等，工控機(jī)的主要附件，如中央處理CPU主板、CRT顯示器接口板、數(shù)據(jù)采集卡等都可以通過插槽與工控機(jī)集成。PCM-5351型工控機(jī)主板的結(jié)構(gòu)基于模塊化的思想進(jìn)行設(shè)計，能夠根據(jù)不同的控制需求，以模塊化的板塊結(jié)構(gòu)形式設(shè)計成不同的功能模板，組成不同控制對象的控制系統(tǒng)。其硬件采用了固態(tài)數(shù)據(jù)存儲設(shè)備，其容量為8G，滿足檢測儀檢測與診斷功能的需求。

為適應(yīng)檢測儀現(xiàn)場使用的需求，工控機(jī)采用了工業(yè)級液晶屏和觸摸屏等外部顯示與用戶交互器件，方便現(xiàn)場用戶的操作使用。

3.2 下位機(jī)硬件系統(tǒng)設(shè)計

由于火控系統(tǒng)發(fā)射通道數(shù)和信號種類比較多，要求檢測儀信號通道數(shù)較多，目前常用的單元片等比較經(jīng)濟(jì)的芯片難以滿足，若擴(kuò)充多路開關(guān)電路，則系統(tǒng)又較為復(fù)雜，可靠性與穩(wěn)定性不能保證。經(jīng)多方面權(quán)衡，選擇采用CPLD這種開發(fā)難度適中且性價比合理的芯片完成檢測任務(wù)。

下位機(jī)主要負(fù)責(zé)GBL131與GBL132型火箭布雷車布雷控制系統(tǒng)工作參數(shù)的采集與系統(tǒng)控制等作用，其組成核心為由兩片CPLD器件構(gòu)成的控制器，配合信號調(diào)理電路、時鐘振蕩電路、串口信號傳輸電路和其他的外圍連接件，完成信號的采集、控制、傳輸與處理等作用。

a) 電源電路的實現(xiàn)

下位機(jī)電源電路設(shè)計的目的是給下位機(jī)提供電源，保證其正常工作。電源電路設(shè)計是否合理、穩(wěn)定關(guān)乎檢測儀是否能穩(wěn)定的采集處理數(shù)據(jù)，圖3是電源電路設(shè)計的原理圖。

圖3 下位機(jī)電源電路原理圖

在電源電路中設(shè)計自恢復(fù)保險絲，保護(hù)下位機(jī)防止加載的電壓過大。首先計算下位機(jī)的功率，下位機(jī)主要功耗元器件有：兩片CPLD、運(yùn)算放大器芯片、串口通信芯片、電源芯片、鐘振芯片。

b) 下位機(jī)信號調(diào)理電路的設(shè)計

下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集與處理單元采用施加負(fù)反饋的運(yùn)算放大器放大電路，設(shè)計數(shù)據(jù)采集與處理單元電路如圖4所示。

圖4 信號調(diào)理電路原理圖

數(shù)據(jù)采集與處理單元電路電路采用了4通道運(yùn)放電路芯片(LM224)，它是比較常用的TTL電平的運(yùn)放電路，運(yùn)用LM224搭成的同相比例輸入電路可以調(diào)節(jié)直流脈沖信號及高電平信號的電平大小，最后由CPLD完成直流脈沖信號或高電平信號的捕獲。

在不加負(fù)反饋的放大電路中，運(yùn)算放大器的增益受到溫度、電源電壓、輸出電壓及頻率等影響發(fā)生較大變化，不保持恒定。施加負(fù)反饋后，不但增益穩(wěn)定，而且噪聲、失真、輸出阻抗都降低了，輸入阻抗增大。

3.3 通信接口電路設(shè)計

CPLD的串口I/O是一種精簡串口設(shè)計，根據(jù)檢測任務(wù)需求，檢測系統(tǒng)采用了主、從式雙CPLD處理電路，若主、從CPLD芯片間信號采用并行傳輸，再統(tǒng)一轉(zhuǎn)換為串口信號上傳至上位機(jī)，則主CPLD的邏輯宏單元資源顯得不足。綜合考慮各種情況，選用圖5所示的共享輸出串口電路。雙CPLD的信號交互采用并行方式，輸出信號采用共享串口輸出，既簡化了電路設(shè)計，又保證了信號的可靠傳輸。

圖5 主、從CPLD芯片信號串口傳輸示意圖

下位機(jī)與上位機(jī)之間通過RS232串口協(xié)議進(jìn)行通信，在下位機(jī)通信接口電路設(shè)計中主要采用MAX3232芯片，將CPLD中的UART串行通信轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)RS232接口電路，使用4個電容按芯片應(yīng)用電路連接即可。

在下位機(jī)兩片CPLD與上位機(jī)通信的處理方式上，采用主處理器通過通信接口電路與上位機(jī)直接通信，輔處理器先通過主處理器再通過通信接口電路與上位機(jī)進(jìn)行間接通信。這種通信方式相對于采用兩個串口的方式來說有兩個優(yōu)點：減小了下位機(jī)的功耗，降低了硬件設(shè)計的復(fù)雜度；在上位機(jī)編程中程序量較小，采集信號的邏輯順序清晰明了。

4 檢測儀軟件系統(tǒng)的設(shè)計

4.1 上位機(jī)應(yīng)用軟件的開發(fā)

上位機(jī)軟件的開發(fā)基于LabVIEW平臺，由于LabVIEW是基于模塊化的程序設(shè)計思想，因此在開發(fā)過程中也是基本遵循這一思想，將每個功能做成集成的模塊，以便于程序的調(diào)試和修改，降低程序的復(fù)雜性[3]。軟件主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)顯示和故障診斷四個大的模塊組成，每個模塊又可以分成不同的子模塊，根據(jù)檢測的具體情況，可以將模塊程序建立成LabVIEW特有的子VI[4]。圖6為上位機(jī)軟件程序流程圖。

圖6 上位機(jī)軟件流程圖

4.2 下位機(jī)應(yīng)用軟件的開發(fā)

下位機(jī)主控部分通過軟件設(shè)計實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集及發(fā)送，每隔1s刷新一次數(shù)據(jù)。主控部分的應(yīng)用軟件經(jīng)過VHDL程序設(shè)計成相應(yīng)的功能模塊，包括波特率發(fā)生模塊、使能模塊、信號計數(shù)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和下位機(jī)的數(shù)據(jù)通信模塊，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時采集及發(fā)送。下位機(jī)軟件的核心是其脈沖信號計數(shù)模塊。

1) 脈沖信號分析

從裝定信號波形圖(圖7)中，確定T裝定<4S；脈沖信號前端高電平為握手信號，其寬度TACK<2S；4096<脈沖數(shù)<8192。

圖7 輔機(jī)裝定信號波形分析圖

2) 脈沖信號采集需求

CPLD在采集布雷車輔機(jī)裝定信號軟件設(shè)計的過程中，重點是對脈沖進(jìn)行計數(shù)。分析信號的波形后，對程序有以下需求：

1) 每隔4s采集一次布雷車輔機(jī)裝定信號；

2) 采集過程中過濾第一個上升沿，即過濾握手信號；

3) 最大計數(shù)值≤8192；

4) 保持所采集的脈沖信號直至復(fù)位。

5 結(jié)語

將基于專家經(jīng)驗的故障分類層次診斷方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等應(yīng)用于工程裝備電氣系統(tǒng)的故障診斷中。詳細(xì)分析了該型裝備整機(jī)故障診斷特點及電氣系統(tǒng)的故障模式與失效機(jī)理，開發(fā)了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的故障診斷專家系統(tǒng)。使維修人員或操作手可以及時發(fā)現(xiàn)故障，防患于未然，降低電氣系統(tǒng)的故障率和提高使用壽命，實現(xiàn)了對電氣系統(tǒng)檢測與診斷過程的程序化，從而使對重型機(jī)械化橋了解相對較少的人員也能在該系統(tǒng)指導(dǎo)下快速進(jìn)行在線檢測、診斷與維修，大大提高裝備恢復(fù)的時效，提高了戰(zhàn)時工程裝備的隨行保障能力。

[1] 英德斯科技公司.PCM-5351B用戶手冊.http://www.ydstech.com.

[2] 趙艷華，曹丙霞，張睿.基于Quartus II的FPGA/CPLD設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3] 徐曉東，鄭對元，肖武.LabVIEW 8.5常用功能與編程實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[4] 韓曉茹，肖鐵軍.嵌入式系統(tǒng)中CPLD器件的在系統(tǒng)編程[J].計算機(jī)工程，2003.08：172-173.