基于PLC的直升機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射控制檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要： 針對(duì)某型直升機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)尚無檢查裝置，設(shè)計(jì)了基于PLC技術(shù)的檢測(cè)系統(tǒng)，采用原位測(cè)試?yán)砟?，在不拆卸發(fā)控設(shè)備的情況下對(duì)導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)進(jìn)行無損檢測(cè)。通過地址映射的方法將1553B總線芯片接載進(jìn)PLC系統(tǒng)，擺脫了1553B總線在單片機(jī)板卡上應(yīng)用的桎梏，利用PLC簡(jiǎn)捷的編程語言方便地實(shí)現(xiàn)了總線通信，有良好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞： 可編程控制器； 發(fā)射控制； 1553B總線； 測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN06?34； TP302.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）09?0035?03

Abstract： Since there is no inspection device for a certain type of helicopter missile launch control system， the detection system based on PLC technology is designed. With the in?situ testing idea， the nondestructive testing for the missile launch control system was achieved without disassembly of the launch control device. The 1553B bus chip is picked up into PLC system by the method of address mapping， by which the shackle in application of 1533B bus on microcontroller interface card is get rid of. The communication with the bus is implemented by the aid of simple PLC programming language. The proposed method has a good application prospect.

Keywords： PLC； launch control； 1553B bus； measurement

直升機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的“大腦”，能接收并執(zhí)行指揮系統(tǒng)下達(dá)的指令，對(duì)位于發(fā)射架上的導(dǎo)彈發(fā)送各種控制信號(hào)，接收導(dǎo)彈回送的各種狀態(tài)信息，完成導(dǎo)彈參數(shù)裝訂和發(fā)射控制任務(wù)。因發(fā)控系統(tǒng)所包含的設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，多次拆卸會(huì)降低使用壽命，且系統(tǒng)中信號(hào)交聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，所以部隊(duì)在發(fā)控系統(tǒng)檢查中面臨的問題很多。針對(duì)目前某型直升機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)尚無配套檢測(cè)設(shè)備，設(shè)計(jì)了基于可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 的檢測(cè)系統(tǒng)，采用原位測(cè)試?yán)砟?，在直升機(jī)地面維護(hù)過程中將檢測(cè)系統(tǒng)模擬成導(dǎo)彈掛載在導(dǎo)彈發(fā)射架上，使其與直升機(jī)進(jìn)行信號(hào)交互，采集并分析信號(hào)屬性，從而判斷發(fā)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

1 檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

直升機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射控制檢測(cè)系統(tǒng)用于在地面測(cè)試直升機(jī)導(dǎo)彈發(fā)控通道的性能，它通過模擬導(dǎo)彈為發(fā)射控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的導(dǎo)彈狀態(tài)信息，給出發(fā)控設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)，在直升機(jī)按規(guī)程執(zhí)行發(fā)射控制任務(wù)的過程中與發(fā)控設(shè)備通信。在模擬導(dǎo)彈進(jìn)行信號(hào)交互時(shí)精確測(cè)試導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)提供給導(dǎo)彈接口信號(hào)的正常與否，以此驗(yàn)證飛機(jī)發(fā)控系統(tǒng)的主要性能參數(shù)是否滿足工作要求。

根據(jù)上述分析，直升機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射控制檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：

（1） 擁有與直升機(jī)相匹配的電氣接口；

（2） 能模擬與導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的導(dǎo)彈的電氣特性及彈上的工作狀態(tài)；

（3） 可方便地模擬出導(dǎo)彈的自檢、射檢結(jié)果；

（4） 代替彈載計(jì)算機(jī)與發(fā)射控制系統(tǒng)進(jìn)行命令和數(shù)據(jù)通信，包括離散信號(hào)和總線數(shù)據(jù)；

（5） 能完成完整的發(fā)射流程；

（6） 可采集來自直升機(jī)的信號(hào)并判斷其屬性；

（7） 可進(jìn)行故障診斷；

（8） 擁有抗干擾措施。

直升機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射控制檢測(cè)系統(tǒng)是基于PLC設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)的主控單元是深圳矩形科技公司的N80型PLC，并設(shè)計(jì)了輸入輸出接口模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、1553B通信模塊、RS 232通信模塊和FLASH ROM模塊，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。系統(tǒng)選擇矩形科技公司所設(shè)計(jì)的VLadder軟件作為PLC的編程軟件，并選擇LabWindows/CVI作為實(shí)現(xiàn)PLC與上位機(jī)通信的編程軟件。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控模塊模塊

主控模塊負(fù)責(zé)按照導(dǎo)彈發(fā)射規(guī)程完成相應(yīng)的控制任務(wù)，是檢測(cè)系統(tǒng)完成任務(wù)的核心部件。直升機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射控制檢測(cè)系統(tǒng)作為軍用產(chǎn)品必須能夠適應(yīng)復(fù)雜多變、條件嚴(yán)酷的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，PLC基于其可靠性高、控制靈活性好、易于完成各種復(fù)雜控制的特點(diǎn)[1]，在單片機(jī)、繼電器系統(tǒng)等產(chǎn)品中脫穎而出，特別適合環(huán)境較為惡劣和可靠性要求高的軍事應(yīng)用。軍品PLC能夠滿足電磁兼容、溫度、振動(dòng)沖擊、三防等航空產(chǎn)品的國(guó)軍標(biāo)要求，因此采用軍品級(jí)PLC作為檢測(cè)系統(tǒng)的主控單元。

為了滿足貨架式商品的要求，使軍用設(shè)備能簡(jiǎn)便地更換、維修，保證不泄露軍事秘密，檢測(cè)系統(tǒng)選擇深圳矩形公司自主生產(chǎn)設(shè)計(jì)的N80型PLC。該型PLC相比應(yīng)用廣泛的三菱FX系列PLC[2]，所有器件均滿足軍標(biāo)要求，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，采用軍用一次加固技術(shù)，環(huán)境適應(yīng)范圍寬，支持多種通信接口和協(xié)議。

2.2 輸入、輸出接口模塊

檢測(cè)系統(tǒng)通過輸入、輸出接口實(shí)現(xiàn)與直升機(jī)的信號(hào)交聯(lián)，考慮到系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境的復(fù)雜性，為保證交聯(lián)信號(hào)的完整性，系統(tǒng)的輸入、輸出接口必須設(shè)計(jì)抗干擾措施，具備抗干擾能力。為了盡可能地節(jié)約研究經(jīng)費(fèi)，又保證系統(tǒng)的可升級(jí)性，在輸入、輸出接口的設(shè)計(jì)過程中預(yù)留了10%的備用量。

2.3 信號(hào)調(diào)理模塊

導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)的邏輯控制關(guān)系復(fù)雜，信號(hào)屬性多樣，因此必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使直升機(jī)與檢測(cè)系統(tǒng)能互相識(shí)別傳遞的信號(hào)。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和直升機(jī)之間的電氣隔離，采用光電隔離技術(shù)，將直升機(jī)輸出的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)可以識(shí)別的數(shù)字量；使用繼電器實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸出，為了實(shí)現(xiàn)繼電器控制以及實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離，采用TLP521?4光電隔離電路芯片，控制信號(hào)經(jīng)光電隔離輸出后通過ULN2803，用于完成信號(hào)的驅(qū)動(dòng)。

2.4 1553B通信模塊

1553B總線是廣泛應(yīng)用于航空系統(tǒng)中的時(shí)分制串行總線，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高。直升機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射控制系統(tǒng)的自檢、射檢和裝訂參數(shù)等過程均有1553B總線[3]的參與，直升機(jī)的接口控制文件定義了傳輸過程中1553B總線數(shù)據(jù)的意義，因此檢測(cè)系統(tǒng)必須設(shè)計(jì)1553B通信模塊擔(dān)負(fù)起通信任務(wù)。目前國(guó)內(nèi)外PLC系統(tǒng)中1553B模塊的設(shè)計(jì)尚屬起步階段，在可查的資料中多是單片機(jī)系列的1553B板卡[4?6]，本系統(tǒng)基于PLC設(shè)計(jì)了1553B模塊，將PLC內(nèi)部部分I/O空間劃分成RT地址空間，并將1553B芯片緩存中的數(shù)據(jù)同步于I/O空間中。

2.5 RS 232通信模塊

檢測(cè)系統(tǒng)使用前需要通過RS232通信模塊連接上位機(jī)下載檢測(cè)軟件，在對(duì)檢測(cè)過程進(jìn)行事后分析時(shí)，也需要連接上位機(jī)下載通信數(shù)據(jù)并讀取FLASH ROM。

2.6 FLASH ROM模塊

檢測(cè)系統(tǒng)在檢測(cè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如直升機(jī)發(fā)送的指令、檢測(cè)系統(tǒng)輸出指令和總線數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)必須實(shí)時(shí)保存并且掉電保持，使用 FLASH ROM模塊記錄這些信息可保證信號(hào)的完整性，并且使PLC的編程簡(jiǎn)單化[7]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)使用矩形科技公司配套的VLadder軟件進(jìn)行PLC的編程，VLadder軟件采用工程（project） 觀念，通過可視化的方式令程序開發(fā)過程中涉及的相關(guān)元素分模塊展現(xiàn)出來，使編程環(huán)境一目了然。為了提高軟件與用戶的良好交互性、可操作性，其工作窗口的每個(gè)屬性功能都擁有各自獨(dú)立的操作窗口，而梯形圖代碼中使用的變量在各個(gè)功能窗口中有著緊密的聯(lián)系，從而可以以變量為中心很方便地從一個(gè)窗口跳轉(zhuǎn)到另一個(gè)功能窗口。VLadder軟件一個(gè)重要的功能便是提供了仿真軟件，給用戶提供梯形圖程序仿真、調(diào)試的平臺(tái)。

主程序是測(cè)試系統(tǒng)工作的主界面，提供系統(tǒng)各功能模塊的接口。

測(cè)試系統(tǒng)自檢模塊：為了提高系統(tǒng)的自保障性能，設(shè)計(jì)系統(tǒng)上電自檢程序，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)任何硬件模塊故障，都會(huì)通過故障燈指示出來。系統(tǒng)的自檢是通過利用PLC發(fā)送信號(hào)，查驗(yàn)輸入、輸出通道功能正常與否完成的。

數(shù)學(xué)及邏輯運(yùn)算模塊：處理與直升機(jī)交互過程中的總線數(shù)據(jù)，并根據(jù)直升機(jī)發(fā)送來的參數(shù)裝訂數(shù)據(jù)和導(dǎo)彈狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)數(shù)學(xué)運(yùn)算判斷是否符合導(dǎo)彈發(fā)射要求，控制輸入、輸出接口生成相對(duì)應(yīng)的反饋信號(hào)。

信號(hào)接收與反饋模塊：接收來自飛機(jī)的非總線信號(hào)，分析信號(hào)屬性，判斷后控制輸入、輸出接口產(chǎn)生相對(duì)應(yīng)的回答信號(hào)。

導(dǎo)彈狀態(tài)反饋模塊：檢測(cè)系統(tǒng)收到直升機(jī)指令時(shí)，按照導(dǎo)彈發(fā)射控制時(shí)序及邏輯要求，模擬導(dǎo)彈進(jìn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)變更，并通過1553B總線反饋給直升機(jī)。

信號(hào)狀態(tài)記錄模塊：對(duì)直升機(jī)向檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)出的各種指令及控制信號(hào)的狀態(tài)、時(shí)機(jī)和測(cè)試系統(tǒng)模擬的導(dǎo)彈狀態(tài)進(jìn)行記錄。設(shè)計(jì)掉電保存程序，對(duì)參數(shù)設(shè)定、發(fā)射控制及導(dǎo)彈狀態(tài)回答等情況進(jìn)行事后分析和狀態(tài)評(píng)估。

狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷模塊：為事后分析需要，通過MODBUS主從站協(xié)議，下載信號(hào)狀態(tài)記錄模塊保存的信息。將這些數(shù)據(jù)與正常信號(hào)進(jìn)行比對(duì)，判斷直升機(jī)發(fā)射控制系統(tǒng)正常與否。

程序下載及系統(tǒng)維護(hù)模塊：為了保障軟件調(diào)試和軟件升級(jí)維護(hù)的便捷性，設(shè)計(jì)程序下載及系統(tǒng)維護(hù)模塊，通過RS 232串口實(shí)現(xiàn)PC機(jī)與PLC的通信，進(jìn)行軟件系統(tǒng)的日常維護(hù)與升級(jí)。

4 PLC系統(tǒng)1553B模塊設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于1553B總線的應(yīng)用絕大多數(shù)仍處于基于單片機(jī)板卡的應(yīng)用階段，其I/O接口電路復(fù)雜，編程語言繁瑣，只適用于專業(yè)技術(shù)人員。PLC技術(shù)以其可編程改變I/O接口，且編程語言對(duì)于一線技術(shù)工人即可掌握的優(yōu)點(diǎn)，在1553B總線模塊的開發(fā)上有著巨大的優(yōu)勢(shì)。

基于PLC設(shè)計(jì)的1553B芯片分為編解碼模塊、地址映射模塊、寄存器組模塊、管理控制模塊、時(shí)鐘分頻模塊[8]。編解碼模塊實(shí)現(xiàn)16位并行數(shù)據(jù)與曼徹斯特Ⅱ型雙相電平碼的相互轉(zhuǎn)換。地址映射模塊負(fù)責(zé)訪問讀寫寄存器組模塊，通過地址映射與PLC進(jìn)行信息交互。寄存器組模塊分為兩部分，一部分為初始配置寄存器，負(fù)責(zé)初始化1553B芯片，另一部分為狀態(tài)寄存器，負(fù)責(zé)記錄1553B芯片的工作狀態(tài)。管理控制模塊是1553B芯片的控制核心，負(fù)責(zé)按照1553B總線協(xié)議要求執(zhí)行總線命令，實(shí)現(xiàn)信息通信。時(shí)鐘分頻模塊針對(duì)各模塊不同的頻率要求提供相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)。1553B總線模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

運(yùn)用PLC技術(shù)設(shè)計(jì)的1553B模塊關(guān)鍵技術(shù)便是應(yīng)用了地址映射，在地址映射模塊內(nèi)配置有I/O鏈接模塊。此模塊內(nèi)用于傳送數(shù)據(jù)的I/O區(qū)有雙重地址，PLC與1553B芯片均可以對(duì)相應(yīng)地址進(jìn)行讀寫，從而使得PLC的I/O空間能與1553B芯片的遠(yuǎn)程終端地址一一對(duì)應(yīng)。其映射空間的大小為1 024個(gè)字，將PLC部分I/O空間（48 000～49 024）分為32塊，每塊32個(gè)字，對(duì)應(yīng)32個(gè)RT地址。

5 結(jié) 語

該直升機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射控制檢測(cè)系統(tǒng)利用PLC技術(shù)的高可靠性，模擬導(dǎo)彈實(shí)現(xiàn)了與直升機(jī)的信息交互，根據(jù)故障指示燈可方便地查明發(fā)控系統(tǒng)的性能，有效解決了部隊(duì)實(shí)際應(yīng)用中所面臨的檢測(cè)困難。所設(shè)計(jì)的1553B模塊擺脫了1553B總線芯片在單片機(jī)上應(yīng)用的局限性，利用地址映射思想，依托PLC技術(shù)簡(jiǎn)單的編程語言，實(shí)現(xiàn)了1553B總線通信功能，極大地簡(jiǎn)化了編程步驟，提高了系統(tǒng)的可靠性。

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