飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)無(wú)線原位檢測(cè)技術(shù)研究

紀(jì)超　王昆

摘要：原位檢測(cè)技術(shù)是一種無(wú)損檢測(cè)方法，可在設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)或基本不拆卸的情況下，對(duì)某些設(shè)備零件或部位進(jìn)行檢查和測(cè)試。本文以飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)為研究對(duì)象，針對(duì)其設(shè)備的原位檢測(cè)問(wèn)題進(jìn)行研究，根據(jù)飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)設(shè)備的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)有針對(duì)性的原位檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)要求測(cè)試設(shè)備小型化、低功耗、便于攜帶和能夠滿足外場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)。本系統(tǒng)以微控制器STM32F103ZET6為核心，將高性能的ARM芯片、ZigBee無(wú)線通信技術(shù)以及模塊化的功能電路結(jié)合在一起，并最終在遠(yuǎn)程監(jiān)控終端實(shí)現(xiàn)檢測(cè)參數(shù)的顯示。最后通過(guò)系統(tǒng)的軟硬件調(diào)試，實(shí)時(shí)的顯示出飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)設(shè)備的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷。

關(guān)鍵詞：原位檢測(cè)；飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)；ZigBee；STM32F103ZET6

中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1引言

外掛物管理系統(tǒng)是飛機(jī)綜合火控系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，它通過(guò)外掛發(fā)射裝置與航空武器（機(jī)炮、導(dǎo)彈、火箭、炸彈）相連，具有監(jiān)控武器狀態(tài)，接收火控系統(tǒng)命令，向武器發(fā)送關(guān)鍵參數(shù)；結(jié)合飛行員的操作確定攻擊狀態(tài)、自動(dòng)選擇武器、控制武器正常和應(yīng)急發(fā)射等功能。在現(xiàn)代航空設(shè)備檢測(cè)技術(shù)手段中，原位檢測(cè)技術(shù)是其新的重要組成部分，由于該技術(shù)不對(duì)飛行器設(shè)備及其結(jié)構(gòu)進(jìn)行拆卸和分解，既能夠迅速、準(zhǔn)確有效地檢測(cè)飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈等機(jī)載設(shè)備的性能，又可以杜絕因拆裝不當(dāng)造成的人為故障和機(jī)件損傷。隨著科技的不斷發(fā)展，越來(lái)越多的企業(yè)和機(jī)構(gòu)通過(guò)做無(wú)線通信和原位檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)方式用于飛機(jī)定檢，也用于特檢和日常維護(hù)。

目前，比較流行的無(wú)線通信技術(shù)主要有藍(lán)牙、紅外、Wi-Fi和ZigBee等。其中ZigBee技術(shù)是一種近距離、低成本、低功耗、低速率的雙向無(wú)線通信技術(shù)，是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)出來(lái)的關(guān)于組網(wǎng)、安全和應(yīng)用方面的通信技術(shù)，特別適用于工業(yè)檢測(cè)、監(jiān)控和傳感器網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

本文把ZigBee無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)設(shè)備參數(shù)的原位檢測(cè)中，采取適合方法實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、傳輸和顯示，為工業(yè)參數(shù)在線檢測(cè)提供了一種全新的解決方案。在條件惡劣、不易布線、人員不易進(jìn)入或需要對(duì)某運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期檢測(cè)等環(huán)境中，這種解決方案的優(yōu)勢(shì)尤其明顯。

2飛機(jī)外掛物檢測(cè)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)描述

飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程及原理如工作示意圖見(jiàn)圖1所示。

飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程是，首先用專用型號(hào)電纜將飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)設(shè)備和子設(shè)備連接，采集到相關(guān)信息后再通過(guò)Zig-Bee通信模塊將數(shù)據(jù)參數(shù)發(fā)送給遠(yuǎn)程手持監(jiān)控終端，最后當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端接收到數(shù)據(jù)先進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)無(wú)誤后再通過(guò)軟件處理，最終將設(shè)備的動(dòng)態(tài)信息顯示出來(lái)。

2.2系統(tǒng)組成與整體設(shè)計(jì)

由以上對(duì)飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)的工作流程分析可以看出，飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)一般是由數(shù)據(jù)采集設(shè)備和遠(yuǎn)程監(jiān)控終端兩大部分構(gòu)成，如圖2所示。

子設(shè)備將ARM微處理器、串行接口模塊以及遠(yuǎn)程無(wú)線發(fā)送模塊集成與一體，主要完成數(shù)據(jù)的采集、處理和發(fā)送功能。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端則通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析、處理及顯示。本文將無(wú)線通信技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)融合在一起，提出一個(gè)基于ARM嵌入式系統(tǒng)與ZigBee通信技術(shù)的原位檢測(cè)硬件平臺(tái)的解決方案。其中ZigBee模塊與ARM嵌入式系統(tǒng)之間采用RS232接口通訊，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee通信傳送到遠(yuǎn)程監(jiān)控終端并顯示。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案框圖如圖3所示。

其中無(wú)線通信模塊與基于ARM的機(jī)載檢測(cè)系統(tǒng)終端通過(guò)串口相連。遠(yuǎn)程監(jiān)控終端與無(wú)線通信模塊通過(guò)USB相連，當(dāng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端接收到機(jī)載終端發(fā)送的設(shè)備參數(shù)信息后，便調(diào)用顯示程序?qū)⒃O(shè)備的動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)的顯示在手持機(jī)的屏幕上。

3子設(shè)備硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1硬件設(shè)計(jì)方案

子設(shè)備用來(lái)測(cè)試飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)設(shè)備的插座信號(hào)，其中模擬量信號(hào)5路，開(kāi)關(guān)量信號(hào)14路。考慮到測(cè)試的可靠和穩(wěn)定性，測(cè)試過(guò)程中監(jiān)視子設(shè)備的電池電壓采用1路模擬量采集。因此，共6路模擬量信號(hào)，14路開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)與預(yù)期效果進(jìn)行深入了解后，按照模塊化的電路設(shè)計(jì)思想，在以STM32F103ZET6微控制器為核心基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出各功能模塊的原理電路。系統(tǒng)的總體硬件設(shè)計(jì)方案如圖4所示。

3.2硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

1）STM32F103ZET6微處理器電路設(shè)計(jì)

對(duì)于STM32F103ZET6微處理器，復(fù)位電路采取上電自動(dòng)復(fù)位的方式，系統(tǒng)時(shí)鐘的選擇是在啟動(dòng)時(shí)進(jìn)行，復(fù)位時(shí)內(nèi)部8MHz的RC振蕩器被選為默認(rèn)的CPU時(shí)鐘，隨后可以選擇外部的、具有失效監(jiān)控的4-16MHz時(shí)鐘；當(dāng)檢測(cè)到外部時(shí)鐘失效時(shí)，它將被隔離，系統(tǒng)將自動(dòng)地切換到內(nèi)部的RC振蕩器，如果出現(xiàn)中斷，軟件可以接收到相應(yīng)的中斷。同樣，在需要時(shí)可以采取對(duì)PLL時(shí)鐘完全的中斷管理（當(dāng)一個(gè)間接使用的外部振蕩器失效時(shí)）。當(dāng)HSI作為PLL時(shí)鐘的輸入時(shí)，最高的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率只能達(dá)到64MHz；而當(dāng)使用USB功能時(shí)，必須同時(shí)使用HSE和PLL，CPU的頻率必須是48MHz或72MHz，當(dāng)需要ADC采樣時(shí)間為1μs時(shí)，APB2必須設(shè)置在14MHz、28MHz或56MHz。為了提高電壓測(cè)量精度，系統(tǒng)采樣時(shí)選用外部參考電壓源REF2930。

2）開(kāi)關(guān)量信號(hào)設(shè)計(jì)

對(duì)于28V/懸空信號(hào)，將光耦的陰極接地，被測(cè)信號(hào)接人光耦的陽(yáng)極。如當(dāng)被測(cè)信號(hào)懸空時(shí)，IN0通過(guò)電阻下拉至GND；當(dāng)被測(cè)信號(hào)為28V時(shí)，三極管導(dǎo)通，IN0為+3.3V，IN0由三極管的發(fā)射極輸入到STM32F103ZET6，STM32F103ZET6通過(guò)讀取IN0狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)28V/懸空信號(hào)的測(cè)試。當(dāng)被測(cè)信號(hào)為脈沖串時(shí)，STM32F103ZET6將脈沖數(shù)量記錄下來(lái)并上傳至ZigBee。

GND/懸空分為兩種類型：1、對(duì)于特殊的GND/懸空信號(hào)，如果被測(cè)設(shè)備插座中具有存在、聯(lián)鎖、聯(lián)鎖回線等在直流電源1未提供就存在的信號(hào)時(shí)，采用隔離的電源ISO-5V為光耦陽(yáng)極提供電源，被測(cè)信號(hào)接人光耦的陰極；2、對(duì)于一般的GND/懸空信號(hào)，直流電源1存在，將光耦的陽(yáng)極接被測(cè)插座直流電源1為光耦提供電源，被測(cè)信號(hào)接入光耦的陰極。當(dāng)被測(cè)信號(hào)懸空時(shí)，IN24通過(guò)電阻下拉至GND。當(dāng)被測(cè)信號(hào)為GND時(shí)，三極管導(dǎo)通，IN24為+3.3V，IN24由三極管的發(fā)射極輸入到STM32F103ZET6，STM32F103ZET6通過(guò)讀取IN24狀態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)GND/懸空信號(hào)的測(cè)試。

3）模擬量信號(hào)設(shè)計(jì)

檢測(cè)中需采集測(cè)試設(shè)備自身電池電壓，以了解電池是否正常工作，對(duì)于電池電壓的測(cè)試，采取電阻分壓并經(jīng)運(yùn)放緩沖后輸入到STM32F103ZET6。前級(jí)電源電路輸出+5V信號(hào)BAT_OUT通過(guò)C33以及C41電容進(jìn)行濾波，其中電阻R112以及R113對(duì)BAT_OUT電源信號(hào)進(jìn)行分壓。隨后經(jīng)過(guò)運(yùn)放OP291GS緩沖后送給ADC進(jìn)行采樣。

被測(cè)件交流電壓為飛機(jī)三相115V電源，對(duì)其采取采用電流型電壓互感器隔離輸入具有差動(dòng)輸入的RMS-DC變換芯片并經(jīng)運(yùn)放緩沖，輸入STM32F103ZET6的AD接口進(jìn)行采集。電流型電壓互感器選用星格公司SPT204A，輸入額定電流為2mA，額定輸出電流為2mA，具有良好的線性（小于0.1%）但在使用時(shí)需要將電壓信號(hào)變換成電流信號(hào)并且將前級(jí)限流電阻R1、T1安裝在信號(hào)轉(zhuǎn)接盒中，可避免強(qiáng)電信號(hào)引入測(cè)試終端并減小測(cè)試終端體積。

4）電源電路設(shè)計(jì)

由前級(jí)電源板輸入子設(shè)備的電源有電池、電池變換后的+3.3V，以上電池、+3.3V供內(nèi)部STM32F103ZET6、與STM32F103ZET6連接的調(diào)理電路使用，將電池進(jìn)行升壓至+5V經(jīng)電源模塊隔離后供前端調(diào)理使用。其中涉及到的核心元件分別為L(zhǎng)TC3203EDD-1和IB0505LT-W75。

4系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1子設(shè)備軟件結(jié)構(gòu)

子設(shè)備的固件程序即STM32軟件的基本結(jié)構(gòu)如圖5所示，該程序主要由初始化模塊、串口中斷及處理模塊、數(shù)據(jù)定時(shí)采集模塊、脈沖計(jì)數(shù)模塊、串口數(shù)據(jù)打包發(fā)送模塊以及看門狗構(gòu)成，下面對(duì)程序的組成部分分別介紹。

4.2ZigBee無(wú)線通信模塊固件程序設(shè)計(jì)

ZigBee無(wú)線通信模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線串口通信功能。采用Jennic公司的新一代無(wú)線微處理器模塊JN5139系列ZigBee模塊，該系列的模塊化解決方案可以大大節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)問(wèn)，易于集成到產(chǎn)品中。本測(cè)試系統(tǒng)中無(wú)需修改硬件線路將該系列模塊直接無(wú)縫引入子設(shè)備和手持機(jī)，直接進(jìn)行固件程序開(kāi)發(fā)即可。

該系列模塊開(kāi)發(fā)套件提供豐富的開(kāi)發(fā)例程，稍加修改即可移植到本次測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中。綜合考慮各方便因素，本次開(kāi)發(fā)采用Zigebee協(xié)議的基礎(chǔ)協(xié)議802.15.4。為了方便驗(yàn)證設(shè)計(jì)和測(cè)試，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)初期設(shè)計(jì)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，后期考慮設(shè)計(jì)為手持機(jī)為中心的星形網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

4.3手持機(jī)軟件設(shè)計(jì)

手持機(jī)通過(guò)Zigbee模塊實(shí)時(shí)接收子設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)解碼后，提取出被測(cè)件的各項(xiàng)測(cè)量值并顯示在軟件界面上，另外手持機(jī)還可以對(duì)各子設(shè)備進(jìn)行復(fù)位、查詢等操作。手持機(jī)的上述功能是通過(guò)專門設(shè)計(jì)的手持機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的，手持機(jī)采用的操作系統(tǒng)為Windows Embedded CE6.0。

圖6為手持機(jī)軟件流程圖。其中，初始化模塊主要完成軟件界面初始化、串口通信初始化、創(chuàng)建讀串口線程等組成。串口數(shù)據(jù)處理線程模塊主要用來(lái)定時(shí)查詢串口。如果有數(shù)據(jù)則進(jìn)行狀態(tài)機(jī)解碼，按照通信協(xié)議解析出的被測(cè)件有效數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)SUB2CE中，方便軟件存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)以及在界面上定時(shí)顯示。手持機(jī)可以對(duì)子設(shè)備進(jìn)行查詢、復(fù)位等操作，點(diǎn)擊軟件界面上的復(fù)位或查詢子設(shè)備按鈕時(shí)，軟件生成符合通信協(xié)議的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)CE2SUB中，通過(guò)串口發(fā)送出去，經(jīng)由ZigBee模塊組成的無(wú)線串口，到達(dá)子設(shè)備。

5系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

5.1無(wú)線串口軟件仿真測(cè)試

在對(duì)子設(shè)備和手持機(jī)進(jìn)行測(cè)試前，需測(cè)試無(wú)線串口軟件的功能是否符合要求。無(wú)線串口是由兩塊Jennic公司的JN5139系列ZigBee模塊構(gòu)成的，兩模塊芯片內(nèi)燒寫了上一章設(shè)計(jì)的ZigBee無(wú)線通信模塊固件程序，兩模塊上電后，可以自動(dòng)連接，并且讀取各自的串口數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線連接發(fā)送給對(duì)方。對(duì)無(wú)線串口軟件的測(cè)試如下：

兩塊ZigBee模塊通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口線分別與兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的USB接口連接，在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上分別運(yùn)行串口調(diào)試助手軟件，設(shè)置好波特率數(shù)據(jù)位和停止位，打開(kāi)相應(yīng)的串口，輸入固定的數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊定時(shí)發(fā)送。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間大數(shù)據(jù)量測(cè)試，檢查兩臺(tái)計(jì)算機(jī)上的串口調(diào)試助手可以發(fā)現(xiàn)，兩串口數(shù)據(jù)收發(fā)正常，較好的實(shí)現(xiàn)了無(wú)線串口軟件功能。

5.2子設(shè)備軟件仿真測(cè)試

將固件程序燒寫進(jìn)STM32芯片中，上位機(jī)運(yùn)行在PC端，程序采用LabWindows/CVI設(shè)計(jì)，如圖7所示，PC同ZigBee模塊使用USB轉(zhuǎn)串口線連接。子設(shè)備上電后，可以發(fā)現(xiàn)上位機(jī)程序收到了子設(shè)備的數(shù)據(jù)并顯示在界面上，STM32發(fā)送不斷增加，點(diǎn)擊上位機(jī)軟件界面中的復(fù)位按鈕，界面上STM32發(fā)送數(shù)據(jù)項(xiàng)回0，這說(shuō)明子設(shè)備可以采集到所需的數(shù)據(jù)，并且通過(guò)無(wú)線串口和外界通信正常。

5.3手持機(jī)軟件仿真測(cè)試

采用Visual C++2008編寫完成手持機(jī)軟件后，可以使用SDK自帶的WinCE6.0模擬器進(jìn)行軟件仿真測(cè)試。首先使用虛擬串口軟件給計(jì)算機(jī)添加一對(duì)串口，方便模擬器進(jìn)行串口調(diào)試。然后模擬器映射使用其中一個(gè)串口，PC串口調(diào)試助手使用另一個(gè)即可進(jìn)行互相收發(fā)數(shù)據(jù)，進(jìn)行軟件功能仿真測(cè)試。串口調(diào)試助手按照通信協(xié)議格式發(fā)送數(shù)據(jù)55 AA 30 00 00 00 68 00 00 00 F9 9F D1 FE 00 20 B7 C7 A0 FF 00 04 41 1D 46 0C 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 C2 06 00 00 00 00 00 B7，手持機(jī)軟件界面收到數(shù)據(jù)并解析顯示，軟件界面點(diǎn)擊復(fù)位或查詢，串口調(diào)試助手收到符合通信協(xié)議格式的數(shù)據(jù)，仿真測(cè)試表明，手持機(jī)軟件可以滿足測(cè)試系統(tǒng)的要求。

6結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要是為遠(yuǎn)程監(jiān)控飛機(jī)外掛物管理系統(tǒng)設(shè)備所設(shè)計(jì)的，可將設(shè)備信號(hào)參數(shù)通過(guò)ZigBee無(wú)線通信的方式傳送到遠(yuǎn)程手持監(jiān)控終端。從系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)出發(fā)，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)硬件電路原理圖的設(shè)計(jì)。隨后，對(duì)系統(tǒng)子設(shè)備和手持機(jī)的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了專門的敘述，按照功能模塊的劃分設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)采集和發(fā)送和數(shù)據(jù)接收和顯示的程序。描述了子設(shè)備和遠(yuǎn)程手持監(jiān)控終端中的軟件的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。最終通過(guò)軟硬件的測(cè)試給出了測(cè)試參數(shù)，系統(tǒng)目前已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，具有一定的實(shí)用價(jià)值。