某型導(dǎo)彈發(fā)射車綜合維護(hù)測(cè)試設(shè)備設(shè)計(jì)

張學(xué)成，王大為，孫旭寧

（1.總裝駐上海地區(qū)軍代室，上海 201109；2.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)要求導(dǎo)彈發(fā)射車能滿足快速機(jī)動(dòng)的戰(zhàn)場(chǎng)需求，因此發(fā)射車的維修保障必然也要具有較高的快速性和有效性[1]。某型導(dǎo)彈發(fā)射車在部隊(duì)?wèi)?zhàn)前或定期維護(hù)中需要測(cè)試整車的電氣性能指標(biāo)及發(fā)射流程正確性，現(xiàn)有方法測(cè)試時(shí)需外接導(dǎo)彈模擬器、模擬點(diǎn)火負(fù)載、電子負(fù)載、筆錄儀和萬(wàn)用表等5種9臺(tái)分離儀表，設(shè)備間有復(fù)雜連線且操作步驟繁瑣需要3～4人配合，容易引起人為操作失誤，檢測(cè)效率較低[2]。

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)一套多通道、自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便的綜合維護(hù)測(cè)試設(shè)備，以解決發(fā)射車在部隊(duì)使用保障中對(duì)模擬導(dǎo)彈加電、發(fā)射等作戰(zhàn)流程所需功能和性能的快捷綜合測(cè)試，提高發(fā)射車的維護(hù)測(cè)試效率，適應(yīng)實(shí)戰(zhàn)化需求。

1 系統(tǒng)總體分析

為保障發(fā)射車能正確實(shí)施導(dǎo)彈發(fā)射，導(dǎo)彈發(fā)射前，需模擬導(dǎo)彈加電、發(fā)射等作戰(zhàn)流程，以確保各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)正常、功能和性能完好。發(fā)射車定期維護(hù)也要測(cè)試各項(xiàng)功能和性能以及電纜連接與絕緣性是否處于正常狀態(tài)。

根據(jù)發(fā)射車維護(hù)保養(yǎng)的項(xiàng)目和產(chǎn)品特點(diǎn)，基于模塊化設(shè)計(jì)思想，以嵌入式技術(shù)為基礎(chǔ)，將發(fā)射車綜合維護(hù)測(cè)試設(shè)備劃分為4大功能模塊，分別為導(dǎo)彈負(fù)載模擬器、發(fā)射時(shí)序錄取裝置、電纜檢測(cè)儀以及數(shù)據(jù)記錄分析模塊。導(dǎo)彈負(fù)載模擬器模擬導(dǎo)彈的彈上設(shè)備輸入輸出信號(hào)，用于對(duì)發(fā)射車諸如導(dǎo)彈供電電壓、點(diǎn)火電流和電源紋波等電氣信號(hào)、開關(guān)量信號(hào)和通路狀態(tài)的自動(dòng)化檢測(cè)；發(fā)射時(shí)序錄取裝置實(shí)時(shí)采樣發(fā)射車的發(fā)射時(shí)序信號(hào)，并通過(guò)CAN總線發(fā)送給時(shí)序錄取計(jì)算機(jī)；電纜檢測(cè)儀診斷發(fā)射電纜的連接與絕緣性能，進(jìn)行關(guān)于斷線、混線、絕緣不良等線纜的故障測(cè)試與定位；數(shù)據(jù)記錄分析模塊采集和保存綜合維護(hù)設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、回放和評(píng)估處理，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的趨勢(shì)進(jìn)行分析，還可對(duì)發(fā)射車進(jìn)行故障預(yù)測(cè)。各模塊均采用智能化設(shè)計(jì)，避免復(fù)雜的操作流程，并具有一定的通用性和擴(kuò)展性，為同類型及后續(xù)型號(hào)預(yù)留接口。

2 功能模塊設(shè)計(jì)

2.1 導(dǎo)彈負(fù)載模擬器

導(dǎo)彈負(fù)載模擬器用于替代真實(shí)導(dǎo)彈，模擬工作過(guò)程中的導(dǎo)彈信號(hào)，以檢測(cè)發(fā)控系統(tǒng)功能是否正常。導(dǎo)彈負(fù)載模擬器主要由發(fā)控接口板、DSP控制板、模擬信號(hào)調(diào)理板、液晶顯示屏以及導(dǎo)彈供電等效負(fù)載、導(dǎo)彈點(diǎn)火等效負(fù)載等組成，如圖1所示。發(fā)控接口板作為導(dǎo)彈負(fù)載模擬器與發(fā)控設(shè)備的電氣接口板，模擬導(dǎo)彈聯(lián)鎖信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)保險(xiǎn)信號(hào)，檢測(cè)發(fā)控的導(dǎo)彈供電信號(hào)和火工品的點(diǎn)火信號(hào)，根據(jù)導(dǎo)彈供電和點(diǎn)火信號(hào)模擬各種導(dǎo)彈返回信號(hào)。

圖1 導(dǎo)彈負(fù)載模擬器組成Fig.1 Framework of missile load simulator

DSP芯片不僅具有信號(hào)數(shù)據(jù)處理功能，還有較強(qiáng)的控制能力[3]。因此，采用TI公司的TMS320F2812 DSP芯片作為導(dǎo)彈負(fù)載模擬器的控制核心。DSP在導(dǎo)彈加電和發(fā)射過(guò)程中的作用主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：一方面，控制發(fā)控接口板按時(shí)序模擬返回各種信號(hào)、模擬導(dǎo)彈與發(fā)控系統(tǒng)的通信，控制繼電器動(dòng)作，并將導(dǎo)彈供電負(fù)載與點(diǎn)火負(fù)載加載到發(fā)控系統(tǒng)的導(dǎo)彈供電回路和點(diǎn)火回路中；另一方面，通過(guò)AD采樣端口實(shí)時(shí)采樣導(dǎo)彈的供電電壓和點(diǎn)火電流。模擬信號(hào)調(diào)理板將導(dǎo)彈供電電源的電壓值、供電電源的紋波、導(dǎo)彈點(diǎn)火電流都統(tǒng)一變換到0～3 V以供DSP控制板模擬量采樣。

圖2所示為一組導(dǎo)彈供電電源的高精度、前后級(jí)隔離電壓調(diào)理電路原理圖。其工作的過(guò)程如下：首先，輸入電壓經(jīng)過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分壓，縮放為原來(lái)的1/6倍；然后，隔離放大器ISO124U將分壓后的供電電壓信號(hào)1∶1線性隔離；最后，一路運(yùn)放OP285比例變換采樣信號(hào)，另一路跟隨濾波產(chǎn)生輸出信號(hào)。圖2的調(diào)理電路最終將輸入信號(hào)縮小18倍后輸出至DSP模擬量采樣口。導(dǎo)彈點(diǎn)火電流模擬信號(hào)的調(diào)理電路與圖2一致，只是電路的比例變換系數(shù)不同。

圖2 導(dǎo)彈供電電壓信號(hào)的調(diào)理電路Fig.2 Signal conditioning circuit of power supply voltage for the missile

2.2 發(fā)射時(shí)序錄取裝置

發(fā)射時(shí)序錄取裝置檢測(cè)發(fā)射時(shí)序信號(hào)并進(jìn)行量化處理和圖形化顯示，最終確定發(fā)控系統(tǒng)的工況。發(fā)射時(shí)序錄取裝置主要由時(shí)序錄取計(jì)算機(jī)、時(shí)序錄取盒、CAN通信卡和通信電纜等組成。時(shí)序錄取盒的多通道時(shí)序信號(hào)由軟件觸發(fā)[4]，采用TI公司的TMS320F2812 DSP作為時(shí)序檢測(cè)硬件的控制核心，實(shí)時(shí)采樣發(fā)射車的導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)序信號(hào)，并將采樣到的時(shí)序信號(hào)通過(guò)CAN總線發(fā)送給時(shí)序錄取計(jì)算機(jī)。

時(shí)序錄取盒處理時(shí)序信號(hào)的原理如下：以時(shí)序錄取盒開機(jī)時(shí)刻作為0時(shí)刻，DSP上電后程序設(shè)置1 ms中斷，在收到時(shí)序錄取計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采樣命令后每1 ms采樣一次所有端口的IO電平，并與上一次IO口電平情況進(jìn)行比較，若IO口電平有變化則記錄信號(hào)的變化情況以及變化時(shí)刻的時(shí)間；當(dāng)時(shí)序錄取計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)傳送命令時(shí)，時(shí)序錄取盒定時(shí)將采樣數(shù)據(jù)發(fā)送給時(shí)序錄取計(jì)算機(jī)；時(shí)序錄取計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波后圖形化直觀地顯示出來(lái)，并對(duì)發(fā)射時(shí)序進(jìn)行自動(dòng)判讀。

時(shí)序錄取盒與時(shí)序錄取計(jì)算機(jī)之間的通信采用CAN總線，CAN通信報(bào)文協(xié)議規(guī)定前4個(gè)字節(jié)為IO口電平，后4個(gè)字節(jié)為變化時(shí)刻的時(shí)間。圖3為假設(shè)在t1～t4時(shí)刻信號(hào)1～信號(hào)4的一段發(fā)射時(shí)序示意圖，t1～t4時(shí)刻 （分別為 0x1000、0x2000、0x3000、0x4000），則CAN通信報(bào)文的數(shù)據(jù)分別為（0x01，0x1000）、（0x03，0x2000）、（0x0f，0x3000）、（0x00，0x4000）?？梢?jiàn)，采用只記錄IO口變化情況及變化時(shí)刻的時(shí)間值，時(shí)序錄取盒需要保存、處理和發(fā)送的數(shù)據(jù)量很少，大大降低了DSP的消耗，且能可靠地保證時(shí)序采樣的精度。

圖3 一段發(fā)射時(shí)序示意Fig.3 A part of firing time sequence

2.3 電纜檢測(cè)儀

電纜檢測(cè)儀用來(lái)對(duì)電纜進(jìn)行導(dǎo)通、絕緣和耐壓檢查，硬件主要由主測(cè)試儀、輔助測(cè)試儀、通信控制電纜和蓄電池等組成，軟件主要包括電纜表、測(cè)試配置、歷史測(cè)試報(bào)表查詢、測(cè)試控制、故障列表、系統(tǒng)信息查詢等內(nèi)容。電纜分析軟件將發(fā)射車各電纜信號(hào)關(guān)系做成電纜數(shù)據(jù)表，測(cè)試時(shí)只需選擇電纜號(hào)及測(cè)試項(xiàng)目，軟件自動(dòng)對(duì)電纜進(jìn)行導(dǎo)通或絕緣檢查，并將檢查結(jié)果記錄下來(lái)。

主測(cè)試儀原理如圖4所示，由GENE-CV05主板、控制板、繼電器陣列、液晶屏、鍵盤、硬盤等組成。GENE-CV05嵌入式主板作為主測(cè)試儀的計(jì)算機(jī)中心，通過(guò)RS232向控制板發(fā)送控制命令；控制板作為主測(cè)試儀的控制中心，含有絕緣、導(dǎo)通測(cè)試需要的恒流源電源、差分采樣電路、絕緣高壓產(chǎn)生電路和AD采樣電路等；繼電器陣列板主要由繼電器切換陣列和MCU控制電路組成，MCU通過(guò)RS485與控制板通訊，接收主測(cè)試儀控制板命令控制繼電器陣列中的繼電器通斷，以配合主測(cè)試儀進(jìn)行導(dǎo)通測(cè)試。輔助測(cè)試儀主要由繼電器陣列板組成，接收主測(cè)試儀命令控制繼電器的通斷。

圖4 主測(cè)試儀原理Fig.4 Functional block diagram of main tester

導(dǎo)通電阻測(cè)量原理如圖5所示，被測(cè)電纜兩端分別連接主測(cè)試儀和輔助測(cè)試儀，主測(cè)試儀通過(guò)通信控制電纜向輔助測(cè)試儀提供電源，主測(cè)試儀的計(jì)算機(jī)同步控制主測(cè)試儀和輔助測(cè)試儀中繼電器陣列板的矩陣開關(guān)，選擇某一根電纜的導(dǎo)線，主測(cè)試儀將恒流源加到被測(cè)導(dǎo)線上，通過(guò)采樣差分電壓計(jì)算出導(dǎo)線的導(dǎo)通電阻值。

圖5 導(dǎo)通測(cè)試原理Fig.5 Schematic of open-short test

絕緣電阻測(cè)試采用了比較法測(cè)量采樣電阻值，其工作原理如圖6所示。比較法采樣可以避免高壓電壓跌落對(duì)測(cè)量精度的影響[5]，絕緣測(cè)試電路中還需高壓產(chǎn)生電路來(lái)提供可調(diào)的高壓直流電源。由于耐壓測(cè)試與絕緣測(cè)試原理相同，只是高壓及高壓保持時(shí)間不同。耐壓測(cè)試電路采用絕緣測(cè)試電路，高壓產(chǎn)生電路可根據(jù)軟件選擇500 V、1000 V檔，由電纜檢測(cè)設(shè)備軟件來(lái)控制耐壓測(cè)試時(shí)間。

圖6 電纜絕緣測(cè)試原理Fig.6 Functional block diagram of cable insulation test

2.4 數(shù)據(jù)記錄分析模塊

數(shù)據(jù)記錄分析模塊采集和保存導(dǎo)彈負(fù)載模擬器、發(fā)射時(shí)序錄取裝置和電纜測(cè)試儀等發(fā)射車的各種測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、回放和評(píng)估處理，及時(shí)掌握系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。此外，數(shù)據(jù)記錄分析模塊中嵌入了基于大數(shù)據(jù)分析的故障預(yù)測(cè)功能，鑒于篇幅，不在此深入展開。

3 關(guān)鍵技術(shù)

與原來(lái)分離式儀表組合相比較，設(shè)計(jì)的綜合維護(hù)測(cè)試設(shè)備具有小型化、集成化和自動(dòng)化等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要解決了以下關(guān)鍵技術(shù)：

（1）集成度較高的系統(tǒng)構(gòu)架

綜合維護(hù)測(cè)試設(shè)備需要提供多種激勵(lì)信號(hào)檢測(cè)復(fù)雜的輸入輸出信號(hào)，為了減小體積、方便操作且降低人為失誤的概率，綜合運(yùn)用先進(jìn)的電路控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)集成度較高的系統(tǒng)構(gòu)架，以滿足全部測(cè)試任務(wù)和一定的擴(kuò)展性要求。

（2）面向測(cè)試資源的信號(hào)調(diào)理技術(shù)

新一代軍用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用面向信號(hào)技術(shù)作為通用性的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)[6]，因此運(yùn)用面向測(cè)試對(duì)象的思想設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理板以提高通用性。被測(cè)電氣信號(hào)通過(guò)電纜和適配器連接到調(diào)理板上，進(jìn)行濾波和變換電平處理等信號(hào)調(diào)理，轉(zhuǎn)換成滿足后續(xù)傳輸與處理系統(tǒng)要求的信號(hào)。不同的測(cè)試對(duì)象可以通過(guò)相應(yīng)適配器來(lái)轉(zhuǎn)接，提高可靠性的同時(shí)還能有效解決現(xiàn)場(chǎng)干擾及儀表端口保護(hù)等問(wèn)題。

（3）通用化的發(fā)射時(shí)序采樣與顯示

采用只讀取信號(hào)電平變化情況和變化時(shí)刻的時(shí)間信息，既可以降低通信總線上的消耗，又可以作為通用化的時(shí)序采樣方法供各個(gè)型號(hào)使用。根據(jù)各個(gè)型號(hào)研制生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)提煉出避錯(cuò)和容錯(cuò)措施，按其發(fā)射時(shí)序要求在時(shí)序錄取軟件中對(duì)信號(hào)進(jìn)行配置，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)判讀。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套能自動(dòng)檢測(cè)導(dǎo)彈發(fā)射車導(dǎo)彈供電和點(diǎn)火電流參數(shù)、導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)序及發(fā)射車電纜網(wǎng)導(dǎo)通絕緣的綜合維護(hù)測(cè)試設(shè)備。該設(shè)備體積小、操作方便、便于攜行，為部隊(duì)?wèi)?zhàn)前或維護(hù)保障時(shí)快捷綜合測(cè)試導(dǎo)彈發(fā)射車功能和性能提供了支撐手段，同時(shí)也能用于工廠的生產(chǎn)調(diào)試和檢驗(yàn)驗(yàn)收過(guò)程，可以極大地提高導(dǎo)彈發(fā)射車的生產(chǎn)與部隊(duì)保障能力。

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