一種筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)設(shè)計

王 鑫, 陳 川

(1.上海機電工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109)

一種筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)設(shè)計

王 鑫1, 陳 川2

(1.上海機電工程研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109)

為了測試人員能在平時使用模擬器系統(tǒng)進行測試訓練;設(shè)計并實現(xiàn)了一種筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)，對該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計，給出了資源配置框圖，根據(jù)任務需求確認了筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)的硬件設(shè)計原理和軟件設(shè)計流程，該系統(tǒng)能對筒彈基本電氣性能和測試接口進行模擬，通過操作故障模擬器軟件，選擇相應的故障類型，并通過網(wǎng)線，將所選故障類型相對應的指令發(fā)送到主控插箱，主控插箱依據(jù)所選故障進行操作，將測試結(jié)果通過測試電纜輸出到筒彈測試設(shè)備，實現(xiàn)模擬筒彈正常測試項目和模擬筒彈測試故障等功能，應用結(jié)果表明，該系統(tǒng)運行可靠，各項功能及技術(shù)指標均符合設(shè)計要求;可以有效地對測試人員進行基礎(chǔ)訓練，故障診斷與排除訓練，有效地提高了測試人員工作效率，很好的完成測試人員對筒彈測試的操作訓練任務。

筒彈測試；模擬器；系統(tǒng)

0 引言

隨著筒彈技術(shù)的迅速發(fā)展，相應的筒彈模擬技術(shù)也在日益更新，筒彈模擬技術(shù)是獲取筒彈狀態(tài)參數(shù)的有效手段，事實上，筒彈工程的需求推動筒彈模擬技術(shù)的發(fā)展，而仿真模擬技術(shù)的發(fā)展反過來也大大促進筒彈工程的進度。筒彈模擬技術(shù)在筒彈工程中占有重要的地位，傳統(tǒng)的筒彈系統(tǒng)的組成極其復雜，開發(fā)難度較大，使用時限制條件較多，它需要大量的傳感器，電路電纜及復雜的地面檢測設(shè)備來共同完成。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，當前，用于模擬筒彈工作性能的筒彈模擬器技術(shù)受到了極大的重視，筒彈模擬器可以用于戰(zhàn)時或日常訓練中的檢測和仿真，判定筒彈測試設(shè)備工作狀態(tài)是否正常，它可以替代真實筒彈的危險性實驗以及高成本消耗實驗。筒彈模擬器可以應用于筒彈研發(fā)、生產(chǎn)和測試整個生命周期中，從而提高研發(fā)測試的效率和安全性，節(jié)約工作成本。

筒彈模擬器向來都是各國武器系統(tǒng)研制的重要組成部分，美國導彈出口還把它作為必不可少的配置裝備，例如美國為阿聯(lián)酋提供的1000套反坦克導彈，就同時提供了100套命令發(fā)射裝置和1000套模擬裝置，美國海軍正在安裝由AAI公司研制的艦載海軍模擬器/模擬雷達武器系統(tǒng)訓練器；俄羅斯開展的“無風-1”艦載防空導彈系統(tǒng)模擬訓練器是一套硬件程序訓練系統(tǒng)，以便訓練戰(zhàn)士技術(shù)維護和操作，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的訓練模擬器已經(jīng)進入使用階段。我國的筒彈模擬技術(shù)比較落后，有的還在使用實物測試訓練或?qū)嵨锬M，代價相當昂貴。因此，研制一種筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)，不僅能夠模擬筒彈各項功能指標，還可以模擬筒彈測試故障以便于測試人員的訓練，提高正式筒彈研制效率和開發(fā)的安全性，節(jié)約了實際筒彈測試的巨大成本。

1 系統(tǒng)設(shè)計原則及原理

1.1 系統(tǒng)設(shè)計原則

充分利用計算機資源，簡化設(shè)計電路，降低設(shè)備故障發(fā)生概率，提高設(shè)備精度指標。

綜合優(yōu)化設(shè)計和模塊設(shè)計，降低生產(chǎn)難度，便于使用和維修。

采用成熟控制技術(shù)，元器件和生產(chǎn)工藝，降低研制難度和風險。

產(chǎn)品設(shè)計采用成熟技術(shù)，借鑒以往測試設(shè)備的設(shè)計經(jīng)驗，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的更優(yōu)化和經(jīng)濟性。

結(jié)構(gòu)設(shè)計采用便攜式機箱設(shè)計，以積木化、小型化、輕便化的“三化”原則進行產(chǎn)品的設(shè)計。

1.2 系統(tǒng)原理

筒彈測試故障模擬器能夠精確地對筒彈電氣接口信號進行模擬，主要實現(xiàn)模擬筒彈測試項目和模擬筒彈測試故障等功能，該系統(tǒng)與筒彈測試設(shè)備一起完成測試操作訓練，為判斷筒彈測試裝備的技術(shù)狀態(tài)提供依據(jù)，為研制及測試過程提供便捷的手段，為測試人員訓練做好相應的技術(shù)支持。筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)主要包括：主控插箱、自檢插箱、顯控組合、電纜、故障模擬器軟件。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)

筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)中，將故障模擬器軟件灌裝在顯控組合中，顯控組合引出一根網(wǎng)線接到控制系統(tǒng)機箱上的零槽位置，用戶通過顯控組合操作故障模擬器軟件，通過故障模擬器軟件選擇相應的故障類型，將所選故障類型相對應的指令發(fā)送到主控插箱，主控插箱依據(jù)所選故障進行操作，將測試結(jié)果通過測試電纜輸出到筒彈測試設(shè)備，筒彈測試設(shè)備依據(jù)顯示操作結(jié)果判斷故障類型。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件采用模塊化設(shè)計，在滿足任務要求的前提下，力求設(shè)計簡捷，便于使用和運輸，該系統(tǒng)主要由主控插箱、自檢插箱、顯控組合組成，如圖2所示。

圖2 筒彈測試故障模擬器硬件示意圖

2.1 主控插箱

主控插箱主要負責提供筒彈故障測試的電氣接口，模擬輸出筒彈故障測試所需的信號電阻負載以及測試信號等。主控插箱主要由控制系統(tǒng)、火工品故障模擬模塊、無源電阻故障模擬模塊和發(fā)動機安全裝置故障模擬模塊等組成。

2.1.1 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是主控插箱的核心，選用美國NI公司的CompactRIO(簡稱CRIO)機箱和控制器，帶實時操作系統(tǒng)和FPGA背板，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和準確的實時控制功能，本系統(tǒng)NI CompactRIO嵌入式測控平臺為工業(yè)與嵌入式控制應用提供所需的高性能與高可靠性以及自定制的靈活性。CompactRIO提供了一個開放的嵌入式架構(gòu)，包含內(nèi)置的嵌入式控制器、實時操作系統(tǒng)、可編程FPGA以及小型、堅固且可熱插拔的工業(yè)I/O模塊，可以快速實現(xiàn)測量與控制系統(tǒng)的自定義設(shè)計、原型及發(fā)布。

本系統(tǒng)機箱采用cRIO-9112機箱，共8個插槽安裝各模塊卡；配置嵌入式控制器cRIO-9025控制各模塊運行；模擬輸出模塊卡NI-9264模擬16通道輸出±10 V；2塊數(shù)字I/O模塊卡NI-9403是一款32通道，10 μs的雙向數(shù)字輸入/輸出模塊，每條通道都兼容5 V/TTL信號，并具有I/O通道和背板間1000 V瞬態(tài)隔離，還具有±30 V過壓保護和每通道高達2 mA的源電流；串口通訊模塊卡NI-9871配置4串口的RS-422，支持標準的起始位、停止位和握手設(shè)置，并具有每端口高達3.684 Mbaud的波特率模塊和CompactRIO之間的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1.28 Mb/s。 其中，模擬輸出模塊主要提供彈上的信號等；數(shù)字I/O模塊1主要控制火工品電路、無源電阻電路中繼電器的通斷；數(shù)字I/O模塊2主要控制電源負載、發(fā)動機安全驅(qū)動裝置中繼電器的通斷；串口通訊模塊主要模擬與彈上的422通訊。從中可以看出，控制系統(tǒng)配置多塊模塊卡和1塊嵌入式控制器，對于模塊卡通道數(shù)量在使用時留有余量設(shè)計，各模塊卡功能的實現(xiàn)通過故障模擬器軟件來實現(xiàn)。該配置能滿足筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)的需求。

2.1.2 火工品故障模擬模塊

火工品故障模擬模塊的功能是在筒彈火工品導通測試時模擬故障的筒彈火工品電阻信號。故障模擬方式是在各火工品信號電路回路中分別串入繼電器，通過數(shù)字I/O模塊控制繼電器的通斷來模擬故障。

2.1.3 無源電阻故障模擬模塊

無源電阻故障模擬模塊的功能是在筒彈無源導通測試時模擬故障的筒彈靜態(tài)電阻故障模擬方式，是在各無源電阻信號電路回路中分別串入繼電器，通過數(shù)字I/O模塊控制繼電器的通斷來模擬故障，筒彈火工品電阻和無源電阻模擬模塊電路如圖3所示。

2.1.4 發(fā)動機安全裝置故障模擬模塊

發(fā)動機安全裝置故障模擬模塊的功能通過控制繼電器來模擬發(fā)動機安全驅(qū)動裝置的故障。通過在解除保險指令與保險回答之間、保險指令與解除保險回答之間串入繼電器來模擬發(fā)動機安全驅(qū)動裝置故障。

2.2 自檢插箱

在使用筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)前，應進行設(shè)備自檢，確保故障模擬器系統(tǒng)處于正確的工作狀態(tài)。自檢插箱主要完成對本故障模擬器系統(tǒng)自檢，使用測試電纜分別連接主控插箱上的插座和自檢裝置上的插座，可手動檢測本故障模擬器系統(tǒng)輸出信號是否正確。

2.3 顯控組合

顯控組合主要由一體式鍵盤鼠標顯示器和控制計算機兩部分組成。用于人機操作、顯示信息等。

3 軟件編程方法

圖3 筒彈火工品電阻和無源電阻模擬模塊電路

筒彈測試故障模擬器軟件作為故障模擬器系統(tǒng)的重要組成之一，主要由通訊控制，信號輸出控制和人機交互界面共三部分組成。通訊控制主要是根據(jù)與筒彈測試設(shè)備軟件之間的422通訊協(xié)議，完成與筒彈測試設(shè)備軟件的通訊往來；信號輸出控制主要是控制模擬信號的輸出，使筒彈測試設(shè)備軟件能適時采集到模擬信號；人機交互界面主要用于設(shè)置筒彈測試故障。在確保完成故障模擬器的全部功能的基礎(chǔ)上，為使筒彈測試故障模擬器軟件具有較高的健壯性、靈活性和較好的適應性。操作系統(tǒng)選用Microsoft Windows XP/SP2,該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，為測試軟件提供良好的運行平臺。軟件編程環(huán)境為NI LabVIEW Real-Time以及FPGA,開發(fā)工具選用LabVIEW 2010。LabVIEW為圖形化的虛擬儀器開發(fā)平臺，被公認是標準的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件，提供了信號處理，串口控制等多功能模塊，具有良好的用戶界面編輯功能，大大提高了編程速度。軟件按照功能劃分為模擬筒彈測試項目和模擬筒彈測試故障兩部分。模擬筒彈測試項目部分主要根據(jù)筒彈的測試項目進行軟件模擬，模擬筒彈測試故障部分主要根據(jù)故障設(shè)置要求，進行軟件實現(xiàn)，具備人機操作界面，如圖4所示。

圖4 故障模擬器軟件設(shè)計圖

3.1 火工品導通項目模擬

模擬筒彈正常測試功能時，故障模擬器軟件控制數(shù)字I/O模塊使繼電器保持吸合狀態(tài)，軟件正常測試；模擬筒彈測試故障時，故障模擬器軟件控制數(shù)字I/O模塊使繼電器斷開，實現(xiàn)多路火工品信號開路故障。

3.2 無源檢查項目模擬

模擬筒彈正常測試功能時，故障模擬器軟件控制數(shù)字I/O模塊使繼電器保持吸合狀態(tài)，軟件正常測試；模擬筒彈測試故障時，故障模擬器軟件控制數(shù)字I/O模塊使繼電器斷開，實現(xiàn)多路無源信號開路故障。

3.3 驅(qū)動裝置檢查項目模擬

模擬筒彈正常測試功能時，故障模擬器軟件控制數(shù)字I/O模塊使繼電器保持吸合狀態(tài)，軟件正常測試；模擬筒彈測試故障時，故障模擬器軟件控制數(shù)字I/O模塊使繼電器斷開，實現(xiàn)驅(qū)動裝置信號故障。

3.4 信號2檢查項目模擬

模擬筒彈正常測試功能時，故障模擬器軟件控制模擬輸出模塊實現(xiàn)信號2輸出，輸出指標應滿足正常指標的要求；模擬筒彈測試故障時，故障模擬器軟件控制模擬輸出模塊實現(xiàn)信號2輸出，輸出指標范圍不滿足正常指標的要求。

3.5 計算機測試項目模擬

模擬筒彈正常測試功能時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊實現(xiàn)與計算機測試項目的通訊，并給出正確計算機自檢數(shù)據(jù)；模擬筒彈測試故障時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊實現(xiàn)與計算機測試項目的通訊，并給出計算機自檢故障數(shù)據(jù)。

3.6 直波截獲功能檢查項目模擬

模擬筒彈正常測試功能時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊和模擬輸出模塊實現(xiàn)與直波截獲功能檢查項目的通訊，同時控制信號正確輸出；模擬筒彈測試故障時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊和模擬輸出模塊實現(xiàn)與直波截獲功能檢查項目的通訊，同時控制信號按故障狀態(tài)輸出。

3.7 解碼特性檢查項目模擬

模擬筒彈正常測試功能時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊實現(xiàn)與模擬解碼特性檢查項目的通訊，并能給出正確的解碼信息數(shù)據(jù)；模擬筒彈測試故障時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊實現(xiàn)與模擬解碼特性檢查項目的通訊，并能給出故障的解碼信息數(shù)據(jù)。

3.8 預定精度檢查項目模擬

模擬筒彈正常測試功能時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊和模擬輸出模塊實現(xiàn)與預定精度檢查項目的通訊，同時控制信號的正確輸出；模擬筒彈測試故障時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊和模擬輸出模塊實現(xiàn)與預定精度檢查項目的通訊，同時控制信號的故障輸出。

3.9 慣測裝置測試項目模擬

模擬筒彈正常測試功能時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊實現(xiàn)與慣測裝置靜態(tài)測試項目的通訊，并能給出正確的慣測測試數(shù)據(jù)值；模擬筒彈測試故障時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊實現(xiàn)與慣測裝置靜態(tài)測試項目的通訊，并能給出故障的慣測測試數(shù)據(jù)值。

3.10 慣導系統(tǒng)測試項目模擬

模擬筒彈正常測試功能時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊實現(xiàn)與慣導系統(tǒng)靜態(tài)測試項目的通訊，并能給出正確的靜態(tài)位移量數(shù)據(jù)；模擬筒彈測試故障時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊實現(xiàn)與慣導系統(tǒng)靜態(tài)測試項目的通訊，并能給出故障的靜態(tài)位移量數(shù)據(jù)。

3.11 準備程序測試項目模擬

模擬筒彈正常測試功能時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊實現(xiàn)與準備程序測試項目的通訊，并能給出正確信息數(shù)據(jù)；模擬筒彈測試故障時，故障模擬器軟件控制串口通訊模塊實現(xiàn)與準備程序測試項目的通訊，并能給出非正確信息數(shù)據(jù)。

設(shè)計完成的筒彈測試故障模擬器軟件操作簡單，功能完備，界面友好,用戶體驗方便簡單，軟件配合筒彈測試故障模擬器硬件可實現(xiàn)模擬筒彈正常測試項目和模擬筒彈測試故障等功能，如圖5所示。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)通過了具體型號驗證，完成了驗收測試工作。測試結(jié)果表明：研制的筒彈測試故障模擬器系統(tǒng)能夠穩(wěn)定可靠運行，各項功能及技術(shù)指標均符合設(shè)計要求?？梢院芎玫赝瓿赏矎棞y試設(shè)備操作手對筒彈測試的操作訓練，對我國國防建設(shè)具有重要意義。

圖5 筒彈測試故障模擬器軟件示意圖

[1] 江 維.某導彈便攜式測試系統(tǒng)的研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2012.

[2] 吳蘊軒.導彈校準系統(tǒng)的研究[D].西安:西安電子科技大學,2006.

[3] 張志峰.導彈模擬器通用開發(fā)平臺研制[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2013.

[4] 胡永紅,楚亞菲,丁 璐.小型飛行器綜合測試系統(tǒng)方案設(shè)計[J].計算機測量與控制,2008,16(8):1062-1064.

Design of MIT Test Break Down Simulator System

Wang Xin2, Chen Chuan2

(1.Shanghai Electro-Mechanical Engineering Institute,Shanghai 201109,China； 2.Shanghai Academy of Spaceflight Technology,Shanghai 201109,China)

In order to test personnel in the usual use of the simulator system for testing and training. A turbo test fault simulator system was designed and implemented, the structure of the system is designed, gives the resource allocation block diagram, according to the task needs to confirm the cartridge test fault simulator system hardware design principles and software design process, the system simulates the basic electrical performance and test interface of the cartridge, by operating the fault simulator software, select the appropriate fault type, through the network cable, send the corresponding fault type command to the master box, the master box operates according to the selected fault, the test results are output to the cartridge test equipment via the test cable, realize the function of simulating the normal test item of the cartridge and simulating the failure of the cartridge test, the application results show that the system is reliable, the functional and technical indicators are in line with design requirements. It can effectively carry out basic training for testers, troubleshooting and eliminate training, it improves the efficiency of the test staff effectively, a good completion of the test personnel on the cartridge test operation training tasks.

MIT test; simulator; system

2017-02-12；

2017-03-12。

王 鑫(1984-),男，上海人，大學，主要從事導彈測試測量與故障診斷方向的研究。

1671-4598(2017)08-0020-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.08.006

TP273

A