基于BIT 某型導(dǎo)彈測(cè)試設(shè)備故障診斷研究與實(shí)現(xiàn)

仲 超,王 茜,楊 雷,楊立安,張 冬

(1.中國(guó)人民解放軍空軍勤務(wù)學(xué)院航空彈藥系,江蘇 徐州221000;2.中國(guó)人民解放軍駐中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院軍事代表室,河南 洛陽(yáng)471000;3.解放軍94906部隊(duì),江蘇 蘇州215000)

0 引 言

BIT技術(shù)[1]又稱機(jī)內(nèi)測(cè)試技術(shù),是現(xiàn)階段較為流行的測(cè)試技術(shù),具備廣泛的應(yīng)用前景。BIT技術(shù)可應(yīng)用在航天、航空、電子等領(lǐng)域,導(dǎo)彈測(cè)試過(guò)程也可應(yīng)用該型技術(shù)。隨著技術(shù)發(fā)展,測(cè)試設(shè)備將更精細(xì)化,其維修性要求必然隨之提高,因此針對(duì)某型導(dǎo)彈測(cè)試模塊應(yīng)用BIT技術(shù),以實(shí)現(xiàn)其故障診斷,將提高設(shè)備維修性,縮短設(shè)備維修時(shí)間。

目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)BIT技術(shù)的研究已經(jīng)取得較為顯著的成果。Kerry·Westervelt在其文章《F/A-18D(RC)Built-in Test False Alarms》中講到,BIT技術(shù)的缺陷在于虛警[2],而解決這一問(wèn)題需要綜合專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊理論,從而開(kāi)發(fā)智能BIT技術(shù)。Daniel R在其文章《Predicting and eliminating built-in test falsealarm》中也提出BIT技術(shù)缺陷的彌補(bǔ)可以采用人工智能[3]方法,使得系統(tǒng)可靠性上升。我國(guó)BIT技術(shù)雖然起步較晚,但是也已經(jīng)初具規(guī)模。楊光在其文章《機(jī)電產(chǎn)品BIT系統(tǒng)傳感層降虛警理論與技術(shù)研究》中提出建立BIT系統(tǒng)層級(jí)模型,根據(jù)數(shù)據(jù)流向,逐層降低虛警概率的方法。隨著國(guó)內(nèi)人員研究的深入,BIT技術(shù)在我國(guó)的應(yīng)用必然更加成熟,更加廣泛。

1 基于BIT故障診斷模型

基于BIT的故障診斷模塊是測(cè)試設(shè)備的子模塊,起到監(jiān)測(cè)、預(yù)警、診斷和定故的作用,故障診斷模型如圖1所示。

圖1 BIT故障診斷模型

基于BIT的故障診斷模型由4個(gè)部分組成,分別為監(jiān)測(cè)部分、預(yù)警部分、診斷部分和定故部分。監(jiān)測(cè)部分通過(guò)監(jiān)測(cè)電路對(duì)測(cè)試設(shè)備的電路節(jié)點(diǎn)、線路和組成元件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)有故障時(shí)預(yù)警部分別進(jìn)行節(jié)點(diǎn)預(yù)警、線路預(yù)警和元件預(yù)警;然后診斷部分對(duì)三部分進(jìn)行診斷,確定是否真的有故障;最后定故部分根據(jù)診斷結(jié)果,綜合分析,確定故障位置和故障類型。定故部分需要配合軟件實(shí)現(xiàn),本文主要對(duì)診斷模塊的硬件進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 BIT電路設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)與診斷電路

監(jiān)測(cè)與診斷電路主要通過(guò)電路節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)和診斷來(lái)確定故障,節(jié)點(diǎn)故障、線路故障和元件故障都可最終化為電路節(jié)點(diǎn)問(wèn)題,線路與元件兩端可視為特殊節(jié)點(diǎn),可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)與診斷。本文設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)與診斷電路還具有一定程度上的調(diào)控功能,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)與診斷電路

圖2 電路由四部分組成,一是與節(jié)點(diǎn)連接的測(cè)量電橋,這里的節(jié)點(diǎn)用2個(gè)小電壓中頻交流電源代替。R1、R2、R3和R13構(gòu)成測(cè)量電橋,節(jié)點(diǎn)的電壓或電流變化經(jīng)過(guò)電橋轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢暤碾妷翰钭兓?為了使電流穩(wěn)定,這里使用了穩(wěn)壓管D1達(dá)到穩(wěn)定電壓進(jìn)而穩(wěn)定電流的目的,使測(cè)量電橋達(dá)到平衡。

二是由一塊AD629AR放大器[4]組成的差模電壓放大器,將電橋輸出的毫伏級(jí)電壓轉(zhuǎn)變?yōu)榉?jí),其與周圍電路組成的差動(dòng)放大電路將測(cè)量電橋輸出電壓ΔU按比例放大,其輸出電壓為:

若R4=R5,R7+RV2=R6,則可得如下輸出電壓:

RV3用于差動(dòng)放大器的調(diào)零,差動(dòng)放大器的輸出電壓取決于2個(gè)輸入電壓之差以及外部電阻之比。

三是AD8541AKS組成的滯回比較器[5],其控制精度由滯回比較器的帶寬決定,可以通過(guò)改變其比較電壓來(lái)改變控制范圍。若設(shè)比較器輸出高電平為U0h,輸出低電平為U0l,反相輸入端加有參考電壓Ur,同相輸入端輸入電壓為ui,則當(dāng)輸出為高電平時(shí),運(yùn)放同相輸入端電位為:

若ui按正弦波形式變化,即由高到低,再由低到高,其輸入輸出電平皆可由式(3)和式(4)類比推導(dǎo)。

四是由2N2 222 A三極管[6]構(gòu)成的放大器,便于有外置電路時(shí),作為輸出。

2.2 預(yù)警電路

預(yù)警電路用于故障時(shí)預(yù)警,由于BIT存在一定的虛警概率,因此沒(méi)有辦法做到完全消除虛警影響。這里通過(guò)采用較為適合的電路設(shè)計(jì)方案減少BIT虛警概率,預(yù)警電路如圖3所示。

本文所設(shè)計(jì)的預(yù)警電路由三部分組成:一是文式振蕩器[7],包括帶負(fù)反饋的放大器和選頻網(wǎng)絡(luò)Z1、Z2。如圖3所示,令則可得表達(dá)式:

圖3 預(yù)警電路

因此取R1=R2=1.6 kΩ,C1=C2=10 n F,R3=4 kΩ,R4=8.45 kΩ,可以滿足以上要求。

二是功放模塊。采用的是甲乙類功率放大器[8],其具備的偏置電路能克服乙類交越失真。圖中Q1和Q2構(gòu)成互補(bǔ)輸出,處于靜態(tài)時(shí),D1和D2產(chǎn)生壓降,該壓降為Q1和Q2提供合適的偏壓,使得Q1和Q2微導(dǎo)通,其輸出功率為:

式中:U0為輸出電壓有效值;I0為輸出電流有效值;Rl為負(fù)載電阻,其最大輸出功率為:

在設(shè)計(jì)時(shí)采用圖3中所示的設(shè)定參數(shù),計(jì)算可得最大輸出功率為3.5 W,大于驅(qū)動(dòng)喇叭的功率,能滿足驅(qū)動(dòng)要求。

三是電壓比較器及控制電路,用于比較輸入信號(hào)和參考電壓。參考電壓加在運(yùn)放的反相輸入端,輸入信號(hào)加在同相輸入端。運(yùn)放此時(shí)處于開(kāi)環(huán)工作狀態(tài),開(kāi)關(guān)電壓增益很高,具備一定的控制作用。

3 降虛警方案

降虛警主要利用BIT技術(shù)中的冗余技術(shù)對(duì)診斷結(jié)果進(jìn)行故障表決,根據(jù)表決減少虛警率。方案包括三大部分:一是軟件具備智能BIT診斷功能;二是硬件的合理選型降低虛警率;三是仿真工作需完善。其方案如圖4所示。

圖4 降虛警方案

4 仿真分析

4.1 監(jiān)測(cè)與診斷電路仿真

監(jiān)測(cè)與診斷電路仿真主要針對(duì)能否正確監(jiān)測(cè)并診斷故障,在于表頭能否正確反映電路狀況,通過(guò)電壓表的示數(shù),可以推導(dǎo)出節(jié)點(diǎn)的電壓情況。仿真時(shí),分別使用有效值為0.001 m V和0.003 m V的交流電源,代表一個(gè)節(jié)點(diǎn)的2個(gè)時(shí)刻電壓變化值,用于仿真故障信號(hào)來(lái)源,仿真示數(shù)如圖5所示。

圖5 電壓表示數(shù)

3個(gè)表示數(shù)為U1、U2、U3。先計(jì)算U3,U3即u+h,依據(jù)式(3)可計(jì)算得:

圖4中U3示數(shù)為11.537 V,在誤差允許范圍內(nèi)。再計(jì)算U1,U1即放大器輸出壓降值,其值為:

圖4中U1示數(shù)為-8.709 V,在誤差允許范圍內(nèi)。圖中U2為參考電壓,通過(guò)手動(dòng)設(shè)定,無(wú)法通過(guò)計(jì)算獲得。根據(jù)U1和U3的理論值及實(shí)際值的比較結(jié)果,可得兩者的相對(duì)誤差分別為0.08%和0.05%,可以忽略不計(jì),因此判定仿真通過(guò),電路可行。

4.2 預(yù)警電路仿真

預(yù)警電路仿真主要針對(duì)喇叭的工作情況,這里使用喇叭而非蜂鳴器[9]是為了更好地觀測(cè)仿真結(jié)果,通過(guò)示波器觀測(cè)喇叭的工作狀態(tài),仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 預(yù)警電路仿真圖

如圖6所示,示波器顯示節(jié)點(diǎn)電壓峰值UM為2.75 V,其有效值UI為1.95 V。功放模塊輸出電流與比較器模塊輸出電流通過(guò)三極管作用構(gòu)成示波器的2個(gè)通道,而示波器2個(gè)通道的電流差值可以忽略不計(jì),因此可認(rèn)為兩通道輸入電流相等,計(jì)算功放模塊輸出電流較為困難,因此計(jì)算比較器模塊輸出電流。比較器模塊輸出電流為:

三極管放大倍數(shù)為1 000,因此通道電流為1.6 A,即示波器輸入電流為1.6 A。由于示波器輸入電壓為1.95 V,計(jì)算可得示波器驅(qū)動(dòng)功率為3.12 W。由于驅(qū)動(dòng)功率與喇叭驅(qū)動(dòng)功率一致,因此喇叭驅(qū)動(dòng)功率為3.12 W。喇叭額定功率為3 W,相對(duì)誤差為:

由于驅(qū)動(dòng)功率大于額定功率,4%的誤差可以滿足要求,因此判定仿真通過(guò),電路可行。

5 結(jié)束語(yǔ)

BIT技術(shù)的不斷成熟可以使機(jī)內(nèi)測(cè)試這一方式得到廣泛應(yīng)用,超大規(guī)模集成電路的迅猛發(fā)展為BIT技術(shù)提供了十分廣闊的硬件平臺(tái)。BIT技術(shù)不光可以在測(cè)試方面應(yīng)用,還可以用于其他方面,例如診斷、監(jiān)測(cè)、預(yù)警等。本文基于BIT技術(shù)設(shè)計(jì)了故障診斷模塊,但還有所欠缺,隨著技術(shù)發(fā)展,智能BIT[10]必然會(huì)逐漸流行。