基于嵌入式技術(shù)的火箭掃雷車發(fā)火系統(tǒng)檢測儀設(shè)計

張 宏， 公丕平， 趙立強， 楊小強

（1.陸軍工程大學(xué)， 江蘇 南京 210007； 2.空軍第四飛行學(xué)院， 河北 石家莊 050071）

引言

布掃雷裝備是我軍主要的保障裝備之一，在渡海登島作戰(zhàn)和現(xiàn)代化局部戰(zhàn)爭等作戰(zhàn)行動中起著重要的作用。對布掃雷裝備各個關(guān)鍵系統(tǒng)或部件的故障檢測、現(xiàn)場搶修和緊急代用是提高布掃雷裝備的作戰(zhàn)保障能力的重要環(huán)節(jié)。某型火箭掃雷車發(fā)火系統(tǒng)是該裝備的核心部件，其故障將直接導(dǎo)致裝備效能的發(fā)揮。該車發(fā)火系統(tǒng)的故障涉及到強電、機械和弱電控制等多個環(huán)節(jié)，故障原因復(fù)雜且影響嚴重，而其故障憑經(jīng)驗難以發(fā)現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)故障后也不易維修，本文研制的發(fā)火系統(tǒng)檢測儀可以有效地解決上述難題。

該發(fā)火系統(tǒng)檢測儀是一個檢測、判斷火箭掃雷車發(fā)火系故障；指導(dǎo)維修人員進行故障排除；在作戰(zhàn)訓(xùn)練過程中，出現(xiàn)故障而不易修復(fù)的情況下，可代替發(fā)火器工作的檢測、診斷（專家系統(tǒng)）與代用于一體的多功能綜合檢測設(shè)備。

1 發(fā)火系統(tǒng)故障模式和特征參數(shù)研究

根據(jù)發(fā)火系統(tǒng)的工作原理，可以將發(fā)火器的故障歸類為線路故障和信號故障等兩大類。其中線路故障主要表面為斷路、短路、搭鐵和接觸不良（松脫、臟污、碳化等），而信號故障則表現(xiàn)為電壓過低、功率不足、通道信號間隔過小、間隔不勻、信號次序混亂等現(xiàn)象。因此，我們選擇了點火信號的功率、信號脈沖寬、信號時序、各通道信號間隔、和觸發(fā)信號的上升斜率等5個參數(shù)做為檢測參數(shù)，并確定了故障存在的部位分布于蓄電池、電磁機構(gòu)、配電裝置、航空插頭、發(fā)射插座、發(fā)射按鈕、傳輸電纜等處。

2 檢測儀功能與組成

該發(fā)火系統(tǒng)檢測儀主要用于對火箭掃雷車點火器性能進行評估，必要時可以代用發(fā)火器進行火箭發(fā)射。該檢測儀提供簡易模式和專家模式兩種工作方式，既可以方便地進行現(xiàn)場發(fā)射模擬檢測，也可以實時傳輸發(fā)火器工作信號，通過圖形界面的專家系統(tǒng)全面直觀地反映發(fā)火器的工作狀況，對發(fā)火器性能進行準(zhǔn)確評價。

檢測儀為嵌入式系統(tǒng)[1-2]，由基于多微處理器的硬件系統(tǒng)和基于專家系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)組成。硬件由微處理器、輸入/輸出設(shè)備、顯示設(shè)備、存儲設(shè)備組成基本的智能處理系統(tǒng)，通道選擇陣列和顯示陣列與具體的發(fā)射通道相對應(yīng)，用于信息的復(fù)合顯示。輸出陣列用于代用輸出。功率檢測陣列用于檢測各通道的功率輸出功能，內(nèi)部顯示陣列用于本系統(tǒng)的內(nèi)部診斷，與實際輸入信號對應(yīng)。軟件系統(tǒng)內(nèi)置了專家系統(tǒng)，以實現(xiàn)系統(tǒng)代用、系統(tǒng)診斷和排障向?qū)?。檢測儀的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 發(fā)火系統(tǒng)故障檢測儀組成

3 檢測儀的硬件設(shè)計

3.1 嵌入式主控制電路設(shè)計

主控制電路由2片STC12C5A60S2單片機、128KB外部擴展RAM、LCD顯示器、導(dǎo)航按鍵（用戶指令輸入鍵盤）等組成。STC12C5A60S2是宏晶電子的新一代1T單片機，指令速度可達35 MHz，相當(dāng)于普通12周期單片機的420 MHz的處理能力，含有最多44個IO通道、2路PWM、2個串行口和8路10位AD轉(zhuǎn)換通道，AD轉(zhuǎn)換速度可達250 kbit/s，還具有內(nèi)部EEPROM?？紤]到本系統(tǒng)的實際資源需要，采用了2片單片機用串行口實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速交換。系統(tǒng)外擴了128 kB RAM用于存放大量的采樣數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用7寸真彩液晶屏界面顯示[3-4]。

3.2 發(fā)火信號采樣電路

圖2是通道0和通道1的信號采集與功率輸出電路。數(shù)據(jù)采樣電路由功率檢測電路、內(nèi)部通道指示電路和單片機內(nèi)部的AD采樣功能共同構(gòu)成。功率檢測電路提供47Ω1 W的負載電阻，如圖2中的R230和R231，發(fā)火器的點火信號通過適配器電纜接AD0和AD1端口，在R230的R231功率電阻上產(chǎn)生壓降，完成電壓變換功能。此電壓信號通過R220和R221分別輸入到IO0、IO1等，最后送入嵌入式微控制器內(nèi)置AD中，微控制器就可得到能反映發(fā)火器系統(tǒng)的負載條件下實際情況的狀態(tài)信號，并對其進行高速采樣。內(nèi)部通道指示電路實時地顯示外部信號的輸入情況，便于檢測儀的系統(tǒng)維護。其他8個通道的電路原理與圖2相同。

圖2 信號采樣與功率輸出電路

3.3 代用輸出電路

代用輸出電路由通道選擇陣列、功率輸出陣列和單向輸出陣列組成。通道選擇與具體的發(fā)射通道相對應(yīng)，用戶可以選擇相應(yīng)的發(fā)射通道。功率輸出陣列由MC33286、D201及外圍電路組成（見圖2）?？紤]到火箭發(fā)射是一個瞬態(tài)大功率的過程，因此采用功能通過6 A的寬電壓芯片MC33286實現(xiàn)。它是一種車用雙邊功率開關(guān)，可以直接與微控制器連接，控制由蓄電池提供的大功率點火電流信號。與機械式繼電器相比，具有可靠性高、保護性好和自診斷能力強等特點，能反饋自身各通道的狀態(tài)，滿足火箭發(fā)射的安全需要。單向輸出陣列實現(xiàn)了檢測與代用信號的隔離，既保護了MC33286芯片，又實現(xiàn)了端子的利用，縮小了系統(tǒng)體積。圖2中的二極管D201和D200完成單向輸出和保護的功能。

3.4 通道顯示電路

通道顯示電路與具體通道相對應(yīng)，在代用的通道選擇階段用于顯示操作人員所選擇的通道，在發(fā)射階段顯示具體通道發(fā)射的完成，在檢測時用于顯示對應(yīng)的通道是否有電壓存在。考慮到實際使用情況，在顯示中采取了高亮發(fā)光二極管以便于能在強光或暗光下作業(yè)。發(fā)光二極管的驅(qū)動由達林頓陣列芯片驅(qū)動，保證了顯示的穩(wěn)定與可靠性。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 軟件系統(tǒng)功能

1）安全可靠的數(shù)據(jù)通信。即能夠正確地接收檢測儀發(fā)送的各種數(shù)據(jù)，并能準(zhǔn)確地向檢測儀發(fā)送各種命令。

2）基于發(fā)火原理的分析算法。能夠?qū)魉蛠淼姆从嘲l(fā)火器工作情況的數(shù)據(jù)進行合理分析，得出指導(dǎo)性的結(jié)論。

3）基于數(shù)據(jù)庫的向?qū)?。在發(fā)火器工作出現(xiàn)異常時，能夠?qū)Τ霈F(xiàn)的異常情況做出合理判斷，并給出指導(dǎo)性的操作方向。

4）實時的信息顯示。能夠正常反映通信情況，便于檢測人員正確判斷。

5）單通道詳細信息統(tǒng)計。能夠顯示單通道波形，給出發(fā)射信號起始時刻、發(fā)射信號終止時刻、發(fā)射脈沖個數(shù)、發(fā)射信號寬度、主信號寬度、上通道發(fā)射結(jié)束時刻、與上通道發(fā)射間隔、下通道發(fā)射結(jié)束時刻、與下通道發(fā)射間隔、同時發(fā)射的通道數(shù)目等10個參數(shù)的統(tǒng)計信息，便于檢測人員做出正確判斷。

6）全通道波形顯示。將10個通道的波形顯示在同一坐標(biāo)中容易理清它們間的相互關(guān)系。

4.2 軟件設(shè)計方案

按照軟件功能要求，設(shè)計系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)如下頁圖3所示。

系統(tǒng)實現(xiàn)了2種工作模式（即簡易模式和專家模式）下的工作。在簡易模式下，實現(xiàn)簡單的系統(tǒng)檢測和系統(tǒng)代用；在專家模式下，實現(xiàn)了系統(tǒng)檢測、系統(tǒng)代用、排障向?qū)Ш蛥?shù)管理四個功能[5]。系統(tǒng)檢測實現(xiàn)了對通道數(shù)據(jù)的實時采樣并進行深層次分析，提供各通道的信號參數(shù)和通道間關(guān)系。系統(tǒng)代用則依據(jù)操作者的實際選擇通道完成系統(tǒng)的臨時發(fā)射代用工作。在系統(tǒng)檢測完成后，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作不正常，可以在排障向?qū)У闹敢乱徊讲酵瓿晒收系淖詈蠖ㄎ唬瑤缀蹩梢远ㄎ坏皆?。參?shù)管理用于對系統(tǒng)進行必要的參數(shù)設(shè)置，如各種檢測參數(shù)、代用參數(shù)、通信波特率等。

圖3 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.3 系統(tǒng)檢測

系統(tǒng)檢測功能是一個基礎(chǔ)功能，不僅在簡易模式和專家模式中的系統(tǒng)檢測中需要使用，在專家模式中的排障向?qū)е?，也需要調(diào)用其核心模塊[6]。

系統(tǒng)檢測的流程框圖如圖4所示。它實現(xiàn)了系統(tǒng)的定時循環(huán)采樣，并依據(jù)不同的工作模式實現(xiàn)了不同的數(shù)據(jù)處理方案[7]。從圖中可以看出，該功能共分三個階段：檢測準(zhǔn)備、檢測過程和檢測分析。在檢測準(zhǔn)備階段，主要完成系統(tǒng)使用提示、狀態(tài)選擇按鈕位置是否正確以及開始按鍵是否正確按下三項工作。在檢測過程階段，系統(tǒng)采用定時模式即在設(shè)定的時間內(nèi)高速采集各通道信號并進行臨時分析，當(dāng)所采樣的通道滿足電壓條件時即使對應(yīng)的指示燈工作。檢測分析階段主要是對所采集的數(shù)據(jù)進行處理，選擇電壓、脈沖寬度、上升斜率、通道間隔和通道順序5個參數(shù)作為依據(jù)對通道發(fā)射信號質(zhì)量進行綜合評價。

4.4 系統(tǒng)代用

主要用于發(fā)火系統(tǒng)的臨時代用，根據(jù)操作者所選擇的通道依次發(fā)射出對應(yīng)的火箭，也分為三個階段：發(fā)射準(zhǔn)備、發(fā)射和發(fā)射結(jié)束。

發(fā)射準(zhǔn)備階段主要完成選擇開關(guān)檢測和開始按鈕是否按下。在發(fā)射按鈕按下前，系統(tǒng)檢測操作者所選擇的通道并點亮對應(yīng)的通道指示燈。按下開始按鈕后，轉(zhuǎn)入發(fā)射階段。在該階段，首先獲取用戶選擇的全部通道，然后按序號進行發(fā)射并依次熄滅對應(yīng)的通道指示燈。所有選擇的通道發(fā)射完畢后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入發(fā)射結(jié)束狀態(tài)，在該狀態(tài)，系統(tǒng)等待用戶的操作，如在設(shè)定的時間內(nèi)無操作（簡易模式），系統(tǒng)轉(zhuǎn)入下一輪發(fā)射。

圖4 系統(tǒng)檢測流程圖

5 結(jié)語

本文所設(shè)計的故障檢測儀，整體布局設(shè)計協(xié)調(diào)、外形美觀大方、設(shè)備安裝牢固，面板與操作器件直觀易懂、堅固耐用、美觀大方。系統(tǒng)的成功開發(fā)大大減輕了該型車發(fā)火系統(tǒng)的維護工作量，使檢測過程快速有效。同時，它能夠全面把握發(fā)火器性能，使火箭因發(fā)火器性能問題而導(dǎo)致發(fā)射失敗甚至出現(xiàn)危險的情況降至最低。綜合其研制試用過程，此系統(tǒng)著眼于使用對象，突出了產(chǎn)品的智能性與實用性，具有很好的實用價值和推廣應(yīng)用前景。