某型飛機(jī)空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)故障檢測(cè)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

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(海軍航空大學(xué) 青島校區(qū)，山東 青島 266041)

0 引言

某型飛機(jī)空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)作為YJ-××空艦導(dǎo)彈的大功率供電的專(zhuān)用電源，對(duì)空艦導(dǎo)彈系統(tǒng)的可靠性起著重要作用。該型飛機(jī)空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，不與飛機(jī)直流電網(wǎng)系統(tǒng)連接，由火控專(zhuān)業(yè)人員負(fù)責(zé)日常的維護(hù)。空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)主要包括機(jī)上變壓整流器(3、4號(hào))和空艦導(dǎo)彈熔斷器盒，因其拆裝困難，缺乏有效的檢測(cè)手段，在裝備時(shí)間增長(zhǎng)后，元器件的老化等故障問(wèn)題難以得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除。因此，為保證空艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)和訓(xùn)練任務(wù)的完成，及時(shí)發(fā)現(xiàn)空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)可能的故障隱患就顯得十分必要和迫切。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)檢測(cè)儀主要包括硬件和軟件兩部分[1]，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。檢測(cè)儀提供兩套完全相同的檢測(cè)硬件，可同時(shí)對(duì)兩個(gè)供電通道進(jìn)行檢測(cè)。其中控制部分包括嵌入式控制器、嵌入式機(jī)箱、數(shù)字輸入模塊、數(shù)字輸出模塊、觸摸屏的觸摸按鈕和18個(gè)繼電器，模擬負(fù)載部分包括18個(gè)大功率電阻，測(cè)量部分包括電流傳感器和采集模塊，顯示部分包括觸摸屏式計(jì)算機(jī)，電源部分包括直流轉(zhuǎn)換模塊[2]。嵌入式控制器、嵌入式機(jī)箱、數(shù)字輸出模塊和采集模塊構(gòu)成檢測(cè)儀的核心部分。模擬負(fù)載、繼電器和數(shù)字輸出模塊共同構(gòu)成大功率模擬負(fù)載網(wǎng)絡(luò)。檢測(cè)儀的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)主要包括LabVIEW開(kāi)發(fā)系統(tǒng)、LabVIEW RT實(shí)時(shí)開(kāi)發(fā)環(huán)境、LabVIEW FPGA開(kāi)發(fā)環(huán)境和LabVIEW觸摸屏模塊。使用LabVIEW圖形化系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，可在同一個(gè)環(huán)境中編寫(xiě)人機(jī)界面(HMI)和可編程自動(dòng)化控制器(PAC)，這樣可將開(kāi)發(fā)成本降到最小[3]。

圖1 檢測(cè)儀總體結(jié)構(gòu)框圖

空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)檢測(cè)儀首先要提供大功率負(fù)載，經(jīng)大功率負(fù)載通過(guò)空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)的大電流模擬空艦導(dǎo)彈的啟動(dòng)過(guò)程。由于兩枚空艦導(dǎo)彈的最大工作電流達(dá)到110 A，且每枚空艦導(dǎo)彈的啟動(dòng)脈沖寬度較窄，須將多個(gè)大功率負(fù)載并聯(lián)工作，每個(gè)大功率負(fù)載由固態(tài)繼電器控制其接通或斷開(kāi)，大功率負(fù)載和固態(tài)繼電器共同構(gòu)成大功率模擬負(fù)載網(wǎng)絡(luò)，如2所示。通過(guò)固態(tài)繼電器控制大功率負(fù)載的接通或斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)不同大小的負(fù)載電流，大功率負(fù)載的接通或斷開(kāi)的時(shí)刻決定了啟動(dòng)脈沖的寬度。負(fù)載電流由霍爾傳感器感應(yīng)送到嵌入式檢測(cè)平臺(tái)。

圖2 空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)檢測(cè)原理圖

2 設(shè)計(jì)思路

鑒于空艦導(dǎo)彈的啟動(dòng)電流比較大，啟動(dòng)脈沖寬度比較窄，而已裝備部隊(duì)的YJ-××空艦導(dǎo)彈模擬器/訓(xùn)練彈，已經(jīng)有多個(gè)型號(hào)，但它們都只能提供很小的負(fù)載功能，無(wú)法反映該型飛機(jī)空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)滿(mǎn)負(fù)載能力。由此可見(jiàn)，空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)負(fù)載能力的檢測(cè)具有一定的難度和風(fēng)險(xiǎn)。

由于該型飛機(jī)空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)檢測(cè)儀的研制任務(wù)重、時(shí)間緊，且存在很多技術(shù)難點(diǎn)。因此，為避免研制風(fēng)險(xiǎn)，研制過(guò)程必須遵循如下設(shè)計(jì)原則：

2.1 硬件集成原則

1)滿(mǎn)足微秒級(jí)采集和控制的實(shí)時(shí)性要求；

2)滿(mǎn)足快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸需求；

3)滿(mǎn)足外場(chǎng)使用環(huán)境的要求，充分考慮輸入電源、便攜性、耐用性等因素；

4)盡可能采用成熟的產(chǎn)品和技術(shù)，避免自行研制帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)；

5)檢測(cè)儀的通用性要強(qiáng)。

2.2 軟件開(kāi)發(fā)原則

1)滿(mǎn)足微秒級(jí)采集和控制的實(shí)時(shí)性要求；

2)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)平臺(tái)必須是基于Windows的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境；

3)滿(mǎn)足快速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸需求；

4)應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，可靠性要好，安全性要強(qiáng)；

5)人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單。其設(shè)計(jì)思路如圖3所示。

圖3 檢測(cè)儀設(shè)計(jì)思路

3 技術(shù)實(shí)現(xiàn)

3.1 檢測(cè)儀的狀態(tài)劃分

檢測(cè)儀狀態(tài)的合理劃分，可有效控制檢測(cè)儀的狀態(tài)，有利于軟件開(kāi)發(fā)、多人合作、設(shè)計(jì)相互轉(zhuǎn)換之間的信息交換。檢測(cè)儀的軟件整體可劃分為初始化、等待(狀態(tài)1)、低速采集(狀態(tài)2)和高速采集(狀態(tài)3)4種狀態(tài)[4]，各狀態(tài)之間的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖4所示。

圖4 檢測(cè)儀軟件三部分組成及其狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系

3.2 人機(jī)界面布局設(shè)計(jì)

檢測(cè)儀的軟件包括測(cè)量應(yīng)用軟件和顯示應(yīng)用軟件兩部分。由于測(cè)量部分是一個(gè)嵌入式的計(jì)算機(jī)，無(wú)顯示設(shè)備，也就不存在人機(jī)界面。所有的狀態(tài)控制和操作均將通過(guò)以太網(wǎng)在觸摸屏式計(jì)算機(jī)TPC的觸摸屏上進(jìn)行[5]。因此，人機(jī)界面布局設(shè)計(jì)主要是指觸摸屏式計(jì)算機(jī)中顯示應(yīng)用軟件的人機(jī)界面布局設(shè)計(jì)。

人機(jī)操作界面是觸摸屏，其分辨率為800×600，應(yīng)用軟件通過(guò)兩級(jí)畫(huà)面進(jìn)行控制。

檢測(cè)儀啟動(dòng)后，自動(dòng)進(jìn)入啟動(dòng)界面。

啟動(dòng)界面提供“繼續(xù)”、“退出”和“幫助”3個(gè)操作按鈕：

1)“繼續(xù)”：進(jìn)入檢測(cè)界面；

2)“退出”：關(guān)閉觸摸式計(jì)算機(jī)顯示控制軟件，退回。

3)“幫助”：提供幫助功能，設(shè)備功能、物理連接、操作說(shuō)明等。再次點(diǎn)擊，幫助內(nèi)容消失。

檢測(cè)界面和幫助界面均采用標(biāo)簽頁(yè)面形式，具有直觀、方便操作的特點(diǎn)。

3.3 檢測(cè)儀檢測(cè)流程設(shè)計(jì)

依據(jù)實(shí)際的通電過(guò)程和檢測(cè)儀的狀態(tài)設(shè)置，詳細(xì)設(shè)計(jì)檢測(cè)儀各狀態(tài)的具體動(dòng)作，方便編程實(shí)現(xiàn)，總的檢查流程如圖5所示，其中簡(jiǎn)化了雙機(jī)通信的過(guò)程。

圖5 檢測(cè)儀的檢測(cè)過(guò)程設(shè)計(jì)框圖

初始化階段：在測(cè)量應(yīng)用軟件和顯示應(yīng)用軟件運(yùn)行后，首先完成雙機(jī)硬件和軟件的初始化，主要包括采集模塊和數(shù)字輸出模塊的初始化和人機(jī)界面的初始化，服務(wù)器和客戶(hù)端的初始化，并將狀態(tài)設(shè)置為1；

狀態(tài)2：嘗試建立雙機(jī)TCP連接，一旦連接成功，將檢測(cè)儀狀態(tài)設(shè)置為3；

狀態(tài)3：等待加電。實(shí)時(shí)讀取檢查通道的電壓值，判斷是否加電，若沒(méi)有加電，則提示“未加電”，若已加電，實(shí)時(shí)測(cè)量顯示加電電壓，并判斷電壓是否正常。若電壓不在規(guī)定范圍內(nèi)，則提示電壓超差，若正常，則等待用戶(hù)觸發(fā)“開(kāi)始”事件。

“開(kāi)始”事件：用戶(hù)觸發(fā)此事件后，首先判斷檢測(cè)儀是否處于準(zhǔn)備好的狀態(tài)，且檢查通道的電壓正常，兩者滿(mǎn)足要求后方可接入附加負(fù)載和穩(wěn)定負(fù)載，啟動(dòng)計(jì)時(shí)器，將檢測(cè)儀設(shè)置為狀態(tài)4。

狀態(tài)4：實(shí)時(shí)監(jiān)控檢查通道的電壓變化情況，一旦電壓超差，則給出提示“電壓超差”，并斷開(kāi)附加負(fù)載和穩(wěn)定負(fù)載，將檢測(cè)儀設(shè)置為狀態(tài)3。若電壓正常，實(shí)時(shí)測(cè)量判斷啟動(dòng)電流，若正常，則給出提示“啟動(dòng)電流正?！保舫?，則給出提示“啟動(dòng)電流超差”。一旦計(jì)時(shí)器時(shí)間大于規(guī)定的啟動(dòng)時(shí)間，則斷開(kāi)附加負(fù)載，關(guān)閉計(jì)時(shí)器，將檢測(cè)儀設(shè)置為狀態(tài)3。

狀態(tài)5：實(shí)時(shí)監(jiān)控檢查通道電壓和穩(wěn)定電流的變化情況。若電壓超差，則給出提示“電壓超差”。若穩(wěn)定電流超差，則給出提示“穩(wěn)定電流超差”。

“停止”事件：用戶(hù)觸發(fā)此事件后，判斷檢測(cè)儀是否處于模擬啟動(dòng)或模擬穩(wěn)定狀態(tài)，若條件為真，則斷開(kāi)附加負(fù)載和穩(wěn)定負(fù)載，將檢測(cè)儀設(shè)置為狀態(tài)3。

“退出”事件：用戶(hù)觸發(fā)此事件后，不管檢測(cè)儀處于什么狀態(tài)，都斷開(kāi)附加負(fù)載和穩(wěn)定負(fù)載，并關(guān)閉應(yīng)用軟件。

3.4 檢測(cè)儀整體狀態(tài)控制設(shè)計(jì)

為便于編程控制，將檢測(cè)儀的整體工作狀態(tài)分為6個(gè)狀態(tài)[6]，并由3個(gè)事件來(lái)控制，狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖6所示。

圖6 檢測(cè)儀總體狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

檢測(cè)儀可分為6個(gè)工作狀態(tài)：

1)狀態(tài)1：?jiǎn)螜C(jī)狀態(tài)，即cRIO系統(tǒng)與觸摸屏計(jì)算機(jī)TPC尚未完成TCP通信連接；一旦TCP通信連接成功，自動(dòng)轉(zhuǎn)入狀態(tài)2；

2)狀態(tài)2：是指雙機(jī)連接成功，但檢查通道未加電的狀態(tài)，提示“未加電”；一旦檢查通道加電，自動(dòng)轉(zhuǎn)入狀態(tài)3；

3)狀態(tài)3：實(shí)時(shí)監(jiān)控檢查通道的電壓，提示“準(zhǔn)備好”，等待用戶(hù)觸發(fā)“開(kāi)始”事件；

4)狀態(tài)4：模擬啟動(dòng)狀態(tài)，此階段接通附加負(fù)載和穩(wěn)定負(fù)載。當(dāng)計(jì)時(shí)器的計(jì)時(shí)時(shí)間大于啟動(dòng)時(shí)間，自動(dòng)轉(zhuǎn)入狀態(tài)4；

5)狀態(tài)5：模擬穩(wěn)定狀態(tài)，此階段斷開(kāi)附加負(fù)載。

6)狀態(tài)6：退出應(yīng)用程序。

檢測(cè)儀的狀態(tài)主要由3個(gè)事件來(lái)控制[7]：

1)“開(kāi)始”事件：首先判斷檢測(cè)儀是否處于準(zhǔn)備好狀態(tài)，并且電壓在規(guī)定范圍內(nèi)，如滿(mǎn)足條件，則接通附加負(fù)載和穩(wěn)定負(fù)載，并轉(zhuǎn)入狀態(tài)4，否則不做任何動(dòng)作；

2)“停止”事件：當(dāng)檢測(cè)儀處于負(fù)載啟動(dòng)或穩(wěn)定階段，斷開(kāi)附加負(fù)載和穩(wěn)定負(fù)載，但仍然實(shí)時(shí)監(jiān)控檢查通道的電壓，轉(zhuǎn)入狀態(tài)3；

3)“退出”事件：無(wú)論檢測(cè)儀處于什么狀態(tài)，都將檢測(cè)儀恢復(fù)到未加負(fù)載狀態(tài)，同時(shí)關(guān)閉應(yīng)用軟件。

檢測(cè)儀具體的各狀態(tài)描述和觸發(fā)條件如表1所列。

4 技術(shù)難點(diǎn)

4.1 實(shí)時(shí)性的要求

由于啟動(dòng)電流脈沖寬度很小，需要控制電路、電流傳感器和采集電路都具有很高的實(shí)時(shí)性，以達(dá)到產(chǎn)生啟動(dòng)電流脈沖的理想效果[8]。而基于Windows的系統(tǒng)架構(gòu)只能達(dá)到幾毫秒的循環(huán)控制，很難實(shí)現(xiàn)模擬負(fù)載啟動(dòng)過(guò)程。如果自行研制基于單片機(jī)的檢測(cè)儀，一方面技術(shù)難點(diǎn)較多，研制周期長(zhǎng)；另一方面，很難滿(mǎn)足技術(shù)要求。為此，盡可能選用現(xiàn)有商用技術(shù)COTS，以達(dá)到滿(mǎn)足技術(shù)要求，同時(shí)可獲得研制周期短和可靠性高的目的。

解決方案:

1)采用由嵌入式控制器、嵌入式機(jī)箱和C系列的模塊組成的CompactRIO嵌入式實(shí)時(shí)平臺(tái)，控制循環(huán)可達(dá)25 ns間隔；

2)采用固態(tài)繼電器控制大功率負(fù)載的接通和斷開(kāi)，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求；

3)采用霍爾型傳感器測(cè)量啟動(dòng)電流和穩(wěn)定電流，以解決大電流無(wú)法直接測(cè)量的難題；

4)優(yōu)化檢查控制流程設(shè)。

4.2 雙機(jī)通信

嵌入式控制器與觸摸屏式計(jì)算機(jī)之間的通信，現(xiàn)有硬件連接為以太網(wǎng)網(wǎng)線。通信協(xié)議主要有IP通信協(xié)議、UDP通信協(xié)議和TCP通信協(xié)議。雙機(jī)之間的通信是雙向的，嵌入式控制器須將采集的電壓電流數(shù)據(jù)傳送到觸摸屏式計(jì)算機(jī)，觸摸屏式計(jì)算機(jī)須將操作者的操作選擇和狀態(tài)控制發(fā)送到嵌入式控制器。通信協(xié)議選擇的關(guān)鍵是在可靠傳輸?shù)幕A(chǔ)上滿(mǎn)足傳輸速度快的需求。

解決方案：

TCP是一種可靠的、基于連接的協(xié)議[9]。它提供錯(cuò)誤檢測(cè)，確保數(shù)據(jù)按順序并且不重復(fù)地到達(dá)。TCP是基于連接的協(xié)議，這意味著各傳輸點(diǎn)必須在數(shù)據(jù)傳輸前創(chuàng)建連接。

可通過(guò)等待入局的連接或?qū)ふ揖哂兄付ǖ刂返倪B接來(lái)創(chuàng)建連接。在創(chuàng)建TCP連接時(shí)，須指明其地址及該地址的端口。一個(gè)地址上不同的端口表示該地址上的不同服務(wù)。通過(guò)打開(kāi)TCP連接函數(shù)可主動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)具有特定地址和端口的連接。如連接成功，該函數(shù)將返回唯一識(shí)別該連接的網(wǎng)絡(luò)連接句柄。這個(gè)連接句柄可在此后的VI調(diào)用中引用該連接。

4.3 電壓和電流的高速采集

由于啟動(dòng)電流脈沖的寬度不超過(guò)100 ms，為了使得采集的電流和電壓數(shù)據(jù)波形真實(shí)地反映波形特征，應(yīng)確保啟動(dòng)電流脈沖的采樣點(diǎn)達(dá)到200點(diǎn)以上為最低標(biāo)準(zhǔn)，單通道的采樣率最低為2 kS/s，即每500 μs采樣一次。

解決方案：

模擬采集模塊NI9221：總采樣率800 kS/s，現(xiàn)有2個(gè)測(cè)量通道，則完成一次采樣的時(shí)間為2.5 μs；模擬采集模塊NI9205：總采樣率250 kS/s，現(xiàn)有4個(gè)測(cè)量通道，則完成一次采樣的時(shí)間為16 μs。兩個(gè)模擬采集模塊的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)最低需求。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容內(nèi)容包括地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)與外場(chǎng)聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)。

5.1 地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

地面檢測(cè)儀加電檢查時(shí)，大功率負(fù)載電阻發(fā)熱并出現(xiàn)異味，模擬負(fù)載網(wǎng)絡(luò)工作出現(xiàn)異常，5 min后終止試驗(yàn)，后經(jīng)測(cè)試電阻燒毀1個(gè)。

5.1.1 原因分析

原設(shè)計(jì)方案未能充分考慮檢測(cè)儀機(jī)箱的空間和散熱等因素。

5.1.2 糾正措施

1)換電阻。通過(guò)多方聯(lián)系和討論，最終確定將原18個(gè)RX24鋁殼散熱電阻更換成耐熱性更好的RMG片式無(wú)感大功率電阻。500 W級(jí)的尺寸為96 mm×60 mm×3.0 mm，尺寸大大減小，散熱空間增大，重量(0.35 kg/個(gè))也降低很多。

2)加厚鋁板和增加風(fēng)扇散熱。所有的大功率負(fù)載由原來(lái)固定在2 mm鋁板上改為4 mm鋁板，便于快速散熱；另外，加裝通風(fēng)扇，只要工作電源接通風(fēng)扇就工作，確保使用階段檢測(cè)儀內(nèi)部的空氣快速流通。

3)增加機(jī)箱散熱孔。與生產(chǎn)廠家聯(lián)系，在機(jī)箱的兩側(cè)各增加Φ10通風(fēng)孔10個(gè)。

4)工作時(shí)間軟件定時(shí)。通過(guò)軟件定時(shí)，限定大功率模擬負(fù)載網(wǎng)絡(luò)最長(zhǎng)工作時(shí)間為5 min。

5.1.3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

改用片式無(wú)感大功率電阻后，通過(guò)固態(tài)繼電器-大功率模擬負(fù)載組合板的設(shè)計(jì)和制作，后期進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。連接好電纜→接通工作電源→機(jī)箱內(nèi)應(yīng)能聽(tīng)到風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音→觸摸屏式計(jì)算機(jī)正常啟動(dòng)→觸摸屏式計(jì)算機(jī)響應(yīng)專(zhuān)用觸摸筆的操作→雙機(jī)網(wǎng)絡(luò)成功連接，證明電阻更換后選型是合理且檢測(cè)儀軟、硬件工作正常，符合設(shè)計(jì)要求。

5.2 外場(chǎng)聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)

外場(chǎng)聯(lián)機(jī)實(shí)驗(yàn)在東部戰(zhàn)區(qū)海軍航空兵某團(tuán)16號(hào)機(jī)進(jìn)行。檢測(cè)結(jié)果為：滿(mǎn)負(fù)載電壓不低于24 V；紋波電壓不大于1.5 V；檢測(cè)儀合格指示燈亮(指示燈熄滅為不合格)，符合設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

該檢測(cè)儀具有功能齊全，技術(shù)含量高，人機(jī)界面友好，智能化程度高，可原位檢測(cè)某型飛機(jī)空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)滿(mǎn)負(fù)載能力和紋波電壓，有效提高了空艦導(dǎo)彈發(fā)射任務(wù)保障能力，具有顯著的軍事經(jīng)濟(jì)效益，其檢測(cè)方法和嵌入式硬件檢測(cè)平臺(tái)可適用于其他主戰(zhàn)機(jī)型空艦導(dǎo)彈供電系統(tǒng)的原位檢測(cè)，推廣應(yīng)用前景廣闊。