某型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)執(zhí)行組件測(cè)試儀

呂曉峰，馬 羚，李學(xué)章，賀英政

(1.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001；2.中國(guó)人民解放軍92975部隊(duì)，浙江 寧波 315000)

0 引言

某型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)主要用于管理和控制所攜帶的武器和相關(guān)懸掛投放裝置。執(zhí)行組件是該型武器控制系統(tǒng)的核心部件，其主要功能是：用于武器發(fā)射邏輯信號(hào)的控制，涉及8路開(kāi)關(guān)量信號(hào)的輸入輸出[1-2]。

隨機(jī)配備的執(zhí)行組件測(cè)試設(shè)備在測(cè)試的過(guò)程中，需人工逐步操作與判讀，操作復(fù)雜且需人工排除故障，測(cè)試診斷效率較低。因此，為了提高測(cè)試診斷效率，設(shè)計(jì)了基于STC89C51單片機(jī)、多路測(cè)試技術(shù)和故障字典法的某型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)執(zhí)行組件測(cè)試儀[3-5]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

某型武器控制系統(tǒng)執(zhí)行組件需要測(cè)試的信號(hào)涉及8路開(kāi)關(guān)量信號(hào)，信號(hào)屬性為“+27 V/空”。測(cè)試原理是：向執(zhí)行組件發(fā)送8路開(kāi)關(guān)量，接收其輸出的8路開(kāi)關(guān)量，將接收到的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)電壓值比較，進(jìn)行檢測(cè)和診斷，判斷武器控制系統(tǒng)執(zhí)行組件邏輯的正確性。

測(cè)試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分為硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分。硬件設(shè)計(jì)包括按鍵控制模塊、單片機(jī)模塊、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊、電源模塊和液晶顯示屏；軟件設(shè)計(jì)分為測(cè)試模塊和診斷模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 測(cè)試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

測(cè)試儀工作原理：一方面由按鍵控制模塊控制單片機(jī)模塊模擬武器按發(fā)射邏輯發(fā)出8路數(shù)字信號(hào)，經(jīng)開(kāi)關(guān)量輸出模塊轉(zhuǎn)換為8路開(kāi)關(guān)量信號(hào)，輸入到執(zhí)行組件；另一方面接收?qǐng)?zhí)行組件返回的8路開(kāi)關(guān)量信號(hào)，經(jīng)開(kāi)關(guān)量輸入模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，輸入到單片機(jī)模塊，整個(gè)系統(tǒng)由電源模塊進(jìn)行供電，軟件測(cè)試模塊進(jìn)行控制。軟件診斷模塊根據(jù)輸入至單片機(jī)模塊的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，從而進(jìn)行故障診斷，同時(shí)將采集到電壓值和診斷的結(jié)果實(shí)時(shí)顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀的硬件主要分為按鍵控制模塊、單片機(jī)模塊、開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊、電源模塊和液晶顯示屏。測(cè)試儀的核心是單片機(jī)模塊，一方面通過(guò)控制開(kāi)關(guān)量輸出模塊中的輸出開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換電路和電壓放大電路完成開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換和輸出，另一方面通過(guò)控制開(kāi)關(guān)量輸入模塊中的數(shù)據(jù)緩沖電路和A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)量的采集以及電壓數(shù)據(jù)的處理，并根據(jù)電路邏輯順序及標(biāo)準(zhǔn)值做出判斷。硬件電路的控制原理如圖2所示。

圖2 硬件電路的控制原理圖

2.1 單片機(jī)模塊

該模塊采用STC89C51單片機(jī)作為硬件電路的核心處理器，通過(guò)控制單片機(jī)的I/O接口來(lái)模擬發(fā)射信號(hào)，同樣利用I/O 接口來(lái)接收測(cè)試電壓信號(hào)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換處理后做出判斷。

STC89C51的控制電路如圖3所示，電路共有40個(gè)引腳，大致可分為4類：電源、時(shí)鐘、控制和I/O引腳[6]。STC89C51的I/O引腳共有4個(gè)8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個(gè)引腳，主要用于控制8路開(kāi)關(guān)量的輸入輸出控制和液晶顯示屏的顯示。其中引腳P0.0～P0.7用于控制液晶顯示屏顯示8位數(shù)據(jù)，引腳P1.0～P1.7用于控制AD轉(zhuǎn)換電路采集8路開(kāi)關(guān)量信號(hào)，引腳P2.3～P2.7和P3.0～P3.2用于控制輸出開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換電路輸出8路開(kāi)關(guān)量信號(hào)。

圖3 單片機(jī)控制電路圖

2.2 開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊

開(kāi)關(guān)量的輸入輸出控制以STC89C51單片機(jī)為核心處理器，實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀的開(kāi)關(guān)量輸入輸出功能以及數(shù)據(jù)處理功能。

2.2.1 開(kāi)關(guān)量輸入模塊

該模塊主要是為了完成對(duì)8路電壓值的采集，首先將執(zhí)行組件輸出的8路開(kāi)關(guān)量信號(hào)，輸入到數(shù)據(jù)緩存放大電路進(jìn)行緩沖和放大，然后再經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后送入到STC89C51單片機(jī)中進(jìn)行處理。

通過(guò)分析，該模塊若直接利用ADC0809芯片采集被測(cè)電壓，量程達(dá)不到要求且電壓誤差較大，故需要對(duì)采集的電壓值進(jìn)行放大緩沖，具備從模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的功能，開(kāi)關(guān)量輸入電路原理如圖4所示。

圖4 開(kāi)關(guān)量輸入模塊原理圖

1)數(shù)據(jù)緩沖放大電路。該電路主要完成對(duì)采集信號(hào)的處理，首先信號(hào)經(jīng)過(guò)十倍衰減電路，將電壓降為原來(lái)的十分之一，然后經(jīng)過(guò)功能性放大電路，即將輸入到LM324四運(yùn)算放大器的信號(hào)完成十倍放大，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)電壓值緩沖和放大，減少信號(hào)失真、抗干擾，確保電壓值的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。

2)AD轉(zhuǎn)換電路。ADC0809芯片是8位逐次逼近式AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有28個(gè)管腳[7]，主要用來(lái)采集數(shù)據(jù)緩沖放大電路輸入的8個(gè)模擬信號(hào)電壓值，通過(guò)采用逐次逼近法完成8路數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)需及時(shí)傳送給STC89C51單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其電路原理如圖5所示。其中引腳IN0～I(xiàn)N7為8路開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸入端，引腳P1.0～P1.7為8路數(shù)字信號(hào)輸出端。

圖5 ADC0809電路原理圖

2.2.2 開(kāi)關(guān)量輸出模塊

測(cè)試儀需要模擬武器發(fā)射的時(shí)序信號(hào)發(fā)送至執(zhí)行組件，因此該模塊主要是完成模擬開(kāi)關(guān)量的發(fā)送，主要涉及兩個(gè)方面：一是由于單片機(jī)不能直接驅(qū)動(dòng)繼電器，需要對(duì)其輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行電壓放大，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制繼電器；二是單片機(jī)提供的電壓只有+5 V，而執(zhí)行組件工作需要+27 V，所以需設(shè)計(jì)電壓放大電路，完成對(duì)執(zhí)行組件的供電。另外由于測(cè)試儀還具備對(duì)數(shù)據(jù)處理做出判斷，并在液晶屏上進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，所以在輸出電路的設(shè)計(jì)上需要考慮液晶屏控制及顯示，其設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

圖6 開(kāi)關(guān)量輸出電路原理圖

1)輸出開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)換電路。該電路主要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的輸出和轉(zhuǎn)換，包含按鍵控制模塊和三極管放大電路兩部分。

按鍵控制模塊主要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)量的輸出，通過(guò)模擬武器發(fā)射過(guò)程中所需要的時(shí)序信號(hào)，將按鍵產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)后進(jìn)行處理。該模塊分為手動(dòng)模式和自動(dòng)模式。手動(dòng)模式需在手動(dòng)方式下按武器發(fā)射時(shí)序按壓相應(yīng)的按鍵SW1～SW8；自動(dòng)模式只需按下按鍵SW9，武器發(fā)射時(shí)序信號(hào)將自動(dòng)送到單片機(jī)。具體設(shè)計(jì)原理如圖7所示。

圖7 按鍵控制模塊

三極管放大電路主要將單片機(jī)輸出的控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)電流和功率放大，使通過(guò)繼電器電流能夠驅(qū)動(dòng)繼電器，完成對(duì)繼電器的控制。

三極管放大電路的設(shè)計(jì)原理如圖8所示。其工作原理為單片機(jī)輸出的小電流控制信號(hào)P2.7至三極管Q8的基極，使Q8導(dǎo)通，繼電器U10引腳3接地，而引腳2接入+27 V大功率電源，從而繼電器電磁線圈通電控制U10工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)繼電器的控制。

圖8 三極管電壓放大電路

2)電壓放大電路。單片機(jī)所用電壓均為+5 V，而繼電器需要輸出開(kāi)關(guān)量+28 V，不滿足測(cè)試需求，所以要對(duì)電壓進(jìn)行放大，在放大的過(guò)程中電流功率均會(huì)損失，在設(shè)計(jì)電壓放大電路時(shí)，最重要的是考慮輸出的電流是否滿足測(cè)試的需要，由于執(zhí)行組件本身功耗較小，滿足測(cè)試的需求。

圖9 電壓放大電路原理圖

輸出電路的電壓放大電路設(shè)計(jì)原理如圖9所示。該電路主要基于LM2587開(kāi)關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸入電壓經(jīng)過(guò)端口P2輸入時(shí)，電流通過(guò)LM2587電壓調(diào)節(jié)器，在次級(jí)電感線圈L1處充電，把電能儲(chǔ)存在電感線圈中；當(dāng)端口P2斷開(kāi)時(shí)，次級(jí)電感線圈L1通過(guò)二極管D1將其存儲(chǔ)的電能釋放到電容器C3、C4和C5中，這樣次級(jí)電感線圈L1在端口P2導(dǎo)通期間存儲(chǔ)的電能將在P2斷開(kāi)時(shí)傳遞給輸出電容器，進(jìn)而通過(guò)端口P1輸出。其輸出電壓的高低可由傳遞電能的多少來(lái)控制，而傳遞電能的多少則可通過(guò)調(diào)制電感器的峰值電流來(lái)控制[8]。

3)液晶顯示電路LCD1602。該電路主要將單片機(jī)處理后電壓值與判斷結(jié)果實(shí)時(shí)顯示到液晶屏上，以便于觀察。1602液晶屏可以顯示兩行，每行16個(gè)字符，第一行用來(lái)顯示采集到每路的電壓值，第二行顯示的是經(jīng)單片機(jī)處理后做出的結(jié)果，若無(wú)故障，則“OK”；若存在故障，則“NO OK”。液晶顯示屏可以在固定時(shí)間后完成每路電壓的切換，實(shí)現(xiàn)8路電壓的動(dòng)態(tài)顯示。1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中DB0～DB7為雙向數(shù)據(jù)線，具體電路原理如圖10所示。

圖10 LCD1602液晶顯示電路

2.3 電源模塊

該模塊主要由28 V/10 A的開(kāi)關(guān)電源和分壓電路組成。開(kāi)關(guān)電源可將輸入的220 V/50 Hz交流電變換為+28 V/10 A直流電，而分壓電路，可將+28 V直流電分壓輸出為+5 V的直流電，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行組件及其測(cè)試儀的供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

執(zhí)行組件測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)是在Windows7操作系統(tǒng)和Keil5編程開(kāi)發(fā)環(huán)境支持下基于C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，執(zhí)行組件測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)分為自檢模塊、測(cè)試模塊和診斷模塊設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)的邏輯流程如圖11所示。

第一步，系統(tǒng)自檢。軟件中的自檢模塊控制單片機(jī)上電對(duì)執(zhí)行組件測(cè)試儀進(jìn)行自檢。

第二步，組件測(cè)試。軟件中的測(cè)試模塊分輸入和輸出兩個(gè)通道進(jìn)行，每個(gè)通道均為8路。輸出通道是測(cè)試軟件控制I/O口發(fā)送開(kāi)關(guān)量信號(hào)，經(jīng)功率放大電路送入執(zhí)行組件；輸入通道將ADC0809采集到的8路電壓開(kāi)關(guān)量信號(hào)，通過(guò)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送到單片機(jī)。

第三步，組件診斷。軟件中的診斷模塊控制單片機(jī)將輸入的數(shù)字量與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，若對(duì)比數(shù)據(jù)在合格范圍內(nèi)，則將合格的數(shù)據(jù)存入A數(shù)組，否則存入B數(shù)組。最后判斷所有數(shù)據(jù)是否均在A數(shù)組，若在，則輸出“合格”，組件正常，否則輸出“不合格”，進(jìn)而進(jìn)行故障分析，將采集到電壓值和分析出的結(jié)果實(shí)時(shí)顯示。

圖11 測(cè)試軟件總體邏輯流程

測(cè)試儀采用故障字典法進(jìn)行故障定位[9-10]。故障字典法診斷故障的主要思想是：首先采用電路仿真軟件如Altiumdesigner對(duì)執(zhí)行組件設(shè)置測(cè)試點(diǎn)和元器件故障，并對(duì)其進(jìn)行電路仿真，獲得各測(cè)試點(diǎn)和各元器件之間一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；然后將所有測(cè)試點(diǎn)和元器件的對(duì)應(yīng)關(guān)系列成一個(gè)故障字典；最后，在實(shí)際診斷時(shí)，只要獲得執(zhí)行組件所有測(cè)試點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果，就可以從故障字典中查出此時(shí)對(duì)應(yīng)的故障。

為了節(jié)省測(cè)試所需的時(shí)間，提高效率，決定采用多路測(cè)試技術(shù)實(shí)現(xiàn)8路開(kāi)關(guān)量輸入輸出，利用ADC0809芯片完成AD轉(zhuǎn)換，并將采集結(jié)果送入到單片機(jī)中，通過(guò)單片機(jī)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)測(cè)試結(jié)果做出判斷并通過(guò)顯示屏進(jìn)行顯示，最后利用故障字典法將執(zhí)行組件的故障定位至元器件級(jí)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)的過(guò)程是按照武器的發(fā)射時(shí)序來(lái)模擬的，通過(guò)設(shè)置具體的故障，來(lái)驗(yàn)證檢測(cè)儀的測(cè)試診斷功能。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：

1)設(shè)置故障：設(shè)置執(zhí)行組件中控制武器總電門的繼電器故障，造成武器總電門斷路。

2)故障現(xiàn)象：發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)不正常，輸出電壓為+0 V。

3)測(cè)試診斷過(guò)程：

(1)按照?qǐng)?zhí)行組件和檢測(cè)儀的接口關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行對(duì)應(yīng)連接；

(2)進(jìn)行通電檢查，完成系統(tǒng)自檢；

(3)按武器發(fā)射時(shí)序依次手動(dòng)方式按下檢測(cè)儀上按鍵控制模塊中的按鍵開(kāi)關(guān)SW1～SW8，也可采用自動(dòng)方式按下按鍵開(kāi)關(guān)SW9，即自動(dòng)測(cè)試開(kāi)關(guān)。

(4)按照按下按鍵開(kāi)關(guān)的順序依次觀察液晶屏顯示的結(jié)果。

經(jīng)過(guò)上述的實(shí)驗(yàn)步驟，得到仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)上述仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，造成發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火信號(hào)異常的原因是武器總電門單元故障。再通過(guò)電路軟件仿真得到的故障字典對(duì)比可知，是由于武器總電門單元中的繼電器故障造成，處理措施應(yīng)及時(shí)檢查并維修繼電器。

5 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)際應(yīng)用表明：論文設(shè)計(jì)了以單片機(jī)為控制核心的某型飛機(jī)武器控制系統(tǒng)執(zhí)行組件測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)了8路開(kāi)關(guān)量輸入輸出的控制，同時(shí)利用窮舉測(cè)試法可將故障定位到元器件。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測(cè)試效率較高，滿足測(cè)試需求。