一種磁吸式火箭炮點火信號檢測裝置設(shè)計

張木森,孫吉紅,李 楊,楊 鵬

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院,安徽 合肥 230031)

火箭炮是指能引燃火箭彈點火具,賦予火箭彈初始飛行方向的多發(fā)聯(lián)裝發(fā)射裝置[1],是能提供大面積瞬時密集火力打擊的戰(zhàn)術(shù)武器[2]。信息化條件下的戰(zhàn)爭對火箭炮裝備的快速作戰(zhàn)能力要求越來越高,點火信號檢測是火箭炮發(fā)射火箭彈前的重要環(huán)節(jié),其目的在于在火箭炮發(fā)射前對發(fā)火系統(tǒng)中的點火信號進行準(zhǔn)確快速的檢測,確?？煽堪踩匕l(fā)射火箭彈。目前某型火箭炮沒有隨裝配套專用的點火信號的勤務(wù)保障器材,僅使用萬用表、搖表和信號燈等進行檢測,存在缺乏專門的檢測設(shè)備、操作過程復(fù)雜、檢測效率低等問題。因此,需要針對野戰(zhàn)條件下某型火箭炮點火發(fā)射信號進行準(zhǔn)確、快速檢測技術(shù)研究,實現(xiàn)裝備檢測的科學(xué)化、智能化、精確化[3]。

1 檢測裝置需求分析

針對我軍現(xiàn)役某型火箭炮點火信號檢測裝置功能單一、精度不高、結(jié)果不直觀等問題,本文設(shè)計一種磁吸式檢測裝置,實現(xiàn)與點火觸頭快速可靠對接,以提高火箭炮點火信號檢測的穩(wěn)定性。該檢測裝置應(yīng)具有自動化程度高、體積小、重量輕、操作簡單[4]、適合基層部隊使用的特點,可有效解決日常訓(xùn)練和實彈射擊前火箭炮的發(fā)火信號檢測問題,并能準(zhǔn)確、快速地判斷各定向管發(fā)火信號狀態(tài),縮短火力準(zhǔn)備和勤務(wù)保障的時間,有利于提高火箭炮的火力反應(yīng)能力。

點火信號檢測裝置采用數(shù)字信號處理和計算機智能控制等技術(shù)[5],通過強磁力吸附在火箭炮點火觸頭上,采集發(fā)火時的端電壓、回路電流、彈回路電阻及各管之間的時序間隔等信號,并通過無線組網(wǎng)技術(shù)經(jīng)信息服務(wù)器分析處理后將檢測信號上傳到檢測終端。磁吸式火箭炮點火信號檢測裝置不僅能夠準(zhǔn)確快速檢測點火信號,而且操作過程簡單方便、檢測效率高,極大地提高了火箭炮的作戰(zhàn)效能。

2 檢測裝置總體設(shè)計

檢測裝置由檢測終端、信息服務(wù)器、幾十個點火裝置無線測量模塊等組成。檢測裝置內(nèi)部安裝高度集成電路和單片機芯片,為保證其安裝與工作狀態(tài)的穩(wěn)定,保護內(nèi)部電路不受外界干擾,采用磁吸式設(shè)計與點火觸頭快速對接,可實現(xiàn)牢固、穩(wěn)定安裝,其特點是制作成本低廉、操作簡單、節(jié)約時間、能提高檢測速度和效率。檢測裝置主要技術(shù)指標(biāo)見表1所示。

表1 檢測裝置主要技術(shù)指標(biāo)

該檢測裝置采用模塊化、集成化、自動化設(shè)計理念,通過設(shè)計一種磁吸式測量模塊與火箭炮點火觸頭快速對接構(gòu)成檢測回路,采集點火信號并通過無線網(wǎng)絡(luò)傳到檢測終端。終端軟件具備對多種發(fā)射模式下幾十管火箭彈發(fā)火信號進行同步檢測、快速處理數(shù)據(jù)功能,能夠?qū)崟r顯示各類信號參數(shù)及提示故障信息。整個檢測裝置設(shè)計一人即可完成操作,可實現(xiàn)野戰(zhàn)條件下對火箭炮發(fā)火系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)快速檢測。點火信號檢測是在火箭炮發(fā)射前完成的,目的在于檢查火箭炮各定向管的狀態(tài)。因此,為保證火箭彈發(fā)射的安全性,嚴(yán)禁在已裝彈的情況下進行火箭炮發(fā)射點火信號檢測。使用時,按照模塊自檢組網(wǎng)，統(tǒng)一設(shè)置時間零點，選擇檢測模式，檢測信號采集和處理等順序進行。發(fā)火機根據(jù)檢測需求選擇單、連發(fā)及選擇相應(yīng)彈數(shù)、管號并進行發(fā)射操作。檢測裝置技術(shù)指標(biāo)如表1所示。檢測裝置組網(wǎng)如圖1所示。

圖1 檢測裝置組網(wǎng)示意圖

2.1 信號檢測模塊原理設(shè)計

測量模塊主要采集點火回路電阻及點火時提供的電壓、電流和脈寬等信號,主要由中央處理器、電流測量傳感器、電壓測量傳感器、回路電阻測量、脈沖測量、電流量程控制、信號接口電路、無線模塊以及液晶、鍵盤、穩(wěn)壓等組成,使用鋰電池供電,并具有電量測試功能。原理框圖如圖2所示。

圖2 信號檢測模塊原理框圖

2.2 回路電阻檢測原理

按照火箭炮點火信號檢測流程要求,在進行點火信號檢測之前要先進行點火回路電阻檢測,因為電阻檢測沒有時序要求。但是對于通信、邏輯、時序控制具有嚴(yán)格要求的檢測系統(tǒng)來說,回路電阻值必須在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)。如果回路電阻不符合要求,將會導(dǎo)致通信錯誤或時序出現(xiàn)紊亂。因此,對于回路電阻的測量精度要求很高。該檢測裝置所要檢測回路電阻值在3 Ω左右,屬于小電阻。本文采用電流電壓法對回路電阻檢測的原理進行分析。電流電壓法應(yīng)用最為廣泛,基本原理如圖3所示。

圖3 電流電壓法測量原理

在測量電壓U0一定的條件下,采樣電阻兩端的電壓與回路中的電流成正比,R1為限流電阻,Rx為被測線路的等效電阻,Rs為采樣電阻。由回路電流法可得

(1)

其中，測量電壓U0為穩(wěn)定電壓源的輸出值,限流電阻R1和采樣電阻Rs均為已知的固定值,因此,由上式就可求得被測線路等效電阻Rx的值為

(2)

電流電壓法測量電阻方法通常有恒流法和恒壓法。為了保證測量精度,采用恒流源的方法測量小電阻。恒流法回路電阻測量原理如圖4所示。由于被測電阻的自熱效應(yīng),I0不能太大,本系統(tǒng)綜合考慮取20 mA,為了避免恒流源的端電壓太低而退出恒流區(qū),設(shè)串入電阻R1和RS,只要精確測量出Rx的端電壓Ux,則可求得Rx的值[6]。

圖4 回路電阻測量原理

在檢測回路電阻時,啟動回路電阻檢測程序后,先確定回路電阻檢測回路導(dǎo)通,恒流源電路接入,關(guān)閉點火檢測電路,取點火回路中標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓進行轉(zhuǎn)換,連續(xù)測量5次后結(jié)束信號采集,然后進行采集信號判斷,如已采集5次,則中斷采集程序[7]。采集停止后開始調(diào)用電阻計算程序,經(jīng)過分析計算得出檢測回路的電阻值。

2.3 點火信號測量電路設(shè)計

點火信號測量電路可以實現(xiàn)大電流點火信號測量以及導(dǎo)通電阻值測量功能,該電路由繼電器、通用型運算放大器、高功率精密采樣電阻、高精度電壓基準(zhǔn)源以及二極管等元器件組成。繼電器用于功能切換,當(dāng)斷電時將采樣電阻接入電路中,點火電流信號可直接流過該電阻并產(chǎn)生電壓差。該壓差通過電阻分壓后送入運放正向輸入端,在運放輸出端產(chǎn)生一個等幅同相的信號。該信號直接接入ADC1引腳并由片載ADC將該模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成CPU可識別的數(shù)字信號。當(dāng)繼電器端子通電時,將2.5 V基準(zhǔn)電壓源接入電路中,被測電阻接入端子中即可形成電流回路,通過檢測電阻上的電壓降即可獲知被測電阻的準(zhǔn)確阻值。該電壓差信號通過運放跟隨后送入ADC2引腳,由片載ADC將該模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成CPU可識別的數(shù)字信號。該電路的輸出保護由三對鉗位二極管組成,在信號輸入線以及基準(zhǔn)電壓輸出線上分別接入鉗位二極管,無論出現(xiàn)何種異常輸入情況,該二極管可以將被接線電壓鉗位在-0.6 V至3.9 V之間,保護后端電路不被異常電壓燒毀。點火信號測量電路如圖5所示。

圖5 GND5點火信號測量電路圖

2.4 點火信號檢測模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)在野戰(zhàn)條件下在點火觸頭位置快速安裝檢測模塊,采用磁吸式結(jié)構(gòu)設(shè)計。測量模塊整體外觀采用“凸”字形結(jié)構(gòu)設(shè)計,主要由點火觸頭固定座、U型深槽、環(huán)形磁鐵倉、錐形觸點接觸槽、鋰電池倉、電路板、顯示屏等組成。測量模塊正面為顯示界面,內(nèi)嵌電路板,背面是L型長方體的固定座,固定座采用具有耐高溫耐磨、質(zhì)量輕、韌性好的聚酰亞胺材料。測量模塊整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 測量模塊整體外觀結(jié)構(gòu)示意圖

在點火觸頭固定座上半部分環(huán)形深槽內(nèi)放置一環(huán)形磁鐵,磁鐵材質(zhì)采用粘結(jié)釹鐵硼磁鐵,該磁鐵具有磁性強、各方向分布均勻、強度高耐腐蝕等特點。檢測時,錐形觸點接觸槽與點火觸頭尖部形成緊密貼合構(gòu)成正極,負(fù)極與火箭炮定向管尾部點火觸頭固定座側(cè)面相接,測量模塊通過強磁力與點火觸頭迅速對接構(gòu)成檢測回路。

2.5 終端軟件設(shè)計

終端軟件系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計理念,主要功能為：1)對各測量模塊的數(shù)據(jù)采集過程進行集中控制[8];2)采集檢測數(shù)據(jù);3)通過統(tǒng)計、計算、比較等方法,對采集信號進行故障診斷,顯示故障診斷結(jié)果,并給出維修建議。終端軟件功能模塊組成[9]如圖7所示。

圖7 終端檢測軟件功能模塊組成[9]

1)系統(tǒng)登錄模塊。包括核驗登錄身份和區(qū)分操作界面,主要用于核驗登錄身份的合法性。

2)點火信號檢測模塊。包括網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)置、檢測模式選擇、檢測信號處理、檢測記錄管理和診斷故障信號,主要用于點火信號檢測和信號處理。

3)系統(tǒng)管理模塊。包括檢測系統(tǒng)自檢、系統(tǒng)統(tǒng)一授時、系統(tǒng)通信管理、數(shù)據(jù)庫管理和安全權(quán)限管理，主要用于系統(tǒng)數(shù)據(jù)的管理。

4)使用幫助模塊。包括檢測流程規(guī)范、按鍵操作提示和軟件操作說明,用于給用戶操作系統(tǒng)時提供幫助。終端檢測軟件程序運行流程如圖8所示。

當(dāng)系統(tǒng)登錄進入主界面之后,檢測系統(tǒng)完成自檢、統(tǒng)一授時[10]等一系列步驟,為點火信號檢測作準(zhǔn)備。檢測過程中,測量模塊與信息服務(wù)器進行無線交互,終端檢測軟件設(shè)置各檢測模塊的時間零點,而后選擇不同檢測模式，例如順序檢測、隨機產(chǎn)生發(fā)射順序檢測及單連發(fā)混合發(fā)射檢測等,發(fā)火機根據(jù)檢測需求選擇單、連發(fā)及相應(yīng)彈數(shù)、管號并進行發(fā)射操作。幾十個點火檢測模塊自動采集點火信號,將采集的信號按照一定時序發(fā)送至檢測終端。檢測終端采集相關(guān)信號并進行處理分析,調(diào)用故障知識庫中的準(zhǔn)則判斷檢測結(jié)果，并提示故障信息和診斷建議,并能進行數(shù)據(jù)查詢、分析生成檢測報告。

3 實驗驗證與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)檢測信號類型,結(jié)合檢測裝置功能特點及檢測精度要求,對點火信號進行驗證和分析,主要是驗證端電壓、回路電流、回路電阻以及時序間隔等檢測信號的精度是否滿足設(shè)計要求。在這里主要對回路電阻信號、點火電流信號和時序間隔信號進行實驗和數(shù)據(jù)分析。

圖8 終端檢測軟件程序運行流程圖

3.1 回路電阻信號測量實驗

將標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端用導(dǎo)線與測量模塊輸入端外接線相接,而后將測量模塊調(diào)至回路電阻檢測功能界面。實驗中分別采用阻值為3.00 Ω、6.20 Ω和9.10 Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻,精度都為1%,每個標(biāo)準(zhǔn)電阻重復(fù)測量5次。檢測結(jié)果如表2所示。

表2 回路電阻檢測值

實驗結(jié)果分析表明:使用點火測量模塊中回路電阻測量功能對外接標(biāo)準(zhǔn)電阻進行功能和精度測量實驗,經(jīng)不同阻值和多次實驗,測量彈回路電阻測量功能準(zhǔn)確可靠,測量的電阻誤差都在2%以內(nèi),測量精度達到系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)要求。

3.2 點火電流信號測量實驗

實驗中采用功率較大的恒流源模塊輸出檢測信號,先調(diào)整恒流源模塊,輸出2.5 A的恒流,將輸出的恒流信號分別接入測量端,并將測量模塊調(diào)至相對應(yīng)功能界面。當(dāng)測量模塊工作正常時,接通恒流輸出模塊,待測量模塊檢測到信號并輸出結(jié)果后,迅速關(guān)閉恒流源,記錄檢測結(jié)果,而后重復(fù)此過程,共進行6組測量,檢測結(jié)果值如表3所示。

實驗結(jié)果分析表明:使用測量模塊的點火電流測量功能對恒流源輸出的電流進行功能和精度測量實驗,經(jīng)多次實驗發(fā)現(xiàn),測量模塊測量的點火電流信號比較穩(wěn)定,測量的電流誤差都在2%以內(nèi)。

表3 點火電流檢測值

3.3 時序間隔信號測量實驗

選用一種高精度示波器對測量模塊的時序間隔信號測量功能進行測試,實驗時設(shè)置一臺信號發(fā)生器模擬火箭炮點火電流脈沖信號(脈沖寬度為450 ms),接入點火回路電阻及點火信號測量模塊,并從該測量模塊時序測量電路輸出端引出輸出信號接入示波器,共進行6組測量,通過對比分析測量模塊測量的點火信號脈沖與示波器測量的結(jié)果,驗證了該檢測裝置時序測量功能及精度。檢測結(jié)果值如表4所示。

表4 時序間隔檢測值

實驗結(jié)果分析表明:點火測量模塊測得的時序間隔信號與示波器顯示的值相差不大,誤差值控制在3%以內(nèi),較好地驗證了該檢測裝置的時序間隔信號檢測功能且其測量精度能夠滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種一體化無線組網(wǎng)自動快速的檢測方法。在火箭炮點火裝置檢測位上采用磁吸方式便捷快速構(gòu)成檢測回路,系統(tǒng)采用多通道同步比較捕獲、多信號同步觸發(fā)等方式,實現(xiàn)多信號不同性質(zhì)參數(shù)同步采集的要求,滿足野戰(zhàn)條件下技術(shù)勤務(wù)快速保障需求[11],最大程度地保證火箭炮作戰(zhàn)效能的發(fā)揮。