基于PC104總線的標(biāo)調(diào)瞄檢測系統(tǒng)

田鋒 張鑫 孫蔚 何華鋒 李璐 李震

摘要：根據(jù)標(biāo)調(diào)瞄組合的工作原理與作戰(zhàn)應(yīng)用特點(diǎn)，設(shè)計了基于PC104總線的標(biāo)調(diào)瞄檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、PC104系列測控模塊，實(shí)現(xiàn)了小型化設(shè)備的微小電流和高精度頻率檢測，以及電壓源激勵下的電壓/頻率變換設(shè)備計量。

關(guān)鍵詞：PC104總線;標(biāo)調(diào)瞄組合;檢測系統(tǒng);嵌入式

一、引言

我國測試系統(tǒng)仍存在故障診斷水平低、實(shí)用性差、網(wǎng)絡(luò)化水平低、通用性差等問題[1]。并且，國產(chǎn)測試儀器有著系統(tǒng)故障率高、可靠性差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、測試時間長、需要的測試人員多等不利于快速機(jī)動可靠發(fā)射的問題[2]。

標(biāo)調(diào)瞄組合是三軸陀螺穩(wěn)定平臺系統(tǒng)的重要組成，并且是武器系統(tǒng)測試及發(fā)射控制設(shè)備中的重要設(shè)備[3]。若出現(xiàn)故障的標(biāo)調(diào)瞄組合參與武器系統(tǒng)的測試與控制過程，將對武器系統(tǒng)的安全性造成威脅，輕則不能按設(shè)計要求完成平臺的調(diào)平、瞄準(zhǔn)和標(biāo)定工作，重則導(dǎo)致平臺出現(xiàn)事故，或者導(dǎo)致任務(wù)失敗[4]。為此，本文設(shè)計了基于PC104總線的標(biāo)調(diào)瞄檢測系統(tǒng)，確保標(biāo)調(diào)瞄組合的可靠工作。

二、工作原理

（一）數(shù)字調(diào)平控制原理

平臺系統(tǒng)的調(diào)平是利用平臺水平方向的陀螺儀和加速度計，即用X陀螺與Z加速度計組合、Z陀螺與X加速度計組合，分別構(gòu)成兩條自主調(diào)平回路，實(shí)現(xiàn)調(diào)平功能[3]。圖1是數(shù)字調(diào)平回路（單通道Z軸調(diào)平）構(gòu)成原理方框圖。

為提高調(diào)平的快速性，縮短調(diào)平時間，在系統(tǒng)控制上采用大、小加矩轉(zhuǎn)換的方法[5]，即在調(diào)平開始時，采用大加矩電流（100mA）施加于陀螺力矩器，使陀螺快速進(jìn)動，通過穩(wěn)定回路，驅(qū)使平臺以最大的角速度轉(zhuǎn)動，達(dá)到快速調(diào)平的目的。當(dāng)接近水平時，轉(zhuǎn)換到小力矩的脈寬調(diào)制方式，進(jìn)行精調(diào)平，其中的大、小加矩轉(zhuǎn)換及判斷由中央控制計算機(jī)自動完成。多位置調(diào)平是通過平臺X、Y、Z三個軸中，任意兩軸組合實(shí)現(xiàn)的。在多位置數(shù)字調(diào)平系統(tǒng)中，平臺不同狀態(tài)下調(diào)平回路所用加速度計和陀螺之間的對應(yīng)關(guān)系以及控制回路極性變化都是中央控制計算機(jī)通過控制軟件自動實(shí)現(xiàn)的。

（二）數(shù)字鎖定回路控制原理

數(shù)字鎖定回路組成原理方框圖見圖2。（Y軸數(shù)字鎖定回路）

由飛控計算機(jī)系統(tǒng)完成多級旋轉(zhuǎn)變壓器及RDC轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的粗、精耦合，標(biāo)調(diào)瞄中央控制計算機(jī)以串行方式從飛控計算機(jī)中讀取粗精耦合后的角度值，并經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以及PID校正后輸入給數(shù)字加矩系統(tǒng)，加矩系統(tǒng)將轉(zhuǎn)換后的電流加到相應(yīng)的陀螺力矩器，通過陀螺進(jìn)動使相應(yīng)的框架角達(dá)到控制要求值，從而達(dá)到框架軸的任意位置鎖定功能。為保證鎖定快速性，也采取了大、小加矩轉(zhuǎn)換的控制方式。

（三）射前自標(biāo)定原理

射前自標(biāo)定是通過標(biāo)調(diào)瞄組合在武器系統(tǒng)發(fā)射前對平臺坐標(biāo)系進(jìn)行六位置自動翻轉(zhuǎn)，然后在各相應(yīng)位置使平臺兩水平軸調(diào)平，垂直軸鎖定，調(diào)平、鎖定好后，轉(zhuǎn)入測漂狀態(tài)對陀螺的各有關(guān)參數(shù)進(jìn)行測試標(biāo)定。六個位置狀態(tài)如下：

Y軸向上鎖定，X、Z軸水平;

Y軸向下鎖定，X、Z軸水平;

X軸向上鎖定，Y、Z軸水平;

Z軸向上鎖定，X、Y軸水平;

Z軸向下鎖定，X、Y軸水平;

X軸向下鎖定，Z、Y軸水平。

（四）目標(biāo)方位對準(zhǔn)控制原理

目標(biāo)方位對準(zhǔn)是在Y軸向上處于鎖定狀態(tài)，X、Z軸調(diào)平。由測發(fā)控計算機(jī)向標(biāo)調(diào)瞄組合發(fā)出瞄準(zhǔn)命令，然后標(biāo)調(diào)瞄組合通過串行數(shù)據(jù)通信口讀取地面瞄準(zhǔn)儀發(fā)送的瞄準(zhǔn)數(shù)據(jù)，標(biāo)調(diào)瞄組合經(jīng)過數(shù)據(jù)換算，通過Y軸鎖定回路將平臺棱鏡法線鎖定到目標(biāo)方位射面上，完成武器系統(tǒng)目標(biāo)方位瞄準(zhǔn)。

三、總體方案設(shè)計

（一）慣性平臺系統(tǒng)運(yùn)動模型

從外特性上講，標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置應(yīng)設(shè)計相應(yīng)電路，完成三路平臺電子積分器的輸出模擬和三路陀螺力矩電機(jī)負(fù)載模擬。三路平臺電子積分器的信號（X、Y、Z三個獨(dú)立通道）為模擬電壓量，角度的大小與電壓值的絕對值呈線性關(guān)系。

三路陀螺力矩電機(jī)模擬（X、Y、Z三個獨(dú)立通道）為電阻負(fù)載，模擬陀螺力矩電機(jī)的阻抗，接受標(biāo)調(diào)瞄組合輸出的粗、精兩種恒流源激勵，驅(qū)動平臺框架轉(zhuǎn)動相應(yīng)的角度。

從內(nèi)特性上講，標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置內(nèi)部建立平臺框架角運(yùn)動的輸入、輸出模型，首先隨機(jī)建立一個框架角初始狀態(tài)，然后在標(biāo)調(diào)瞄組合的激勵下模擬完成三軸平臺框架的角度運(yùn)動。該運(yùn)動實(shí)時產(chǎn)生相應(yīng)的三路加速度計信號模擬輸出，并將該信息輸出給飛控機(jī)模型。

（二）飛控機(jī)模型

標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置內(nèi)部建立飛控機(jī)系統(tǒng)模型，該模型接收平臺系統(tǒng)模型輸出的加速度信號，并以RS422串口通信的形式將該信號反饋給標(biāo)調(diào)瞄組合，配合完成標(biāo)調(diào)瞄組合的鎖定控制功能。

（三）瞄準(zhǔn)系統(tǒng)模型

標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置內(nèi)部建立瞄準(zhǔn)系統(tǒng)模型，該模型產(chǎn)生尋北、方位瞄準(zhǔn)等控制信號，并以RS422串口通信的形式反饋給標(biāo)調(diào)瞄組合，控制和配合標(biāo)調(diào)瞄組合完成平臺系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)功能。

（四）測發(fā)控系統(tǒng)控制模型

標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置內(nèi)部建立測發(fā)控控制模型，該模型完成對標(biāo)調(diào)瞄組合的指令輸入，控制標(biāo)調(diào)瞄組合完成平臺的標(biāo)定、調(diào)平和瞄準(zhǔn)等功能。

系統(tǒng)的硬件原理結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

四、原理設(shè)計

標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置硬件上包括主機(jī)、可充電電源、打印機(jī)、配套電纜和相關(guān)附件等組成。

（一）標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置組成

主機(jī)為一套嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)，內(nèi)部采用PC104堆棧式結(jié)構(gòu)，堆棧式模塊包括PC104計算機(jī)主板、模擬采樣與輸出板、繼電器板1、I/O頻率模塊、繼電器板2、通信模塊和電源模塊等[6]?？沙潆婋娫磧?nèi)部有可充電電池組和電量管理電路組成，可是外接配套的充電器進(jìn)行充電，在電量滿足要求時連接W3電纜實(shí)現(xiàn)對主機(jī)的供電。圖4為標(biāo)調(diào)瞄組合檢驗裝置的工作原理圖。

（二）工作模式

標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置的工作模式包括自檢測模式、測試診斷模式和計量模擬三種。

1.自檢測模式

在該模式下，標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置通過繼電器矩陣實(shí)現(xiàn)模擬輸入與輸出自閉路、I/O自閉路、通訊自閉路等，完成自身功能的自檢測。

在自檢測過程中的各種信號可通過吉時利數(shù)字多用表進(jìn)行高精度測量，并與標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置的自檢測數(shù)據(jù)比對，從而方便地實(shí)現(xiàn)了標(biāo)調(diào)瞄的計量。

2.測試診斷模式

在該模式下，標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置完成以下功能：通過高精度電阻來模擬平臺系統(tǒng)的X、Y、Z三個通道的力矩電機(jī)線圈;通過采樣電路測量標(biāo)調(diào)瞄組合輸出的3路100mA和10mA恒流源;通過采樣電路測量標(biāo)調(diào)瞄組合輸出的3路起飛繼電器信號;通過輸出電路給標(biāo)調(diào)瞄組合的平臺電子積分器線路輸出模擬電壓信號;通過I/O電路檢測標(biāo)調(diào)瞄組合輸出的狀態(tài)信號（標(biāo)定好、XZ調(diào)平好、鎖定好、對準(zhǔn)好）;通過RS422通信分別模擬飛控機(jī)、測發(fā)控主機(jī)和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)與標(biāo)調(diào)瞄組合進(jìn)行通訊。

3.計量模式

在該模式下，標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置可自動打印出計量報告。標(biāo)調(diào)瞄組合需要計量要求包括恒流源穩(wěn)定性和V/F變換器穩(wěn)定性。

恒流源穩(wěn)定性計量的原理為標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置通過數(shù)字多用表連續(xù)測試X、Y、Z加矩電流，要求每次電流漂移不大于預(yù)設(shè)值。

V/F變換器穩(wěn)定性計量的原理為標(biāo)調(diào)瞄組合檢定裝置通過D/A通道輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓，然后通過數(shù)字多用表連續(xù)測量X、Y、Z壓頻轉(zhuǎn)換電路的輸出頻率，要求每次輸出頻率漂移不大于預(yù)設(shè)值。

（三）軟件設(shè)計

基于windows操作系統(tǒng)，采用模塊化軟件結(jié)構(gòu)包括：系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度主模塊、計量任務(wù)模塊、數(shù)據(jù)庫模塊，計量報表及打印模塊，串口通信模塊，語音提示模塊等，具有以下功能：自動進(jìn)行標(biāo)調(diào)瞄組合狀態(tài)判定;自動進(jìn)行標(biāo)調(diào)瞄組合檢定，如有不合格項，可手動對該項進(jìn)行抽測;自動將檢定數(shù)據(jù)備份至數(shù)據(jù)庫，可實(shí)時查詢，歷史數(shù)據(jù)比較等功能;自動生成原始記錄和檢定證書;語音提示功能，提醒用戶正在進(jìn)行的工作狀態(tài)。

五、結(jié)束語

本文提出的標(biāo)調(diào)瞄檢測系統(tǒng)能夠在不改變被測對象標(biāo)調(diào)瞄組合的前提條件下，通過選擇標(biāo)調(diào)瞄組合在不同調(diào)平鎖定工作模式下的特征點(diǎn)，分析特征點(diǎn)工作狀態(tài)時硬件工作邏輯，等效覆蓋檢測標(biāo)調(diào)瞄組合的硬件單元。采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、PC104系列測控模塊，實(shí)現(xiàn)了小型化的微小電流和高精度頻率檢測。通過對標(biāo)調(diào)瞄組合的電壓/頻率變換輸入電壓和輸出頻率的分別測量，實(shí)現(xiàn)了電壓源激勵下的電壓/頻率變換設(shè)備計量。

作者單位：田鋒? ? 96963部隊

張鑫? ? 火箭軍工程大學(xué)

孫蔚? ? 96963部隊

何華鋒? ? 火箭軍工程大學(xué)

李璐? ? 96963部隊

李震? ? 火箭軍工程大學(xué)

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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