基于PC104的某型飛機(jī)發(fā)射裝置便攜式通用檢查儀設(shè)計

高 濤， 齊 樂， 郭 輝

(空軍工程大學(xué)航空機(jī)務(wù)士官學(xué)校， 河南 信陽 464000)

0 引 言

我軍某新型飛機(jī)裝備的導(dǎo)彈發(fā)射裝置通過螺栓與內(nèi)側(cè)掛架固定連接， 用于懸掛和發(fā)射導(dǎo)彈， 每次任務(wù)前需要原位對飛機(jī)發(fā)射電路和該發(fā)射裝置模擬導(dǎo)彈信號進(jìn)行檢查， 判斷其是否滿足導(dǎo)彈發(fā)射要求， 但檢查信號多、 程序繁瑣， 如何有效地對發(fā)射裝置的整體電氣性能進(jìn)行檢查以保證導(dǎo)彈能夠成功發(fā)射成為航空兵部隊亟待解決的問題[1-2]. 劉成亮等[3]在VC++6.0環(huán)境下開發(fā)了基于PC104嵌入式計算機(jī)的某型導(dǎo)彈發(fā)射裝置測試系統(tǒng)， 首次實現(xiàn)了該型導(dǎo)彈發(fā)射裝置的內(nèi)場離位自動化測試. 龐瀟等[4]針對飛機(jī)機(jī)上導(dǎo)彈發(fā)控電路的檢測需求， 提出了基于PC104主板的發(fā)控電路測試儀設(shè)計方案.

隨機(jī)裝備的檢查儀以離線檢測為主， 在發(fā)射裝置裝到飛機(jī)上之前檢查控制盒電路. 根據(jù)任務(wù)要求， 在每次掛載導(dǎo)彈前需要對該型飛機(jī)的機(jī)內(nèi)發(fā)射電路和發(fā)射掛架等裝置進(jìn)行現(xiàn)場檢查， 且要求能夠適用多個型號發(fā)射掛架以實現(xiàn)原位快速檢查. 根據(jù)航空兵部隊的需要， 研制出了基于PC104的該型飛機(jī)導(dǎo)彈發(fā)射裝置通用檢查儀， 供飛機(jī)外場檢測飛機(jī)發(fā)射電路和導(dǎo)彈發(fā)射掛架發(fā)射電路的地面設(shè)備， 同時也對每個導(dǎo)彈發(fā)射架的電源部件、 發(fā)控部件等進(jìn)行檢測， 解決了導(dǎo)彈發(fā)射裝置的原位性能檢測問題.

1 系統(tǒng)功能分析

根據(jù)任務(wù)要求和發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)電路分析， 該型發(fā)射裝置測試系統(tǒng)需具有測試對象識別管理、 信號模擬和信號測試、 控制與顯示等功能.

1.1 測試對象識別管理功能

針對通用化設(shè)計要求[5]， 設(shè)計了多根與不同型號發(fā)射裝置接口相配套的測試電纜， 能夠滿足某系列飛機(jī)各型發(fā)射裝置的測試要求， 具有較強(qiáng)的通用性和防插錯設(shè)計. 系統(tǒng)程序能夠識別測試電纜和所測發(fā)射裝置測試對象型號， 在自動測試模式下完成自動測試和數(shù)據(jù)管理.

1.2 信號模擬和信號測試功能

在進(jìn)行發(fā)射裝置測試時， 根據(jù)測試要求， 測試系統(tǒng)需對機(jī)內(nèi)發(fā)射電路的信號進(jìn)行解調(diào)和測試， 模擬導(dǎo)彈的信號提供給導(dǎo)彈發(fā)射裝置， 同時對相關(guān)反饋信號進(jìn)行測試， 然后通過計算機(jī)處理后顯示、 存儲. 要求能在原位狀態(tài)和不啟動電氣系統(tǒng)情況下對發(fā)射裝置多種信號進(jìn)行性能測試和故障隔離與診斷, 并顯示檢測結(jié)果， 然后根據(jù)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷和故障隔離. 系統(tǒng)信號流向與測試功能如圖 1 所示.

測試過程中需要模擬導(dǎo)彈雷達(dá)投影信號、 導(dǎo)彈位標(biāo)器信號、 包絡(luò)信號以及導(dǎo)彈音響信號輸入給發(fā)射裝置檢查其反饋信號是否正確， 其中包絡(luò)信號為

F=Asinωt+D，

(1)

雷達(dá)投影信號為

X=Asinωt,

(2)

Y=XsinAzcosE,

(3)

Z=XsinE,

(4)

式中： sinωt為交流信號；Az為目標(biāo)俯仰；E為目標(biāo)方位[6].

圖1 系統(tǒng)信號流向與測試功能圖Fig.1 System signal flow and test function diagram

1.3 測試流程控制及信息顯示功能

系統(tǒng)能夠自動完成測試工作和任意選擇手動測試項目， 具備測試項目的運(yùn)行與終止、 操作提示、 測試結(jié)果的顯示與輸出以及測試數(shù)據(jù)的分析與保存等功能.

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

長期以來， 飛機(jī)掛載懸掛物的研制相當(dāng)分散， 各研制單位特有的飛機(jī)/懸掛物電氣連接要求使得通用檢查儀在硬件設(shè)計上一方面要充分復(fù)用靈活切換， 另一方面要能夠提供多種信號激勵來滿足不同類型信號、 幅值、 頻率和樣式的測試需求. 據(jù)此， 在整合了測試需求之后要對測試硬件進(jìn)行設(shè)計以滿足上述需求.

2.1 硬件設(shè)計

為了滿足航空兵部隊檢查多種武器裝備發(fā)射裝置的需求， 檢查儀要模擬飛機(jī)和導(dǎo)彈的有關(guān)信號、 各種可能的工作狀態(tài)， 檢查發(fā)射裝置對各種狀態(tài)的反應(yīng)， 因此， 系統(tǒng)硬件必須能夠產(chǎn)生相應(yīng)的激勵信號組， 還要達(dá)到實時測試的性能要求， 信號模擬電路設(shè)計是一個必要的組成部分. 除此之外， 為了對飛機(jī)發(fā)射電路、 導(dǎo)彈發(fā)射裝置的相關(guān)信號進(jìn)行調(diào)整以便A/D板能夠進(jìn)行模擬量的采集， 要設(shè)計信號調(diào)理電路； 為了消除瞬變脈沖對數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懀?防止互連設(shè)備損傷， 要設(shè)計隔離電路對飛機(jī)發(fā)射電路、 導(dǎo)彈發(fā)射裝置的開關(guān)量進(jìn)行光電隔離； 同時， 也要根據(jù)測試邏輯設(shè)計切換電路以按既定流程完成各測試項目. 在便攜性設(shè)計上， 系統(tǒng)構(gòu)架采用了嵌入式工控機(jī)PC104系統(tǒng)， 以滿足航空兵部隊原位測試對測試設(shè)備在結(jié)構(gòu)、 操作、 自動處理能力、 體積和便攜能力方面的要求.

硬件設(shè)計整體框架如圖 2 所示， 測試系統(tǒng)主機(jī)裝在鋁板制成的機(jī)箱內(nèi)， 控制器和電纜裝在一個專用的電纜箱內(nèi). 主機(jī)的硬件部分包括PC104計算機(jī)系統(tǒng)、 信號模擬電路、 信號調(diào)整電路、 隔離和切換電路等[7].

圖2 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖Fig.2 System hardware structure block diagram

2.2 PC104計算機(jī)系統(tǒng)

測試系統(tǒng)采用基于PC104總線的嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)作為控制核心， 整個嵌入式系統(tǒng)以功能模塊為基本組件， 通過PC104總線完成PC104模塊之間的任意搭接， 實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴(kuò)充. 該計算機(jī)系統(tǒng)采用盛博公司的軍品級PC104模塊， 包括P3主機(jī)板、 電子盤、 A/D板、 I/O板. 其中， P3主機(jī)板除了完成系統(tǒng)的控制、 數(shù)據(jù)運(yùn)算等功能外， 還負(fù)責(zé)計算機(jī)與鍵盤、 顯示等外設(shè)接口的連接.

A/D板采用多功能綜合接口板PCM-7484板， 板上集成12位單端16路模擬量輸入A/D、 4路 12位獨(dú)立模擬量電壓輸出D/A、 16路TTL電平開關(guān)量輸入、 16路TTL電平開關(guān)量輸出等多項功能， 占用連續(xù)8個I/O地址， 可以與被測對象電路對應(yīng)編碼， 通過繼電器矩陣實現(xiàn)選擇. A/D轉(zhuǎn)換芯片采用高性能AD774芯片， D/A芯片采用BB7625. A/D和D/A有多量程輸入輸出， 模擬量輸入輸出及脈沖信號由J1 26芯IDC型頭接入接出， 通過改變跳線器即可選擇A/D和D/A不同的電壓輸入輸出范圍， 滿足機(jī)內(nèi)發(fā)射電路和發(fā)射裝置多路信號A/D和D/A處理需要， 無需額外資源， 節(jié)省了設(shè)備資源和物理空間. I/O板主要完成測試項目的切換， 選用含有24路數(shù)字信號輸入輸出的嵌入式 PC 應(yīng)用模塊PCM-5131.

2.3 信號模擬與信號測試電路設(shè)計

發(fā)射裝置的測試采用通用的網(wǎng)絡(luò)分析法， 即把發(fā)射裝置看作一個多入多出的多端口網(wǎng)絡(luò)， 該網(wǎng)絡(luò)在激勵信號作用下的響應(yīng)規(guī)則是已知的， 通過在輸入端施加已知可能的激勵， 對響應(yīng)信號進(jìn)行采集記錄， 然后通過分析， 判斷其是否符合響應(yīng)規(guī)則， 從而確定發(fā)射裝置工作是否正常.

在系統(tǒng)計算機(jī)的控制下， 通過控制有關(guān)硬件模擬產(chǎn)生飛機(jī)和導(dǎo)彈的有關(guān)信號， 模擬導(dǎo)彈各種可能的工作狀態(tài)， 從而產(chǎn)生相應(yīng)的激勵信號組， 然后檢查發(fā)射裝置對各種狀態(tài)的反應(yīng)， 以達(dá)到檢查發(fā)射裝置的目的. 發(fā)控程序又對實時測試具有嚴(yán)格的要求， 因此， 用信號模擬發(fā)生器電路產(chǎn)生必要的時序波形， 如在準(zhǔn)備階段施加圖 3 所示的激勵信號， 得到對應(yīng)的響應(yīng)信號. 對準(zhǔn)備程序和發(fā)射程序分別測試， 以減少信號的需求； 對部分信號進(jìn)行回采， 以幫助進(jìn)行時序判斷.

圖3 測試信號時序示意圖Fig.3 Schematic diagram of test signal timing

發(fā)射前檢查準(zhǔn)備工作需對大量信號進(jìn)行處理， 因此， 在檢測過程中需要進(jìn)行大量的信號切換和A/D、 D/A轉(zhuǎn)換. 為減少信號處理量， 盡可能采用有代表性的激勵信號組， 從而減少需要判斷的響應(yīng)信號. 信號模擬發(fā)生電路是測試系統(tǒng)的核心控制模塊， 在進(jìn)行測試時模擬包絡(luò)信號、 音響信號等， 具體是通過波形產(chǎn)生電路來實現(xiàn)的. 基本電路均是由Max038產(chǎn)生2 V正弦信號， 配合放大器OP07 產(chǎn)生程序控制的動態(tài)測試所需的正弦信號(調(diào)幅調(diào)頻正弦波)， 提供大電流激勵信號用于模擬包絡(luò)信號、 音響信號和雷達(dá)投影信號的輸入. 其中包絡(luò)信號模擬電路原理如圖 4 所示 .

信號調(diào)理電路主要是將飛機(jī)發(fā)射電路、 導(dǎo)彈發(fā)射裝置的相關(guān)信號進(jìn)行調(diào)整， 以便A/D板能夠進(jìn)行模擬量的采集.

隔離和切換電路主要是對飛機(jī)發(fā)射電路、 導(dǎo)彈發(fā)射裝置的開關(guān)量進(jìn)行光電隔離， 同時， 通過控制不同電路的切換完成各測試項目.

圖4 包絡(luò)信號模擬電路原理圖Fig.4 Schematic diagram of envelope signal simulation circuit

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 軟件系統(tǒng)組成

本測試系統(tǒng)的軟件采用中文XP平臺， LabWindows/CVI 2013語言編程， 模塊化結(jié)構(gòu). 系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計方法， 整個測試系統(tǒng)由頂向下分層分塊， 每個模塊完成一項基本功能， 并遵循上層模塊調(diào)用下層模塊、 同層模塊不能相互調(diào)用的原則[8-9].

從總體功能模塊分， 系統(tǒng)可分為機(jī)內(nèi)發(fā)射電路測試模塊、 導(dǎo)發(fā)架測試模塊、 計量維護(hù)模塊和數(shù)據(jù)管理模塊4個主要功能模塊， 對應(yīng)于主控面板主菜單上“發(fā)射電路測試” “導(dǎo)發(fā)架測試” “計量維護(hù)” “數(shù)據(jù)管理”4個選項. 測試時， 首先進(jìn)行硬件初始化配置和系統(tǒng)自檢， 自檢通過后， 選擇功能模塊進(jìn)行測試[10]. 每一個主模塊下又可分為若干個測試項目功能子模塊， 獨(dú)立封裝便于后期維護(hù)[11].

以“發(fā)射電路測試”為例， 其子模塊分為指示燈測試、 接地測試、 直流測試等9個測試項目. 測試分為自動測試和手動測試. 自動測試時， 測試程序?qū)⒁来螆?zhí)行每個測試步驟， 并在屏幕上輸出提示信息； 手動測試時， 可以單項、 多項、 重復(fù)選擇測試步驟， 系統(tǒng)軟件工作流程如圖 5 所示.

圖5 系統(tǒng)軟件工作流程圖Fig.5 System software work flow chart

3.2 測試對象識別功能程序設(shè)計

為了實現(xiàn)設(shè)備通用化， 檢測儀配了多條電纜與不同型號飛機(jī)和發(fā)射裝置連接， 為防止硬件電纜連接插錯與測試項目不匹配， 在程序測試前首先進(jìn)行測試對象識別程序. 電纜識別電阻檢測是在對測試對象檢測開始前檢測使用的電纜所設(shè)定的編號電阻是否為測試對象型號所對應(yīng)的電阻， 并對結(jié)果進(jìn)行提示. 測試對象識別電阻檢測是對相應(yīng)的測試對象進(jìn)行識別， 防止測試對象選擇、 連接錯誤. 在連接測試電纜后啟動測試程序時， 系統(tǒng)軟件首先檢測適配器編號識別電阻的阻值， 如果在所選操作項目對應(yīng)的阻值區(qū)間內(nèi)則認(rèn)為匹配通過檢測， 適配器及測試產(chǎn)品電阻檢測通過后， 提示： “√ 測試結(jié)論： 通過”； 當(dāng)適配器及測試產(chǎn)品電阻檢測有誤時， 提示： “× 測試結(jié)論： 不通過”. 出現(xiàn)錯誤提示后， 提示請檢查相應(yīng)的適配器及測試產(chǎn)品選擇、 安裝及電纜連接是否正確. 程序流程圖如圖 6 所示.

圖6 測試對象識別程序流程圖Fig.6 Flow chart of test object recognition program

3.3 地線測試程序設(shè)計

發(fā)射裝置接地是否良好關(guān)乎航空彈藥是否在空中能夠可靠點(diǎn)火發(fā)射和投放， 是一個重要的檢測項目. 隨著武器裝備種類和功能激增， 其內(nèi)部布線變得異常復(fù)雜， 且存在潛在電路誤接通的風(fēng)險， 因此， 要對地線測試程序進(jìn)行科學(xué)設(shè)計才能確保飛行員在空中作戰(zhàn)時能夠可靠發(fā)射武器， 同時在不需要發(fā)射武器時能夠確保武器系統(tǒng)不會誤發(fā)射. 通過對發(fā)射裝置內(nèi)部線路的詳細(xì)模擬分析確保無潛在發(fā)射通路存在后， 即可開始設(shè)計地線測試程序. 下面以對某武器近炸引信和變流機(jī)啟動接地信號測試為例說明地線測試程序設(shè)計. 地線測試是在發(fā)射裝置接通直流電源后對其導(dǎo)彈接口的近炸引信、 變流機(jī)啟動、 接地等信號進(jìn)行測試， 判斷其接地是否良好. 測試開始時， 程序首先讀取電纜近炸引信、 變流機(jī)啟動、 接地等信號針腳對應(yīng)的I/O地址， 若為“高”則判斷接地測試接通； 最后再驗證測試整個I/O地址數(shù)據(jù)和是否為設(shè)定值， 若為則其他針腳對應(yīng)的I/O地址數(shù)據(jù)正常， 整個接地測試成功. 其測試過程如圖 7 所示.

圖7 地線測試程序流程圖Fig.7 Flow chart of ground wire test procedure

4 實驗結(jié)果與分析

4.1 實驗步驟和方法

4.1.1 設(shè)備連接與自檢

將檢查儀放置于飛機(jī)機(jī)翼前方， 保證檢查儀放置平穩(wěn)且所有開關(guān)置于“關(guān)”位置. 導(dǎo)彈發(fā)射裝置懸掛在機(jī)翼下部的懸掛梁上， 與機(jī)載控制電路聯(lián)通， 保證電氣聯(lián)通. 按發(fā)射裝置型號選擇測試電纜， 將測試電纜一端與檢查儀上的主電纜插座相連， 另一端與發(fā)射裝置剪切插頭相連， 點(diǎn)火電纜一端與檢查儀上的點(diǎn)火電纜插座相連， 另一端與發(fā)射裝置后部點(diǎn)火電纜插座相連. 檢查連接線應(yīng)正確， 各開關(guān)應(yīng)處于正確位置； 正確連接交流220 V和直流28 V電源， 啟動電源， 接通測試儀交流220 V電源開關(guān). 在檢查儀軟件啟動界面提示框顯示加電自檢通過.

接通直流28 V電源開關(guān)， 28 V指示燈亮且28 V和11.5 V虛擬電壓表均有指示. 按“執(zhí)行”按鈕， 再按“自動”按鈕后將自動完成檢查儀的自檢. 自檢項目及要求如表 1 所示. 每一項自檢合格則提示框會顯示“PASS”字樣， 且合格指示燈亮； 如有不合格項， 則顯示“NOPS”字樣， 且故障指示燈亮.

表 1 自檢項目實驗結(jié)果Tab.1 Experimental results of self-check items

4.1.2 機(jī)內(nèi)發(fā)射電路檢查功能實驗

從主菜單進(jìn)入檢查飛機(jī)發(fā)射電路操作界面， 可以根據(jù)測試需要通過上、 下、 左、 右按鍵選擇相應(yīng)測試項目， 按“確定”后進(jìn)入相應(yīng)測試界面， 根據(jù)測試提示信息進(jìn)行相應(yīng)操作， 測試完成后記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)， 按“返回”按鍵返回功能選擇界面， 依次類推， 分別選擇其它測試項目進(jìn)行測試， 整個測試完成后返回上一級菜單. 同時采用示波器和數(shù)字多用表對檢查儀的機(jī)內(nèi)發(fā)射功能檢查信號進(jìn)行聯(lián)機(jī)實驗測試， 其部分信號測試結(jié)果如表 2 所示.

表 2 機(jī)內(nèi)發(fā)射電路檢查功能實驗結(jié)果Tab.2 Test results of the test function of the transmittercircuit inside the machine

4.1.3 導(dǎo)發(fā)架檢查功能實驗

將導(dǎo)彈發(fā)射裝置懸掛在機(jī)翼下部的懸掛梁上； 將發(fā)射架測試電纜一端與主機(jī)的插座相連， 另一端與發(fā)射裝置剪切插頭相連； 將發(fā)動機(jī)點(diǎn)火電纜一端與主機(jī)的相應(yīng)插座相連， 另一端與發(fā)射裝置后部點(diǎn)火電纜插座相連. 同時采用三用表校驗儀、 直流穩(wěn)壓電源、 示波器和數(shù)字多用表對發(fā)射裝置的機(jī)內(nèi)發(fā)射功能進(jìn)行聯(lián)機(jī)實驗測試.

在軟件界面選擇導(dǎo)發(fā)架發(fā)射電路操作界面， 可以根據(jù)測試需要通過上、 下、 左、 右按鍵選擇相應(yīng)測試項目， 根據(jù)操作提示將飛機(jī)內(nèi)相應(yīng)旋鈕放置在正確位置， 按“確定”后進(jìn)入相應(yīng)測試界面.

4.2 測試結(jié)果與分析

從表 1 和表 2 測試數(shù)據(jù)結(jié)果可以看出， 系統(tǒng)可以測試、 顯示、 記錄正常的機(jī)內(nèi)測試與導(dǎo)發(fā)架測試功能的實驗結(jié)果， 所有檢查儀檢查結(jié)果與用萬用表測試值相比均偏低， 分析原因是專用電纜接入后導(dǎo)線電阻損耗較大， 與正常值誤差均在±1% 以內(nèi)， 每次測試結(jié)果以 .txt 文件格式按照測試時間自動記錄， 達(dá)到了設(shè)計要求.

5 結(jié) 論

該型發(fā)射裝置檢查儀研制成功后， 已推廣到航空兵部隊使用. 經(jīng)過可靠性分析與試驗， MTBF≥1 000 h， 故障檢測率Fd≥98%， 故障隔離率Fi≥80%， 虛警率Fa≤5%. 與原隨機(jī)裝備的檢查設(shè)備比較， 該檢查儀擴(kuò)展了原位檢查功能， 相比原檢查設(shè)備直流項目測試精度提高了±1%， 交流項目提高了±2%； 實現(xiàn)了自動測試和記錄數(shù)據(jù)， 效率有較大提升. 實踐證明， 以PC104工控機(jī)為核心的系統(tǒng)實現(xiàn)了通用化和小型化設(shè)計， 體積小、 重量輕、 自動化及智能化程度高， 該檢查儀能夠?qū)⒍嘈吞柕陌l(fā)射裝置與發(fā)射電路的外場原位測試與故障隔離融于一體， 提高了測試的效率和可靠性， 有效保障了發(fā)射裝置的安全， 取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和軍事效益.