趙 鑫，張振友，王長升

（防空兵學院，鄭州 450052）

某型自行高炮工況分析儀的設計與實現*

趙 鑫，張振友，王長升

（防空兵學院，鄭州 450052）

針對某型自行高炮缺少總線數據記錄和分析手段的問題，基于雙機分離、協(xié)議轉換、時序分析等技術，實現了CAN總線數據實時采集、存儲、轉發(fā)、回放和時序錯誤監(jiān)測；基于相關性分析實現智能故障定位，基于統(tǒng)計分析實現總線性能評價。為部隊提高裝備訓練、維護水平提供了有力技術支撐。

CAN總線，自行高炮，數據采集，協(xié)議轉換，相關分析，雙機分離

0 引言

某型自行高炮是我軍新型的防空武器，工況數據通過CAN總線進行傳輸。為滿足裝備工況的實時監(jiān)測和事后故障分析的要求，通常采用工況記錄（黑匣子）實時記錄在線數據，為事后裝備性能分析、故障診斷等提供依據。某型自行高炮底盤部分應用了數據記錄與分析儀，但上裝部分目前仍是空白。上裝工況分析儀可對CAN總線數據實時獲取、存儲和遠程監(jiān)控；基于總線數據的時序分析，可對各節(jié)點時序故障報警；基于總線歷史數據的分析，可進行故障智能定位、總線性能評價。

1 CAN總線數據分析

為實現CAN總線數據的實時采集和存儲，需要首先對自行高炮的CAN總線布局、數據結構、發(fā)送策略進行分析，以確定數據采集算法。

自行高炮CAN總線采用CAN 2.0B標準總線協(xié)議，總線通信速率為500 kb/s，同步信號是RS-485規(guī)范的周期性方波脈沖信號。CAN總線分為兩層，數據的發(fā)送策略較為復雜，其中一層CAN采用周期傳輸方式，二層CAN采用“發(fā)現即傳輸”方式，具有隨機性，在采集算法設計時應充分考慮。

CAN總線數據幀為短數據報文，由幀起始、仲裁域、控制域、數據域、CRC域、應答域、幀結尾等7個位域組成，共132比特。

2 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)包括主機及軟件兩部分。主機通過兩根CAN數據線與自行高炮的中繼測試盒相應接口連接，通過一根電源電纜與自行高炮備用電源電纜連接；當需要遠程監(jiān)控時，通過以太網口將CAN總線數據轉發(fā)到遠程監(jiān)控計算機，系統(tǒng)連接關系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)連接示意圖

系統(tǒng)主要具有CAN總線數據的實時采集與存儲、各單體的在線時序監(jiān)測、遠程在線監(jiān)測和存儲、離線數據回放和曲線顯示、基于離線數據分析的故障診斷和基于離線數據分析的總線性能評價等功能。

2.1 雙機分離設計

為便于后期分析，系統(tǒng)要求在數據采集時記錄采集時間，而CAN總線在高速運行時約0.26ms就會發(fā)出一幀CAN數據，常用操作系統(tǒng)的任務時鐘難以滿足加注時標的這一任務要求，而在實時取數的同時進行存儲和轉發(fā)就更為困難。

圖2 工況分析儀主機邏輯結構

為解決這一問題，在工況分析儀主機設計中采用雙機分離和并行工作的設計思想，如圖2所示，下位機采用實時操作系統(tǒng)Free RTOS，利用實時任務調度時鐘完成實時取數和加注時標任務，同時轉發(fā)給上位機；上位機采用WIN XP系統(tǒng)，完成實時存儲，同時利用剩余的計算資源進行數據時序分析和故障代碼顯示。

在實時數據采集算法中還有一個細節(jié)設計，由于自行高炮兩層CAN總線采用不同的數據發(fā)送策略，如采用常用的中斷方式采集數據，則可能產生兩層CAN數據中斷沖突，從而導致取數失敗，因此，算法采用查詢方式采集數據，保證實時數據采集不丟數。

2.2 CAN數據重構和協(xié)議轉換

CAN數據幀采用的是一種短而快速的串行數據通信方式，因此，系統(tǒng)在進行實時數據采集設計時，利用Free RTOS較高精度的任務調度時鐘進行數據時標加注；但系統(tǒng)設計中下位機和上位機的通信及上位機與遠程監(jiān)控計算機的通信若仍采用CAN總線傳輸，則必然給實時存儲和遠程監(jiān)控軟件的開發(fā)增加困難。

表1 CAN數據編碼格式

為解決這一問題，下位機在數據采集后通過如表1所示的編碼格式，按照CAN段標記域、標志域、數據域、時標域順序將CAN數據和時標數據重新編碼為20個字節(jié)，再按照兩個CAN1、兩個CAN2和一個時標的順序重構為100個字節(jié)的UDP數據報文向上位機發(fā)送。通過任務的合理分配，實現了對短而快速的串行數據通信——CAN總線的實時處理，將其轉變?yōu)檩^長而更加快速的串行數據通信——以太網數據傳輸，進而轉變?yōu)閿祿枯^大，但處理緩慢的硬盤數據讀寫操作，從而解決了遠程監(jiān)控和實時存盤問題。

在傳輸層采用無連接的UDP協(xié)議可快速建立連接，但也可能存在丟包和亂序問題，為此，系統(tǒng)采用冗余傳輸的方式解決丟包問題，采用驗證時標計數的方式解決亂序問題。

2.3 數據相關性分析和故障定位

上裝工況分析儀采集存儲的CAN總線數據主要用于操作回放、狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，主機為滿足實時取數、存儲和轉發(fā)功能需求，只做了分系統(tǒng)或裝置的時序錯誤判斷，主要的數據挖掘工作由遠程監(jiān)控計算機的離線分析程序完成。

離線分析程序對自行高炮方位角、高低角、航向角、縱搖角、橫滾角、目標速度、斜距離等重要技術指標的多個相關總線數據輸出進行曲線擬合和相關分析，形成關聯(lián)數據約束規(guī)則，結合常見故障特征庫規(guī)則，即可進行智能故障定位。

如搜索雷達、火控計算機、穩(wěn)定跟蹤伺服、受信儀、隨動系統(tǒng)、方位測量裝置、尋北儀、導航姿態(tài)等單體都會輸出方位角信息，其中搜索雷達方位角βs、伺服方位角βt、隨動受信儀方位角βsp、炮塔方位角測量裝置測得的方位角βpt、火控方位角主令βtc滿足以下限制：

Δ1為受信儀與炮塔方位角測量裝置之間的測量誤差；

Δ2為火炮隨動誤差；

Δ3為身管指向與搜索雷達電軸指向的誤差；

Δ4為穩(wěn)定跟蹤器方位與身管指向的誤差；

Δ5為火炮動態(tài)跟蹤方位隨機誤差(均方差)。

3 硬件實現

上裝工況分析儀主機由下位機、上位機、電源板組成，其內部組成如圖3所示。

下位機主要由嵌入式單板機、雙端口隔離CAN卡、時標接口板和CF卡組成。單板機上運行的是存儲在CF卡上的Free RTOS操作系統(tǒng)，下位機利用北斗時標模塊時間信息中的秒脈沖信號和絕對時標（RS-232信號）作為時間基準及粗分劃，Free RTOS實時操作系統(tǒng)任務周期作為時間精細刻度分劃，以精、粗分劃組合讀數為采集數據加注較高精度的時標信息。系統(tǒng)在每個任務周期通過CAN卡取出來自中繼測試盒的兩層CAN數據，送入編碼模塊。編碼模塊完成CAN總線數據到UDP數據包的轉換，并通過以太網將其發(fā)送到上位機。

圖3 工況分析儀主機內部組成

上位機主要由嵌入式單板機、SSD硬盤、數碼顯示板、I/O接口板等組成。上位機通過網線與下位機連接，采用XP操作系統(tǒng)。上位機利用雙網卡將接收到的UDP協(xié)議數據包直接向外轉發(fā)到遠程控制計算機，同時通過解碼模塊對接收到的UDP協(xié)議數據包解碼獲取工況數據，進行存盤、計數和時序故障分析。

電源板通過一根電源電纜與自行高炮備用電源電纜連接，用于將自行高炮工作電源轉換為系統(tǒng)所需的直流+5V工作電源。

4 軟件實現

軟件由運行于主機上數據采集軟件和運行于遠程監(jiān)控計算機上的工況分析軟件組成。

數據采集軟件在工況分析儀主機的下位機Free RTOS系統(tǒng)和上位機WINXP系統(tǒng)上運行，包含Free RTOS系統(tǒng)CAN卡驅動和網絡編程支持模塊、CAN總線數據讀取模塊、北斗時標模塊、數據編碼模塊、數據監(jiān)測模塊及數據存儲模塊等。數據采集軟件流程如圖4所示。

首先將DOS下的CAN接口驅動及基于Packet Driver的socket編程方法移植到Free RTOS系統(tǒng)中，使其支持CAN卡編程和UDP網絡通信；CAN總線數據讀取模塊主要針對雙端口隔離CAN卡中CAN控制器SJA1000的連接原理進行程序設計，通過每個Free RTOS系統(tǒng)任務周期執(zhí)行兩次查詢取數操作，確保完整獲取CAN總線數據；北斗時標模塊讀取北斗時標數據用于后續(xù)時標計數；數據編碼模塊用于解析CAN數據幀標志、數據域，存入緩存并把當前實時調度任務的時鐘計數值附加到緩存區(qū)的時標字段，重構為較長的以太網數據幀；數據監(jiān)測模塊用于解析以太網數據幀進行計數，并按各分系統(tǒng)或裝置時序規(guī)則判斷時序錯誤，將計數及時序錯誤信息顯示在LED顯示屏上；數據存儲模塊用于存儲CAN數據及實時時標信息。

圖4 操作程序流程圖

上裝工況分析軟件（組成如圖5所示）在遠程監(jiān)控計算機上運行，主要分為在線監(jiān)測和離線分析兩部分。

分析軟件的在線監(jiān)測主要由4個子模塊組成。狀態(tài)顯示模塊用于監(jiān)控單體工作狀態(tài)數據；操作監(jiān)視模塊用于檢測操作手是否按正確的操作順序和參數設置要求進行裝備操作；實時數據模塊是為了指揮員和技術人員能夠準確掌握主要單體的運行數據參數和系統(tǒng)軸系的一致性進行數據選取輸出；時序監(jiān)測模塊用于檢測CAN總線上各單體的工作時序，與上位機中數據監(jiān)測模塊功能相同。

圖5 離線分析程序組成

分析軟件的離線分析主要由5個子模塊組成。數據文件解析模塊將數據存儲文件提取到計算機內存中，并進行文件格式轉換，以便進一步分析；操作數據回放模塊將操作手主要操作按時標信息以文字形式回放；操作數據顯示模塊將CAN數據以文本文件形式打開，以便進行具體分析；故障診斷模塊對各單體之間相關數據進行對比分析，通過閾值判斷等方法確定是否有故障或工作性能是否符合設計要求；性能評價模塊對兩層CAN總線中各單體的工作性能進行分析和評價。

5 系統(tǒng)應用

系統(tǒng)已應用于部隊訓練，并對裝備維護水平的提高起到了積極作用，本文通過一次故障定位實例加以說明。

故障現象：身管高低抖動。

故障分析與定位：

第1步，導入數據。將故障前1 h到發(fā)生故障時采集數據導入離線分析程序，圖6給出了各單體在同步時統(tǒng)序號為8 000附近時的數據曲線；

第2步，分析定位。系統(tǒng)基于知識庫和數據相關性約束規(guī)則，對身管數據相關單體進行數據檢查。按照關聯(lián)順序依次檢查受信儀高低角、火控隨動主令高低角、搜索雷達高低角、雷達紅外電視測角、激光雷達測距、火控解算數據。檢查中發(fā)現受信儀高低角、火控隨動主令高低角數據在同步時統(tǒng)序號為8 000附近有抖動，但搜索雷達高低角無抖動，說明目標飛行穩(wěn)定；進一步檢查激光測距機的輸出數據在同步時統(tǒng)序號8 000時為0，通過查看激光測距機狀態(tài)信息碼，最終系統(tǒng)自動得出故障原因是激光測距機因超時工作而自動停機。

這一故障排查過程自動完成，并最終輸出準確的故障定位，顯著提高了裝備智能故障診斷的自動

圖6 名單體在同步時統(tǒng)序號為8 000附近時的數據曲線化水平。

6 結束語

系統(tǒng)創(chuàng)造性地應用雙機分離設計思想，綜合采用實時操作系統(tǒng)、CAN總線-以太網網絡協(xié)議轉換技術、時標技術、相關性分析技術等方法，有效解決了CAN總線數據實時提取、存儲困難的問題；通過對各節(jié)點時序的自動監(jiān)聽，及對總線歷史數據的分析，實現了對上裝各單體的總線性能評價和智能故障定位，為裝備維護保養(yǎng)、訓練評估、故障診斷提供了有力的技術支撐手段。

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A Design and Im p lementation of Artillery Condition Analyzer

ZHAOXin，ZHANGZhen-you，WANGChang-sheng
（Air Defense Forces Academy，Zhengzhou 450052，China）

The work condition analyzer is designed against the problem that the methods of bus data recording and analysis in the self-propelled antiaircraft gun are lacked.It implements real time collection,storage,relay,replay and time series mistaken monitoring,based on the technologies of double engine cooperation,protocol conversion,time series analysis.It can achieve bug location and property evaluation based on relevance analysis and statistics analysis.It can offer powerful technology support improving the equipment training and maintaining level.

CAN bus，self-propelled antiaircraftgun，data acquisition，protocol transition，correlation analysis，doubleengine cooperation

TJ393

A

1002-0640（2015）11-0159-04

2014-09-05

2014-11-02

軍隊技術革新項目

趙 鑫（1979- ），男，山西長治人，博士，講師。研究方向：自行高炮，網絡安全技術。