魯吉林， 李衛(wèi)士， 金曉輝， 張偉民

（1.陸軍工程兵軍代局， 北京 100093； 2.32184部隊(duì)， 江蘇 南京 210028）

引言

某型火箭掃雷車火控系統(tǒng)是該裝備的核心部件，其故障將直接影響裝備效能的發(fā)揮。該車火控系統(tǒng)的故障涉及到強(qiáng)電、機(jī)械和弱電控制等多個(gè)環(huán)節(jié)，故障原因復(fù)雜且影響嚴(yán)重。本文提出研制該型裝備的火控系統(tǒng)檢測(cè)儀，可對(duì)其火控系統(tǒng)進(jìn)行故障在線檢測(cè)、診斷與定位，能夠有效地解決該裝備在使用維護(hù)中面臨的實(shí)際困難。

該部掃雷裝備火控系統(tǒng)檢測(cè)儀可用于：檢測(cè)、判斷該型火箭掃雷車發(fā)火系故障；指導(dǎo)維修人員進(jìn)行故障排除；在作戰(zhàn)訓(xùn)練過程中出現(xiàn)故障而不易修復(fù)的情況下，可代替火控系統(tǒng)發(fā)火器工作，是集檢測(cè)、診斷（專家系統(tǒng)）與代用于一體的多功能綜合檢測(cè)設(shè)備。

1 火控系統(tǒng)故障模式和特征參數(shù)研究

根據(jù)圖1，可以將發(fā)火器的故障歸類為線路故障和信號(hào)故障等兩大類。其中線路故障主要表面為斷路、短路、搭鐵和接觸不良（松脫、臟污、碳化等），而信號(hào)故障則表現(xiàn)為電壓過低、功率不足、通道信號(hào)間隔過小、間隔不勻、信號(hào)次序混亂等現(xiàn)象。因此，我們選擇了點(diǎn)火信號(hào)的功率、信號(hào)脈沖寬、信號(hào)時(shí)序、各通道信號(hào)間隔、和觸發(fā)信號(hào)的上升斜率等5個(gè)參數(shù)做為檢測(cè)參數(shù)，并確定了存在故障的部位分布于蓄電池、電磁機(jī)構(gòu)、配電裝置、航空插頭、發(fā)射插座、發(fā)射按鈕、傳輸電纜等處。

圖1 火控系統(tǒng)工作原理圖

2 檢測(cè)儀功能與組成

該火控系統(tǒng)檢測(cè)儀主要用于對(duì)GSL110A型火箭掃雷車點(diǎn)火器性能進(jìn)行評(píng)估，必要時(shí)可以代用發(fā)火器進(jìn)行火箭發(fā)射。它提供簡(jiǎn)易模式和專家模式兩種工作方式，既可以方便地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)發(fā)射模擬檢測(cè)，也可以實(shí)時(shí)傳輸發(fā)火器工作信號(hào)，通過圖形界面的專家系統(tǒng)全面直觀地反映發(fā)火器的工作狀況，對(duì)發(fā)火器性能進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)。

檢測(cè)儀為嵌入式系統(tǒng)[1-2]，由基于多微處理器的硬件系統(tǒng)和基于專家系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)組成。硬件由微處理器、輸入/輸出設(shè)備、顯示設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備組成基本的智能處理系統(tǒng)，通道選擇陣列和顯示陣列與具體的發(fā)射通道相對(duì)應(yīng)，用于信息的復(fù)合顯示。輸出陣列用于代用輸出。功率檢測(cè)陣列用于檢測(cè)各通道的功率輸出功能，內(nèi)部顯示陣列用于本系統(tǒng)的內(nèi)部診斷，與實(shí)際輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)。軟件系統(tǒng)內(nèi)置了專家系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)代用、系統(tǒng)診斷和排障向?qū)?。檢測(cè)儀的總體結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。

3 檢測(cè)儀的硬件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式主控制電路設(shè)計(jì)[3-4]

主控制電路由2片STC12C5A60S2單片機(jī)、128 KB外部擴(kuò)展RAM、LCD顯示器、導(dǎo)航按鍵（用戶指令輸入鍵盤）等組成。STC12C5A60S2是宏晶電子的新一代1T單片機(jī)，指令速度可達(dá)35 MHz，相當(dāng)于普通12周期單片機(jī)的420 MHz的處理能力，含有最多44個(gè)IO通道、2路PWM、2個(gè)串行口和8路10位AD轉(zhuǎn)換通道，AD轉(zhuǎn)換速度可達(dá)250 KPS，還具有內(nèi)部EEPROM?？紤]到本系統(tǒng)的實(shí)際資源需要，采用了2片單片機(jī)用串行口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)高速交換。系統(tǒng)外擴(kuò)了128 KB RAM用于存放大量的采樣數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用7寸真彩液晶屏進(jìn)行高親和力界面顯示。

圖2 火控系統(tǒng)故障檢測(cè)儀組成

3.2 發(fā)火信號(hào)采樣電路

圖3 是通道0和通道1的信號(hào)采集與功率輸出電路。數(shù)據(jù)采樣電路由功率檢測(cè)電路、內(nèi)部通道指示電路和單片機(jī)內(nèi)部的AD采樣功能共同構(gòu)成。功率檢測(cè)電路提供47Ω1 W的負(fù)載電阻，如圖3中的R230和R231，發(fā)火器的點(diǎn)火信號(hào)通過適配器電纜接AD0和AD1端口，在R230的R231功率電阻上產(chǎn)生壓降，完成電壓變換功能。此電壓信號(hào)通過R220和R221分別輸入到IO0、IO1等，最后送入嵌入式微控制器內(nèi)置AD中，微控制器就可得到能反映發(fā)火器系統(tǒng)的負(fù)載條件下的實(shí)際情況的狀態(tài)信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行高速采樣。內(nèi)部通道指示電路實(shí)時(shí)地顯示外部信號(hào)的輸入情況，便于檢測(cè)儀的系統(tǒng)維護(hù)。其它8個(gè)通道的電路原理與圖3相同。

圖3 信號(hào)采樣與功率輸出電路

3.3 代用輸出電路

代用輸出電路由通道選擇陣列、功率輸出陣列和單向輸出陣列組成。通道選擇與具體的發(fā)射通道相對(duì)應(yīng)，用戶可以選擇相應(yīng)的發(fā)射通道。功率輸出陣列由MC33286、D201及外圍電路組成（見圖3）。考慮到火箭發(fā)射是一個(gè)瞬態(tài)大功率的過程，因此代用采用功能通過6 A的寬電壓芯片MC33286實(shí)現(xiàn)。它是一種車用雙邊功率開關(guān)，可以直接與微控制器連接，控制由蓄電池提供的大功率點(diǎn)火電流信號(hào)。與機(jī)械式繼電器相比，具有可靠性高、保護(hù)性好和自診斷能力強(qiáng)等特點(diǎn)，能反饋?zhàn)陨砀魍ǖ赖臓顟B(tài)，滿足火箭發(fā)射的安全需要。單向輸出陣列實(shí)現(xiàn)了檢測(cè)與代用信號(hào)的隔離，既保護(hù)了MC33286芯片，又實(shí)現(xiàn)了端子的利用，縮小了系統(tǒng)體積。圖3中的二極管D201和D200完成單向輸出和保護(hù)的功能。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件系統(tǒng)功能

1）安全可靠的數(shù)據(jù)通信。即能夠正確地接收檢測(cè)儀發(fā)送的各種數(shù)據(jù)，并能準(zhǔn)確地向檢測(cè)儀發(fā)送各種命令。

2）基于發(fā)火原理的分析算法。能夠?qū)魉蛠淼姆从嘲l(fā)火器工作情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行合理分析，得出指導(dǎo)性的結(jié)論。

3）基于數(shù)據(jù)庫的向?qū)?。在發(fā)火器工作出現(xiàn)異常時(shí)，能夠?qū)Τ霈F(xiàn)的異常情況做出合理判斷，并給出指導(dǎo)性的操作方向。

4）實(shí)時(shí)的信息顯示。能夠正常反映通信情況，便于檢測(cè)人員正確判斷。

5）單通道詳細(xì)信息統(tǒng)計(jì)。能夠顯示單通道波形，給出發(fā)射信號(hào)起始時(shí)刻、發(fā)射信號(hào)終止時(shí)刻、發(fā)射脈沖個(gè)數(shù)、發(fā)射信號(hào)寬度、主信號(hào)寬度、上通道發(fā)射結(jié)束時(shí)刻、與上通道發(fā)射間隔、下通道發(fā)射結(jié)束時(shí)刻、與下通道發(fā)射間隔、同時(shí)發(fā)射的通道數(shù)目等10個(gè)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)信息，便于檢測(cè)人員做出正確判斷。

6）全通道波形顯示。將10個(gè)通道的波形顯示在同一坐標(biāo)下，容易理清它們間的相互關(guān)系。

4.2 軟件設(shè)計(jì)方案

按照軟件功能要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，如下頁圖4所示。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了2種工作模式（即簡(jiǎn)易模式和專家模式）下的工作，在簡(jiǎn)易模式下，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的系統(tǒng)檢測(cè)和系統(tǒng)代用，在專家模式下，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)檢測(cè)、系統(tǒng)代用、排障向?qū)Ш蛥?shù)管理四個(gè)功能[5]。系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)通道數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采樣并進(jìn)行深層次分析，提供各通道的信號(hào)參數(shù)和通道間關(guān)系。系統(tǒng)代用則依據(jù)操作者的實(shí)際選擇通道完成系統(tǒng)的臨時(shí)發(fā)射代用工作。在系統(tǒng)檢測(cè)完成后，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)工作不正常，可以在排障向?qū)У闹敢乱徊讲酵瓿晒收系淖詈蠖ㄎ?，幾乎可以定位到元件?jí)。參數(shù)管理用于對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的參數(shù)設(shè)置，如各種檢測(cè)參數(shù)、代用參數(shù)、通信波特率等。

圖4 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4.3 系統(tǒng)檢測(cè)

系統(tǒng)檢測(cè)功能是一個(gè)基礎(chǔ)功能，不僅在簡(jiǎn)易模式和專家模式中的系統(tǒng)檢測(cè)中需要使用，在專家模式中的排障向?qū)е校残枰{(diào)用其核心模塊[6]。

系統(tǒng)檢測(cè)的流程框圖如圖5所示。它實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的定時(shí)循環(huán)采樣，并依據(jù)不同的工作模式實(shí)現(xiàn)了不同的數(shù)據(jù)處理方案[7]。從圖中可以看出，該功能共分檢測(cè)準(zhǔn)備、檢測(cè)過程和檢測(cè)分析三個(gè)階段。在檢測(cè)準(zhǔn)備階段，主要完成系統(tǒng)使用提示、狀態(tài)選擇按鈕位置是否正確以及開始按鍵是否正確按下三項(xiàng)工作。在檢測(cè)過程中，系統(tǒng)采用定時(shí)模式即在設(shè)定的時(shí)間內(nèi)高速采集各通道信號(hào)并進(jìn)行臨時(shí)分析，當(dāng)所采樣的通道滿足電壓條件時(shí)即使對(duì)應(yīng)的指示燈工作。檢測(cè)分析階段主要對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，選擇電壓、脈沖寬度、上升斜率、通道間隔和通道順序5個(gè)參數(shù)作為對(duì)通道發(fā)射信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)依據(jù)。

圖5 系統(tǒng)檢測(cè)流程圖

4.4 系統(tǒng)代用

主要用于火控系統(tǒng)的臨時(shí)代用，根據(jù)操作者所選擇的通道依次發(fā)射出對(duì)應(yīng)的火箭。其流程也分為三個(gè)階段：發(fā)射準(zhǔn)備、發(fā)射和發(fā)射結(jié)束。

發(fā)射準(zhǔn)備階段主要完成選擇開關(guān)檢測(cè)和開始按鈕是否按下。在發(fā)射按鈕按下前，系統(tǒng)檢測(cè)操作者所選擇的通道并點(diǎn)亮對(duì)應(yīng)的通道指示燈。按下開始按鈕后，轉(zhuǎn)入發(fā)射階段。在該階段，首先獲取用戶選擇的全部通道，然后按序號(hào)進(jìn)行發(fā)射并依次熄滅對(duì)應(yīng)通道指示燈。所有選擇的通道發(fā)射完畢后，系統(tǒng)轉(zhuǎn)入發(fā)射結(jié)束狀態(tài)，在該狀態(tài)，系統(tǒng)等待用戶操作，如在設(shè)定時(shí)間內(nèi)無操作（簡(jiǎn)易模式），系統(tǒng)轉(zhuǎn)入下一輪發(fā)射。

5 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的故障檢測(cè)儀，整體布局設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)、外形美觀大方、設(shè)備安裝牢固，面板與操作器件直觀易懂，堅(jiān)固耐用，美觀大方。系統(tǒng)的成功開發(fā)大大減輕了該型車火控系統(tǒng)的維護(hù)工作量，使檢測(cè)過程快速有效。同時(shí)，它能夠全面把握發(fā)火器性能，使火箭因發(fā)火器性能問題而導(dǎo)致發(fā)射失敗甚至出現(xiàn)危險(xiǎn)的幾率降至最低。綜合其研制試用過程，此系統(tǒng)著眼于使用對(duì)象，突出了產(chǎn)品的智能性與實(shí)用性，具有很好的實(shí)用價(jià)值和推廣應(yīng)用前景。

5.1 雙CPU協(xié)同技術(shù)

系統(tǒng)采用了2個(gè)CPU進(jìn)行協(xié)同工作，一個(gè)為主CPU，完成系統(tǒng)顯示，狀態(tài)轉(zhuǎn)換等與操作者交互的主要工作，一個(gè)為從CPU，完成主CPU賦予的具體任務(wù)，如檢測(cè)信號(hào)、顯示通道指示燈、完成火箭發(fā)射等。2個(gè)CPU間采用串行方式進(jìn)行信息交互。

5.2 系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)

通過對(duì)發(fā)火器工作原理的深入分析，將其工作波形分成電壓、脈寬、時(shí)序、上升斜率、通道間隔五個(gè)參量，并編制成算法對(duì)這五個(gè)參量進(jìn)行分析，以協(xié)助檢測(cè)人員判斷，用戶也可以選取詳細(xì)信息以獲得波形和額外的統(tǒng)計(jì)信息。

5.3 故障排除技術(shù)

故障診斷是一項(xiàng)復(fù)雜的技術(shù)。本系統(tǒng)以5個(gè)通道參量為指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了對(duì)故障的全面評(píng)估和定位，以經(jīng)典的逐次排除法為主，引入直接定位法和差異法大幅度提高排障效率。

逐次排除法即經(jīng)典的故障樹法，建立在對(duì)系統(tǒng)詳盡分析的基礎(chǔ)上。本系統(tǒng)一共提取了7個(gè)故障源。各個(gè)故障源之間必須有明確的界定依據(jù)，界定依據(jù)的確立是其中的關(guān)鍵。

系統(tǒng)引入了直接定位法，即根據(jù)現(xiàn)象直接發(fā)現(xiàn)問題的所在。例如對(duì)通道順序的判斷可以直接將故障定位于接線端子錯(cuò)誤等。

差異法是根據(jù)通道的個(gè)性與共性共同裁決以找到直接可靠的界定依據(jù)。由于系統(tǒng)有10個(gè)通道，這些通道具有共性，也具有個(gè)性。若某個(gè)指標(biāo)均為異常，則該故障現(xiàn)象一定是由于一些共同的決定因素引起。如假定所有通道的電壓均低于指標(biāo)，則一定是由于蓄電池或主傳輸電纜故障引起。

5.4 狀態(tài)機(jī)編程技術(shù)

由于系統(tǒng)涉及的狀態(tài)繁多，狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件復(fù)雜，采用常規(guī)的面向過程編程容易產(chǎn)生邏輯錯(cuò)誤，降低系統(tǒng)的可靠性。為此，在設(shè)計(jì)時(shí)引入了較新的狀態(tài)機(jī)編程技術(shù)，嚴(yán)格地分離了狀態(tài)轉(zhuǎn)移條件和具體的系統(tǒng)功能，極大地提高了系統(tǒng)自身的可靠性。

5.5 自我檢測(cè)技術(shù)

采用CRC算法對(duì)程序自身的完整性進(jìn)行檢驗(yàn)。

5.6 安全的火箭發(fā)射指令

一是負(fù)邏輯觸發(fā)，解決系統(tǒng)復(fù)位時(shí)的短時(shí)高電平問題。二是設(shè)置函數(shù)入口指令，非正常進(jìn)入函數(shù)則拒絕執(zhí)行發(fā)射程序。三是短暫狀態(tài)保持，即發(fā)射指令滿足標(biāo)準(zhǔn)后即變成低電平，以避免發(fā)射失敗后處理時(shí)的意外。

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