基于PC104的某型導(dǎo)彈隨動裝置檢測系統(tǒng)設(shè)計

尉廣軍，何 鵬，姚志敏，史連艷

（軍械工程學(xué)院 導(dǎo)彈工程系，河北 石家莊 050003）

某型導(dǎo)彈的隨動裝置是該導(dǎo)彈發(fā)控系統(tǒng)的重要組成部分，它控制發(fā)射制導(dǎo)裝置的彈架，使發(fā)射軌線在方位和高低兩方向上與瞄準(zhǔn)線同步隨動，二者的誤差保持在規(guī)定值內(nèi)，使導(dǎo)彈發(fā)射后進(jìn)入測角儀的光學(xué)視場。該裝置的性能直接影響導(dǎo)彈發(fā)射的成功率。

該型導(dǎo)彈發(fā)射車雖然配備了檢測工程車，但檢測工程車只能將故障定位到隨動裝置的各個分系統(tǒng)，不能具體檢測出各個分系統(tǒng)的故障單元，這給保障人員的維修帶來了很大不便。因此，研究設(shè)計一種能夠定位到隨動裝置各個部件的檢測系統(tǒng)是十分必要的。筆者以PC104嵌入式系統(tǒng)為開發(fā)平臺，設(shè)計了能對隨動裝置中各分系統(tǒng)的電器性能進(jìn)行現(xiàn)場檢測的專用測試系統(tǒng)，通過對樣機(jī)的試應(yīng)用，證明該檢測系統(tǒng)集成度高，便攜性、維修性好，對于增強(qiáng)某型導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的工作效能，提高技術(shù)人員的故障診斷效率都具有很大幫助。

1 總體設(shè)計方案

為不影響武器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，隨動裝置的檢測系統(tǒng)主要利用隨動裝置預(yù)留的數(shù)據(jù)采集口進(jìn)行檢測。檢測系統(tǒng)對隨動裝置的電源、方位、高低D/A輸出信號，方位、高低接觸器驅(qū)動信號，設(shè)備自檢，系統(tǒng)復(fù)位信號，方位、高低誤差合格信號等進(jìn)行采集，然后將采集的信號與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比，從而判定系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常。

隨動裝置檢測系統(tǒng)主要由嵌入式系統(tǒng)、電量取樣板（傳感器板）、驅(qū)動板、液晶顯示屏、控制按鍵和開關(guān)電源等幾部分構(gòu)成。其中，嵌入式系統(tǒng)包括PC104嵌入式系統(tǒng)主板、A/D采集板、I/O接口板3部分。隨動裝置檢測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理框圖如圖1所示。

圖1 隨動裝置檢測儀總體結(jié)構(gòu)原理框圖Fig.1 Chart of overall structure principle of text system for follow-up mechanism

隨動裝置檢測系統(tǒng)由車載發(fā)射制導(dǎo)裝置上+26 V電源供電，并通過測試電纜與車載隨動裝置的檢測口X1、X2相連。嵌入式系統(tǒng)主板是儀器的核心，用于對檢測儀的測試程序控制、數(shù)據(jù)傳輸與處理，測試結(jié)果的信息管理等。A/D采集板和接口板用于采集需要檢測的車載隨動裝置輸出模擬信號和開關(guān)量信號，并將其送入嵌入式系統(tǒng)主板進(jìn)行相應(yīng)檢測控制工作。電量取樣板用于接收車載隨動裝置的X1、X2端口輸出信號，并將其變換為符合A/D采集板和I/O接口板信號要求的相應(yīng)信號。同時，為了增大開關(guān)量信號的驅(qū)動功率，在I/O接口板前增加了驅(qū)動板電路。液晶顯示屏用于顯示檢測軟件操作界面和檢測結(jié)果，控制按鍵安裝在檢測儀前面板上，供操作員進(jìn)行檢測操作。開關(guān)電源用于產(chǎn)生電量取樣板工作所需的±12 V電壓和嵌入式系統(tǒng)主板、驅(qū)動板工作所需的+5 V電壓。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

隨動裝置檢測平臺的硬件設(shè)計以功能模塊為基本組件，包括CPU模塊、硬盤模塊、A/D模塊、I/O模塊、控制模塊等。這些模塊通過PC104總線連接，并利用標(biāo)準(zhǔn)的固定孔進(jìn)行固定，形成棧接式的緊湊結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)模塊之間任意搭接和系統(tǒng)功能的擴(kuò)充[1-2]。這種棧接式結(jié)構(gòu)有利于設(shè)計較高密度、小體積、便攜式的測試平臺。檢測平臺的棧接式實(shí)物外型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖2 檢測系統(tǒng)的棧接式實(shí)物外形結(jié)構(gòu)Fig.2 Meet in the stack of material object form structure for text system

2.1 PC104嵌入式系統(tǒng)主板設(shè)計

充分考慮到應(yīng)用環(huán)境，嵌入式系統(tǒng)選用了PC104主機(jī)，其MCU采用嵌入式低功耗專用處理器VORTEX DX86處理器[3-4]。PC104計算機(jī)現(xiàn)階段技術(shù)發(fā)展比較成熟，而且也是未來測控技術(shù)發(fā)展的趨勢。PC104計算機(jī)相對于臺式工控機(jī)有安全高效、低功耗等優(yōu)點(diǎn)，可在多種應(yīng)用環(huán)境下運(yùn)行。高度緊湊的PC104結(jié)構(gòu)形式，尺寸一般僅為：100 mm×90 mm×15 mm，可以方便設(shè)計集成度高的儀器設(shè)備，比臺式工控機(jī)用復(fù)雜連線搭建起來的系統(tǒng)要緊湊。其供電電壓只需5 V，功率只有10 W左右，而一般工控機(jī)則需300 V左右的工控電流，功率也在250 W左右，可見使用PC104計算機(jī)能顯著降低消耗。工作頻率現(xiàn)在也都能達(dá)到1 GHz，64 KB一級高速緩存和2 MB二級高速緩存以上，在數(shù)據(jù)處理和分析上能達(dá)到較快速度。在接口方面，提供USB2.0、標(biāo)準(zhǔn)并行口、串行口、PS/2鍵盤和鼠標(biāo)接口等多種外設(shè)接口，使用靈活方便；工作環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，可在環(huán)境溫度 -20℃～+70℃、相對濕度5%～95%的情況下正常工作，在極小空間里幾乎實(shí)現(xiàn)了PC機(jī)所有的功能，能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸和多種通訊。對于組建系統(tǒng)，PC104計算機(jī)既可作為外接工控機(jī)使用，也可作為嵌入式計算機(jī)使用。所以使用PC104計算機(jī)作為主機(jī)，其適應(yīng)性、靈活性強(qiáng)，能滿足隨動裝置檢測系統(tǒng)的需要。

2.2 外圍電路設(shè)計

1）A/D采樣板設(shè)計 隨動裝置輸出的方位、高低信號為模擬信號，需要對其進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換。根據(jù)車載隨動裝置的待測要求，A/D采集板選用了PM516采集板。PM516采集板具有32路模擬通道、輸入信號范圍-5 V～+5 V、最大采樣頻率75 kHz、輸入精度12 bit，低功耗等特點(diǎn)。并且和嵌入式系統(tǒng)主板兼容性好，連接方便。

2）I/O接口板設(shè)計 隨動裝置輸出地設(shè)備自檢，系統(tǒng)復(fù)位信號，方位、高低誤差合格信號，誤差合格信號等均為開關(guān)量信號，根據(jù)車載隨動裝置的測試要求，I/O接口板選用了PM549板。PM549采集板具有32路光隔離開關(guān)量輸入及32路光隔離開關(guān)量輸出。且全部輸出為達(dá)林頓輸出，驅(qū)動能力大，符合設(shè)計要求，并且和嵌入式系統(tǒng)主板兼容性好，連接方便。

由于系統(tǒng)外存在各種干擾且被測開關(guān)量多為12 V的直流信號，所以在開關(guān)量輸入通道中需要設(shè)置隔離器件。PM549板卡的光偶輸入端使用光偶芯片PS2801，光偶輸出端使用芯片PS2802，達(dá)林頓輸出，如圖3和圖4所示。PM549板卡采用光隔離的輸入輸出方式，增強(qiáng)了信號的抗干擾能力，大大提高了檢測系統(tǒng)的信號傳輸效率和可靠性。

圖3 PM549光耦輸入端Fig.3 Light-coupler input of PM549

圖4 PM549光耦輸出端Fig.4 Light-coupler output of PM549

3）電量取樣板設(shè)計 車載隨動裝置的待測信號中，有電源電壓信號、TTL開關(guān)量信號、非TTL開關(guān)量信號、PWM脈沖信號等多種類型。為了正確采集和處理這些信號，在測試系統(tǒng)中，選用了高精度的直流電壓傳感器、交直流電壓傳感器和頻率傳感器等器件，設(shè)計了一塊電量取樣板，將待測信號轉(zhuǎn)換為能被嵌入式系統(tǒng)處理的標(biāo)準(zhǔn)信號。電量取樣板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。電量取樣板工作電壓為+12 V，由檢測儀的開關(guān)電源提供。其輸出的模擬量信號連接A/D采集板PM516，開關(guān)量信號連接I/O驅(qū)動板。

圖5 電量取樣板的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure diagram of power sampling board

4）I/O驅(qū)動板設(shè)計 為了增大由電量取樣板輸出的開關(guān)量信號的功率，在這些開關(guān)量信號輸入I/O接口板之前，設(shè)計了驅(qū)動板電路，以增強(qiáng)信號的驅(qū)動能力。驅(qū)動板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖6所示。此外，通過驅(qū)動板后，有6個開關(guān)量信號的電平有效方式由低電平變成了高電平，其他開關(guān)量有效電平方式不變。驅(qū)動板為+5 V供電，由驅(qū)動板內(nèi)部提供，其輸出信號接入I/O接口板PM549。

5）開關(guān)電源設(shè)計 設(shè)備中的開關(guān)電源是一款寬輸入范圍的DC/DC變換器，工作可靠穩(wěn)定。其輸入為車載隨動裝置的+26 V直流電源，輸出+12 V和+5 V直流電壓，為電量取樣板和嵌入式系統(tǒng)主板以及液晶顯示屏提供所需的直流電壓。

6）液晶顯示屏設(shè)計 液晶顯示屏采用日本三菱公司6寸液晶屏，型號為AA065VB05。其分辨率為640×480，可在-10℃～+70℃溫度范圍內(nèi)可靠工作。其工作電壓為+5 V，由檢測儀內(nèi)部的開關(guān)電源提供。

7）控制按鍵設(shè)計 控制按鍵模塊設(shè)置在檢測儀的前面板上，包括五個功能按鈕、一個電源指示燈和一個電源開關(guān)。按鍵及指示燈均選用瑞士eao公司產(chǎn)品，開關(guān)選用法國高質(zhì)量的APEM防水開關(guān)。可保證設(shè)備工作安全可靠。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖6 驅(qū)動板的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Structure diagram of driveboard

為了縮短開發(fā)周期，同時兼顧測試的實(shí)時性和測試程序的可移植性，隨動裝置檢測系統(tǒng)的軟件是在Windows XP操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用C語言編寫[5-6]。在軟件設(shè)計時，采用結(jié)構(gòu)化、模塊化的設(shè)計思想，根據(jù)控制系統(tǒng)測試所需完成的測試任務(wù)和測試流程，對各子程序模塊進(jìn)行逐一編寫，包括系統(tǒng)的初始化部分，系統(tǒng)自檢模塊，控制模塊 ，人機(jī)交互模塊，數(shù)據(jù)處理模塊以及完成具體測試項(xiàng)目的測試程序集，其組成如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件組成Fig.7 System composed of software

系統(tǒng)自檢用于對測試的模塊電路的硬件進(jìn)行自動檢測、診斷。通過對系統(tǒng)硬件各電路模塊進(jìn)行測試，判明測試系統(tǒng)本身是否處于良好狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)檢測到某功能電路工作不正常時，系統(tǒng)將根據(jù)診斷結(jié)果直接指示故障模塊，以便排除故障。在檢測時，軟件首先對A/D模塊、I/O模塊進(jìn)行初始化配置，同時調(diào)用相應(yīng)的測試程序及測試數(shù)據(jù)，完成對隨動裝置的檢測[7]。系統(tǒng)的測試流程如圖8所示。

圖8 主程序流程圖Fig.8 Main flow chart of system software

4 結(jié) 論

本文基于PC104嵌入式系統(tǒng)開發(fā)平臺，設(shè)計了某型導(dǎo)彈隨動裝置檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)大量采用商品化的模塊，具有高可靠性、低功耗、小尺寸的技術(shù)特點(diǎn)，能夠隨時隨地對隨動裝置進(jìn)行檢測，具有很好的便攜性，大大提高了部隊(duì)維修保障人員在遂行作戰(zhàn)任務(wù)中的保障能力。同時，該檢測系統(tǒng)可以裝配到該型導(dǎo)彈檢測工程車上，從而擴(kuò)展檢測工程車對導(dǎo)彈的檢測功能，這將為減少武器系統(tǒng)全周期維護(hù)費(fèi)用提供有效途徑，具有重大軍事應(yīng)用價值。

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