基于嵌入式技術的火控系統故障檢測儀設計

寧飛，熊云，楊小強

(解放軍理工大學，江蘇 南京 210007)

0 引言

某型布雷車電子控制系統的故障多因其元器件、電源、連接線纜和接口裝置等的外來干擾或系統元部件的老化等引起。這些故障會導致裝控系統、發控系統和主控制系統的功能喪失，而且在整體故障情況下，會對布雷車造成災難性的故障。在安全性、可靠性和信息化重要性日益增加的情況下，非常有必要研制一種robust智能的工具，能夠檢測、隔離和診斷布雷控制系統的元器件和系統故障。以便部隊的維修人員在野戰條件下，對拋撒布雷車布雷控制系統故障進行快速檢測、定位、排除[1]。目前，布雷控制系統故障檢測主要依靠操作人員的經驗判斷，或者簡單地檢測點火觸頭有無輸出電信號。這種檢測方法只能判斷是布雷彈還是控制系統出現問題，而對于輸出信號的具體信息及出現故障的原因卻無法進行準確分析判斷，效率低、可靠性差，嚴重影響平時訓練、演習和戰時任務的完成。

1 火控系統故障分析

1.1 火控系統常見故障與原因

火控系統是拋撒布雷系統的中心控制部分，主要用于地雷自毀時間的裝定、引信的通電或斷電、布雷彈的檢測和按需要調節布雷彈點火發射的時間間隔、布雷密度，控制實施快速機動布雷。火控系統對整機的工作具有十分關鍵的作用。該系統由布控主機、裝控輔機、發控輔機等組成。尤其是由嵌入式微控制器和外圍部件構成的布控主機是整個火控系統的大腦，直接影響到地雷參數的設定、布雷彈的可靠點火與發射等，決定著裝備的使用可靠性和戰斗力。該系統龐大復雜，呈典型的網絡關系，各分系統的邏輯順序關系更是錯綜復雜，整個系統長期工作在高溫、強烈的沖擊振動、強電磁干擾環境和多灰塵等不利環境下，出現故障的幾率較大，診斷難度也很大。根據基層單位對裝備的應用情況反映，火控系統常見故障見表1：

表1 火控系統常見故障

1.2 火控系統故障的分類層次模型

診斷問題就其實質來說是一種分類問題。設備的故障往往依據設備所表現出的征兆，將設備的當前狀態分類到某一故障狀態。在故障診斷專家系統設計中，使用最多、實現簡單、效果較好的是層次分類方法。故障診斷系統的分類層次是由概念節點所構成的層次結構，所有的分類層次結構均為樹形結構，即每一概念節點都只有一個父節點，樹形結構可以顯著地降低診斷問題求解的復雜性。基于隸屬度和規則的層次分類診斷的第一步，是建立診斷對象的分類層次。對診斷對象建立分類層次通常有以下3種方法[2]：

1) 結構分解。結構分解是從結構上對系統進行分解，把系統的總體結構分解為下一層次的子結構，而每個子結構又可分解為下層次的子結構，這種分解可以知道最低層次的零部件。

2) 功能分解。功能分解是從功能上對診斷對象進行分解，把系統的總體功能分解為下層次的子功能，而每一子功能又可分解為更下層的子功能，這種分解可以到基本功能。

3) 故障分解。故障分解是指對診斷對象的故障類型進行分解，下層子故障總是上層父故障的特性，上層父故障則是下層子故障的概括，這種分解可以到最具體的故障。

在實際應用中，往往在不同的階段，綜合運用不同的分類方法建立最合適的分類層次模型，即在高層用結構分類層次方法或功能分類層次方法，以減少分類層次的搜索量，而在中、低層則用故障分類層次，以包括所有的故障現象。針對拋撒布雷車的工作原理與故障特點，可以建立火控系統故障分類層次模型。

2 火控系統故障檢測儀的總體功能與結構設計

2.1 檢測儀的功能設計

根據火控系統故障檢測的基本需求和測試功能要求，信號測量通道超過60個，信號類型主要是信號電壓值和信號的持續時間等。因此，布控裝置故障參數檢測儀的功能概括為：控制系統的裝定控制性能檢測，主要包括自毀時間設定功能、斷電功能和信號連接電纜與接插件等的狀態檢測與故障判別等；發射功能及相關發射電路的性能的檢測與故障判斷等。火控系統的故障主要發生在這布控主機、裝控和發控輔機等子系統和其內部的元器件上，這些部件相關故障的檢測涉及因素比較復雜，檢測所需資源和信號通道較多，故檢測儀的功能設計按圖1進行。

圖1 檢測儀的功能設計圖

2.2 檢測儀的結構設計

根據拋撒布雷車和火控系統的故障檢測需求，布雷控制系統結構可分為上位機、下位機兩部分、串口通信總線、測試連接電纜、信號接口和電源等部分。其中上位機核心為工控機，采用觸模顯示屏與用戶進行信息交互，并可外接鍵盤、鼠標、打印機等附件。下位機主體由雙CPLD信號處理系統和信號調理與轉換電路等組成，下位機主要負責布雷控制系統的信號檢測與控制信號輸出，采用串行總路線與上位機進行信息交換。下位機與控制系統的信號交互通過測試電纜連接實現。上、下位機均由軟件和硬件等構成。上、下位機和電源電路等全部安裝于檢測儀的機箱內，其具體結構框圖如圖2所示。

圖2 檢測儀結構框圖

3 檢測儀的硬件系統設計

火控系統檢測儀硬件部分主要包括：上位機中的核心控制單元工控機、液晶屏、觸摸屏、電源模塊，下位機中數據采集與處理單元、電源電路、復位電路、時鐘電路、JTAG程序下載電路及通信接口電路，信號采集電纜和儀器箱體等。

3.1 上位機硬件系統設計

上位機的核心是PCM-5351B工控機，該型工控機具有較高的性價比，可靠性、適應性都比較強。PCM-5351B的底板是無源型底板，其上設計有多個插槽，底板與插槽之間的板載總線結構形式多樣，包含了STD，ISA和PCI總線等，工控機的主要附件，如中央處理CPU主板、CRT顯示器接口板、數據采集卡等都可以通過插槽與工控機集成。PCM-5351型工控機主板的結構基于模塊化的思想進行設計，能夠根據不同的控制需求，以模塊化的板塊結構形式設計成不同的功能模板，組成不同控制對象的控制系統。其硬件采用了固態數據存儲設備，其容量為8G，滿足檢測儀檢測與診斷功能的需求。

為適應檢測儀現場使用的需求，工控機采用了工業級液晶屏和觸摸屏等外部顯示與用戶交互器件，方便現場用戶的操作使用。

3.2 下位機硬件系統設計

由于火控系統發射通道數和信號種類比較多，要求檢測儀信號通道數較多，目前常用的單元片等比較經濟的芯片難以滿足，若擴充多路開關電路，則系統又較為復雜，可靠性與穩定性不能保證。經多方面權衡，選擇采用CPLD這種開發難度適中且性價比合理的芯片完成檢測任務。

下位機主要負責GBL131與GBL132型火箭布雷車布雷控制系統工作參數的采集與系統控制等作用，其組成核心為由兩片CPLD器件構成的控制器，配合信號調理電路、時鐘振蕩電路、串口信號傳輸電路和其他的外圍連接件，完成信號的采集、控制、傳輸與處理等作用。

a) 電源電路的實現

下位機電源電路設計的目的是給下位機提供電源，保證其正常工作。電源電路設計是否合理、穩定關乎檢測儀是否能穩定的采集處理數據，圖3是電源電路設計的原理圖。

圖3 下位機電源電路原理圖

在電源電路中設計自恢復保險絲，保護下位機防止加載的電壓過大。首先計算下位機的功率，下位機主要功耗元器件有：兩片CPLD、運算放大器芯片、串口通信芯片、電源芯片、鐘振芯片。

b) 下位機信號調理電路的設計

下位機的數據采集與處理單元采用施加負反饋的運算放大器放大電路，設計數據采集與處理單元電路如圖4所示。

圖4 信號調理電路原理圖

數據采集與處理單元電路電路采用了4通道運放電路芯片(LM224)，它是比較常用的TTL電平的運放電路，運用LM224搭成的同相比例輸入電路可以調節直流脈沖信號及高電平信號的電平大小，最后由CPLD完成直流脈沖信號或高電平信號的捕獲。

在不加負反饋的放大電路中，運算放大器的增益受到溫度、電源電壓、輸出電壓及頻率等影響發生較大變化，不保持恒定。施加負反饋后，不但增益穩定，而且噪聲、失真、輸出阻抗都降低了，輸入阻抗增大。

3.3 通信接口電路設計

CPLD的串口I/O是一種精簡串口設計，根據檢測任務需求，檢測系統采用了主、從式雙CPLD處理電路，若主、從CPLD芯片間信號采用并行傳輸，再統一轉換為串口信號上傳至上位機，則主CPLD的邏輯宏單元資源顯得不足。綜合考慮各種情況，選用圖5所示的共享輸出串口電路。雙CPLD的信號交互采用并行方式，輸出信號采用共享串口輸出，既簡化了電路設計，又保證了信號的可靠傳輸。

圖5 主、從CPLD芯片信號串口傳輸示意圖

下位機與上位機之間通過RS232串口協議進行通信，在下位機通信接口電路設計中主要采用MAX3232芯片，將CPLD中的UART串行通信轉換成標準RS232接口電路，使用4個電容按芯片應用電路連接即可。

在下位機兩片CPLD與上位機通信的處理方式上，采用主處理器通過通信接口電路與上位機直接通信，輔處理器先通過主處理器再通過通信接口電路與上位機進行間接通信。這種通信方式相對于采用兩個串口的方式來說有兩個優點：減小了下位機的功耗，降低了硬件設計的復雜度；在上位機編程中程序量較小，采集信號的邏輯順序清晰明了。

4 檢測儀軟件系統的設計

4.1 上位機應用軟件的開發

上位機軟件的開發基于LabVIEW平臺，由于LabVIEW是基于模塊化的程序設計思想，因此在開發過程中也是基本遵循這一思想，將每個功能做成集成的模塊，以便于程序的調試和修改，降低程序的復雜性[3]。軟件主要由數據采集、數據分析、數據顯示和故障診斷四個大的模塊組成，每個模塊又可以分成不同的子模塊，根據檢測的具體情況，可以將模塊程序建立成LabVIEW特有的子VI[4]。圖6為上位機軟件程序流程圖。

圖6 上位機軟件流程圖

4.2 下位機應用軟件的開發

下位機主控部分通過軟件設計實現數據的實時采集及發送，每隔1s刷新一次數據。主控部分的應用軟件經過VHDL程序設計成相應的功能模塊，包括波特率發生模塊、使能模塊、信號計數模塊、數據采集模塊和下位機的數據通信模塊，最終實現數據的實時采集及發送。下位機軟件的核心是其脈沖信號計數模塊。

1) 脈沖信號分析

從裝定信號波形圖(圖7)中，確定T裝定<4S；脈沖信號前端高電平為握手信號，其寬度TACK<2S；4096<脈沖數<8192。

圖7 輔機裝定信號波形分析圖

2) 脈沖信號采集需求

CPLD在采集布雷車輔機裝定信號軟件設計的過程中，重點是對脈沖進行計數。分析信號的波形后，對程序有以下需求：

1) 每隔4s采集一次布雷車輔機裝定信號；

2) 采集過程中過濾第一個上升沿，即過濾握手信號；

3) 最大計數值≤8192；

4) 保持所采集的脈沖信號直至復位。

5 結語

將基于專家經驗的故障分類層次診斷方法、神經網絡技術等應用于工程裝備電氣系統的故障診斷中。詳細分析了該型裝備整機故障診斷特點及電氣系統的故障模式與失效機理，開發了基于神經網絡的故障診斷專家系統。使維修人員或操作手可以及時發現故障，防患于未然，降低電氣系統的故障率和提高使用壽命，實現了對電氣系統檢測與診斷過程的程序化，從而使對重型機械化橋了解相對較少的人員也能在該系統指導下快速進行在線檢測、診斷與維修，大大提高裝備恢復的時效，提高了戰時工程裝備的隨行保障能力。

[1] 英德斯科技公司.PCM-5351B用戶手冊.http://www.ydstech.com.

[2] 趙艷華，曹丙霞，張睿.基于Quartus II的FPGA/CPLD設計與應用[M].北京：電子工業出版社，2009.

[3] 徐曉東，鄭對元，肖武.LabVIEW 8.5常用功能與編程實例精講[M].北京：電子工業出版社，2009.

[4] 韓曉茹，肖鐵軍.嵌入式系統中CPLD器件的在系統編程[J].計算機工程，2003.08：172-173.