基于PLC的直升機導彈發射控制檢測系統的設計

摘 要： 針對某型直升機導彈發射控制系統尚無檢查裝置，設計了基于PLC技術的檢測系統，采用原位測試理念，在不拆卸發控設備的情況下對導彈發控系統進行無損檢測。通過地址映射的方法將1553B總線芯片接載進PLC系統，擺脫了1553B總線在單片機板卡上應用的桎梏，利用PLC簡捷的編程語言方便地實現了總線通信，有良好的應用前景。

關鍵詞： 可編程控制器； 發射控制； 1553B總線； 測試

中圖分類號： TN06?34； TP302.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0035?03

Abstract： Since there is no inspection device for a certain type of helicopter missile launch control system， the detection system based on PLC technology is designed. With the in?situ testing idea， the nondestructive testing for the missile launch control system was achieved without disassembly of the launch control device. The 1553B bus chip is picked up into PLC system by the method of address mapping， by which the shackle in application of 1533B bus on microcontroller interface card is get rid of. The communication with the bus is implemented by the aid of simple PLC programming language. The proposed method has a good application prospect.

Keywords： PLC； launch control； 1553B bus； measurement

直升機導彈發射控制系統作為導彈武器系統的“大腦”，能接收并執行指揮系統下達的指令，對位于發射架上的導彈發送各種控制信號，接收導彈回送的各種狀態信息，完成導彈參數裝訂和發射控制任務。因發控系統所包含的設備結構復雜，多次拆卸會降低使用壽命，且系統中信號交聯關系復雜，所以部隊在發控系統檢查中面臨的問題很多。針對目前某型直升機導彈發射控制系統尚無配套檢測設備，設計了基于可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC） 的檢測系統，采用原位測試理念，在直升機地面維護過程中將檢測系統模擬成導彈掛載在導彈發射架上，使其與直升機進行信號交互，采集并分析信號屬性，從而判斷發控系統的工作狀態。

1 檢測系統總體設計

直升機導彈發射控制檢測系統用于在地面測試直升機導彈發控通道的性能，它通過模擬導彈為發射控制系統提供準確的導彈狀態信息，給出發控設備的激勵信號，在直升機按規程執行發射控制任務的過程中與發控設備通信。在模擬導彈進行信號交互時精確測試導彈發射控制系統提供給導彈接口信號的正常與否，以此驗證飛機發控系統的主要性能參數是否滿足工作要求。

根據上述分析，直升機導彈發射控制檢測系統應具備如下功能：

（1） 擁有與直升機相匹配的電氣接口；

（2） 能模擬與導彈發射控制系統相關聯的導彈的電氣特性及彈上的工作狀態；

（3） 可方便地模擬出導彈的自檢、射檢結果；

（4） 代替彈載計算機與發射控制系統進行命令和數據通信，包括離散信號和總線數據；

（5） 能完成完整的發射流程；

（6） 可采集來自直升機的信號并判斷其屬性；

（7） 可進行故障診斷；

（8） 擁有抗干擾措施。

直升機導彈發射控制檢測系統是基于PLC設計的，系統的主控單元是深圳矩形科技公司的N80型PLC，并設計了輸入輸出接口模塊、信號調理模塊、1553B通信模塊、RS 232通信模塊和FLASH ROM模塊，系統的硬件結構框圖如圖1所示。系統選擇矩形科技公司所設計的VLadder軟件作為PLC的編程軟件，并選擇LabWindows/CVI作為實現PLC與上位機通信的編程軟件。

2 系統硬件設計

2.1 主控模塊模塊

主控模塊負責按照導彈發射規程完成相應的控制任務，是檢測系統完成任務的核心部件。直升機導彈發射控制檢測系統作為軍用產品必須能夠適應復雜多變、條件嚴酷的戰場環境，PLC基于其可靠性高、控制靈活性好、易于完成各種復雜控制的特點[1]，在單片機、繼電器系統等產品中脫穎而出，特別適合環境較為惡劣和可靠性要求高的軍事應用。軍品PLC能夠滿足電磁兼容、溫度、振動沖擊、三防等航空產品的國軍標要求，因此采用軍品級PLC作為檢測系統的主控單元。

為了滿足貨架式商品的要求，使軍用設備能簡便地更換、維修，保證不泄露軍事秘密，檢測系統選擇深圳矩形公司自主生產設計的N80型PLC。該型PLC相比應用廣泛的三菱FX系列PLC[2]，所有器件均滿足軍標要求，擁有完全自主知識產權，采用軍用一次加固技術，環境適應范圍寬，支持多種通信接口和協議。

2.2 輸入、輸出接口模塊

檢測系統通過輸入、輸出接口實現與直升機的信號交聯，考慮到系統應用環境的復雜性，為保證交聯信號的完整性，系統的輸入、輸出接口必須設計抗干擾措施，具備抗干擾能力。為了盡可能地節約研究經費，又保證系統的可升級性，在輸入、輸出接口的設計過程中預留了10%的備用量。

2.3 信號調理模塊

導彈發射控制系統的邏輯控制關系復雜，信號屬性多樣，因此必須對信號進行調理，使直升機與檢測系統能互相識別傳遞的信號。為了實現系統和直升機之間的電氣隔離，采用光電隔離技術，將直升機輸出的各種信號轉換成系統可以識別的數字量；使用繼電器實現控制信號的輸出，為了實現繼電器控制以及實現控制信號與驅動信號的隔離，采用TLP521?4光電隔離電路芯片，控制信號經光電隔離輸出后通過ULN2803，用于完成信號的驅動。

2.4 1553B通信模塊

1553B總線是廣泛應用于航空系統中的時分制串行總線，實時性強，可靠性高。直升機導彈發射控制系統的自檢、射檢和裝訂參數等過程均有1553B總線[3]的參與，直升機的接口控制文件定義了傳輸過程中1553B總線數據的意義，因此檢測系統必須設計1553B通信模塊擔負起通信任務。目前國內外PLC系統中1553B模塊的設計尚屬起步階段，在可查的資料中多是單片機系列的1553B板卡[4?6]，本系統基于PLC設計了1553B模塊，將PLC內部部分I/O空間劃分成RT地址空間，并將1553B芯片緩存中的數據同步于I/O空間中。

2.5 RS 232通信模塊

檢測系統使用前需要通過RS232通信模塊連接上位機下載檢測軟件，在對檢測過程進行事后分析時，也需要連接上位機下載通信數據并讀取FLASH ROM。

2.6 FLASH ROM模塊

檢測系統在檢測過程中會產生大量的數據，如直升機發送的指令、檢測系統輸出指令和總線數據等，這些數據必須實時保存并且掉電保持，使用 FLASH ROM模塊記錄這些信息可保證信號的完整性，并且使PLC的編程簡單化[7]。

3 系統軟件設計

檢測系統使用矩形科技公司配套的VLadder軟件進行PLC的編程，VLadder軟件采用工程（project） 觀念，通過可視化的方式令程序開發過程中涉及的相關元素分模塊展現出來，使編程環境一目了然。為了提高軟件與用戶的良好交互性、可操作性，其工作窗口的每個屬性功能都擁有各自獨立的操作窗口，而梯形圖代碼中使用的變量在各個功能窗口中有著緊密的聯系，從而可以以變量為中心很方便地從一個窗口跳轉到另一個功能窗口。VLadder軟件一個重要的功能便是提供了仿真軟件，給用戶提供梯形圖程序仿真、調試的平臺。

主程序是測試系統工作的主界面，提供系統各功能模塊的接口。

測試系統自檢模塊：為了提高系統的自保障性能，設計系統上電自檢程序，發現系統任何硬件模塊故障，都會通過故障燈指示出來。系統的自檢是通過利用PLC發送信號，查驗輸入、輸出通道功能正常與否完成的。

數學及邏輯運算模塊：處理與直升機交互過程中的總線數據，并根據直升機發送來的參數裝訂數據和導彈狀態信號，經數學運算判斷是否符合導彈發射要求，控制輸入、輸出接口生成相對應的反饋信號。

信號接收與反饋模塊：接收來自飛機的非總線信號，分析信號屬性，判斷后控制輸入、輸出接口產生相對應的回答信號。

導彈狀態反饋模塊：檢測系統收到直升機指令時，按照導彈發射控制時序及邏輯要求，模擬導彈進行狀態的實時變更，并通過1553B總線反饋給直升機。

信號狀態記錄模塊：對直升機向檢測系統發出的各種指令及控制信號的狀態、時機和測試系統模擬的導彈狀態進行記錄。設計掉電保存程序，對參數設定、發射控制及導彈狀態回答等情況進行事后分析和狀態評估。

狀態監控及故障診斷模塊：為事后分析需要，通過MODBUS主從站協議，下載信號狀態記錄模塊保存的信息。將這些數據與正常信號進行比對，判斷直升機發射控制系統正常與否。

程序下載及系統維護模塊：為了保障軟件調試和軟件升級維護的便捷性，設計程序下載及系統維護模塊，通過RS 232串口實現PC機與PLC的通信，進行軟件系統的日常維護與升級。

4 PLC系統1553B模塊設計

目前國內外對于1553B總線的應用絕大多數仍處于基于單片機板卡的應用階段，其I/O接口電路復雜，編程語言繁瑣，只適用于專業技術人員。PLC技術以其可編程改變I/O接口，且編程語言對于一線技術工人即可掌握的優點，在1553B總線模塊的開發上有著巨大的優勢。

基于PLC設計的1553B芯片分為編解碼模塊、地址映射模塊、寄存器組模塊、管理控制模塊、時鐘分頻模塊[8]。編解碼模塊實現16位并行數據與曼徹斯特Ⅱ型雙相電平碼的相互轉換。地址映射模塊負責訪問讀寫寄存器組模塊，通過地址映射與PLC進行信息交互。寄存器組模塊分為兩部分，一部分為初始配置寄存器，負責初始化1553B芯片，另一部分為狀態寄存器，負責記錄1553B芯片的工作狀態。管理控制模塊是1553B芯片的控制核心，負責按照1553B總線協議要求執行總線命令，實現信息通信。時鐘分頻模塊針對各模塊不同的頻率要求提供相應的時鐘信號。1553B總線模塊結構圖如圖3所示。

運用PLC技術設計的1553B模塊關鍵技術便是應用了地址映射，在地址映射模塊內配置有I/O鏈接模塊。此模塊內用于傳送數據的I/O區有雙重地址，PLC與1553B芯片均可以對相應地址進行讀寫，從而使得PLC的I/O空間能與1553B芯片的遠程終端地址一一對應。其映射空間的大小為1 024個字，將PLC部分I/O空間（48 000～49 024）分為32塊，每塊32個字，對應32個RT地址。

5 結 語

該直升機導彈發射控制檢測系統利用PLC技術的高可靠性，模擬導彈實現了與直升機的信息交互，根據故障指示燈可方便地查明發控系統的性能，有效解決了部隊實際應用中所面臨的檢測困難。所設計的1553B模塊擺脫了1553B總線芯片在單片機上應用的局限性，利用地址映射思想，依托PLC技術簡單的編程語言，實現了1553B總線通信功能，極大地簡化了編程步驟，提高了系統的可靠性。

參考文獻

[1] 咸慶信，類研法.PLC技術與應用：專業技術入門與精通[M].北京：機械工業出版社，2011.

[2] 簡立明，劉歡.三菱PLC的狀態編程法在順序控制系統中的應用[J].自動化應用，2011（2）：44?47.

[3] 雷勇，吳勇，潘莉，等.基于USB的通用1553B總線綜合監測儀設計[J].火力與指揮控制，2011，36（4）：158?161.

[4] 劉軍輝，齊春，屈金標.基于物理層采樣數據和軟件譯碼的1553B總線數據獲取技術研究[J].計算機測量與控制，2013，21（8）：2282?2285.

[5] 周莉，安軍社，謝彥，等.基于ASIC技術的1553B IP核的設計[J].空間科學學報，2014，34（1）：127?136.

[6] 劉銳，趙加鳳，付平.基于FPGA的PXI?1553B模塊設計[J].電子測量技術，2009，32（11）：99?101.

[7] 李佳，王廣林.PLC編程中數據結構和指針的應用[J].數控技術，2013（4）：123?127.

[8] 王占領，張登福，李云杰，等.便攜式1553B總線通信接口卡的設計與實現[J].火力與指揮控制，2014，39（5）：123?127.