一種自動裝彈機故障注入器的設計

季威， 權清達

（陸軍裝甲兵學院 a.兵器工程系；b.機械工程系,北京 100072）

0 引言

科學技術的進步使得武器裝備智能化程度不斷提高，但也會帶來一些不良影響。例如，官兵操作武器裝備更加便捷，但同時裝備的可靠性、維修性和測試性有一定程度的下降[1-2]，這將會影響部隊的實戰(zhàn)化作戰(zhàn)演練。

近幾年，部隊官兵經(jīng)常反映某新型坦克自動裝彈機在使用中經(jīng)常出現(xiàn)故障。這不但影響了部隊的作戰(zhàn)訓練，還存在一定的安全風險。針對此種情況，國內(nèi)多家相關研究機構進行了科研攻關，設計了維修檢測設備。但是，這些檢測設備結構復雜，維修訓練難度較大，不能適應部隊實戰(zhàn)化訓練要求。某新型坦克自動裝彈機是一種機電一體化的綜合系統(tǒng)[3]，根據(jù)其工作原理設計一種結構簡單、攜行方便的故障注入器。

1 總體設計思路

1.1 設計思路

自動裝彈機根據(jù)操作命令實現(xiàn)各個動作程序，主要是通過自動裝彈機的旋轉輸彈機、開窗機構、火炮閉鎖器、拋殼機構、提升機構、推彈機等各個執(zhí)行機構輸出到程控箱的各種狀態(tài)信號和程控箱輸入到各個執(zhí)行機構的驅動信號之間相互傳遞作用完成的[4]。通過研究自動裝彈機各個執(zhí)行機構動作過程以及收集整理部隊典型故障信息，發(fā)現(xiàn)自動裝彈機的典型故障常常表現(xiàn)在各執(zhí)行部件的微動開關錯位、關鍵部件失效、部件卡滯導致運動不暢等方面，因此，故障仿真注入也需要從這方面下手，通過模擬開關失效、電機或電磁鐵動作異常，將故障注入信號送入自動裝彈機系統(tǒng)中，實現(xiàn)故障仿真注入。同時，在設計過程中，不能改變自動裝彈機的結構、不能影響自動裝彈機的性能，具有易操作、小型化的特點[5]。

1.2 實現(xiàn)方案

某新型坦克自動裝彈機各機構是在程控箱輸出驅動信號的作用下響應，執(zhí)行各動作程序，程控箱則是在采集各機構的信息后按照程序輸出驅動信號，程控箱控制單元的程序軟件的作用就是按照一定的邏輯、時序，來控制信號傳遞。通過修改程控箱控制單元中軟件源代碼，可以使程序變異，進而導致系統(tǒng)產(chǎn)生故障，也就是依靠破壞信號的傳遞流程，來實現(xiàn)故障注入。所以，借鑒軟件故障注入的思想[6]，在自動裝彈機各個執(zhí)行機構與程控箱之間置入一個使用硬件結構的故障注入器，按照一定的故障注入邏輯、程序來對某新型坦克自動裝彈機的信號進行控制，來實現(xiàn)故障仿真注入。如圖1所示，故障注入器采用模塊化設計，由主控模塊、輸入模塊、輸出模塊以及輔助模塊組成。

圖1 故障注入器結構與位置示意圖

故障注入模型是故障注入器能否正常進行故障注入的關鍵環(huán)節(jié)[7]。通過對新型坦克自動裝彈機進行故障分析、故障建模，抽象、歸納出故障注入器能夠訪問的描述模型，進而收集整理出典型故障模型信息集合，寫入PC機終端軟件中。

2 故障注入器原理分析

2.1 自動裝彈機典型故障分析

以提升機構提升到位后運動不停止的故障為例進行研究。正常情況下，當提升機構提升到位時，輸出TS-K1信號至程控箱，隨后，提升機構電磁鐵閉鎖，程控箱輸出C1信號至提升機構，電機停止工作[8]，開始進行下一步動作。如果發(fā)生故障，可能有5種原因：一是提升機構微動開關K1故障導致提升彈丸到位后沒有向程控箱輸出TS-K1信號；二是提升機構電磁鐵故障導致沒有閉鎖；三是提升機構開關盒內(nèi)的仿形輪錯位、損壞或分度盤松動、錯位導致的故障；四是程控箱本身故障沒有接收到TS-K1信號或者是沒有輸出信號；五是電纜故障導致信號無法傳遞。

2.2 典型故障建模

結合上述故障原因，進行故障分析建模如下：微動開關K1故障、提升機電磁鐵沒有閉鎖、仿形輪或分度盤故障實際上就是中斷了TS-K1信號的正常傳遞，程控箱故障就是中斷了C1信號的正常傳遞，電纜故障同樣也是中斷了這些信號的正常傳遞。因此，通過控制TS-K1和C1信號通斷即可實現(xiàn)故障仿真注入，如圖2所示。其他典型故障注入模型同理，由于篇幅原因，在這里不逐一贅述，將自動裝彈機各典型故障模型分析結果進行匯總整理，寫入PC機終端軟件中。

2.3 原理分析

故障注入器安裝在程控箱與各執(zhí)行機構之間，將實時監(jiān)控自動裝彈機程控箱和各執(zhí)行機構的狀態(tài)信號，作為其輸入信號；它能模擬出這些狀態(tài)信號，根據(jù)對應的控制命令，輸送到自動裝彈機程控箱，它也可模擬程控箱輸出的驅動信號，根據(jù)對應的控制命令，輸送到自動裝彈機各個執(zhí)行機構，故障注入器將這兩類信號作為輸出信號。

故障注入模型數(shù)據(jù)庫存放在故障仿真注入管理軟件中，安裝在PC機終端，軟件能夠實時監(jiān)測、顯示故障注入器采集的各種狀態(tài)信號，根據(jù)故障注入策略，由通信總線將對應的控制命令傳送到故障注入器，再通過控制故障注入器輸出不同的控制信號給自動裝彈機各機構或者程控箱，來實現(xiàn)故障仿真注入。

3 主要模塊設計

3.1 主控模塊（MPU）選型

選用單片機作為主控模塊的微處理器，主要考慮單片機具有響應速度快、控制精度高、芯片集成模塊多、控制操作靈活、外圍電路簡單、體積小、成本低的特點[9]。主控模塊選用ST公司32位高性能嵌入式產(chǎn)品STM32F407ZE。它具有114個可編程I/O端口，144個引腳，可靠性和抗干擾能力高，其尺寸完全滿足小型化的設計要求。

3.2 輸入模塊

為避免自動裝彈機對故障注入器的干擾，同時降低主控模塊的功耗，信號輸入模塊主要采用光電隔離技術實現(xiàn)信號的實時采集[10]，如圖3所示。自動裝彈機各執(zhí)行機構輸出的狀態(tài)信號送入光電耦合器發(fā)光二極管的負極，當狀態(tài)信號為低電平時，發(fā)光二級管導通驅動光敏三級管導通，MPU相應的I/O端口采集高電平；當狀態(tài)信號為懸空時，發(fā)光二極管無法驅動光敏三級管導通，MPU相應的I/O端口采集懸空。MPU通過運算判斷I/O端口不同輸入狀態(tài)，確定自動裝彈機各執(zhí)行機構的工作狀態(tài)，并實時發(fā)送到PC機終端。

3.3 輸出模塊

圖2 故障注入器模型圖

圖3 輸入模塊原理圖

圖4 輸出模塊原理圖

輸出模塊主要采用繼電器驅動隔離技術[11]實現(xiàn)故障注入器對自動裝彈機程控箱輸出驅動信號的控制，以及模擬各執(zhí)行機構輸出狀態(tài)信號的通斷情況，并送入程控箱，如圖4所示。故障注入器的控制模塊接收PC機終端管理軟件的工作指令，按照內(nèi)部控制策略驅動相關I/O端口輸出相應的TTL電平，當為高電平時，三極管導通，繼電器或接觸器線圈通電，開關閉合，將自動裝彈機程控箱輸出的驅動信號送入各執(zhí)行機構，或者將模擬各執(zhí)行機構輸出的狀態(tài)信號送入程控箱；當為低電平時，繼電器或接觸器開關斷開，程控箱輸出的驅動信號無法送入各執(zhí)行機構，或者各執(zhí)行機構輸出的狀態(tài)信號無法送入程控箱。

3.4 輔助模塊

輔助模塊主要包括通信電路和供電電路。根據(jù)系統(tǒng)原理，通信電路構建標準的RS-232和RS-485總線接口，根據(jù)現(xiàn)場應用環(huán)境選擇適合的通信接口，在通信距離近、電磁干擾小的應用場合，采用RS-232串行通信方式；在通信距離較遠、電磁環(huán)境復雜的應用場合，則采用RS-485串行通信方式[12]，進而實現(xiàn)故障注入器與自動裝彈機各機構的數(shù)據(jù)通聯(lián)。

根據(jù)故障注入器中各個模塊的要求，故障注入器所需+24 V供電來自自動裝彈機程控箱，主控模塊、通信電路中主要芯片需要+5 V直流供電，信號輸出模塊中給自動裝彈機各機構輸入的電壓信號為+24 V。為避免自動裝彈機對故障注入器的干擾，實現(xiàn)小型化的設計目的，故障注入器的供電電路主要采用商品化的輸入/輸出隔離的DC/DC電源模塊[13]，將自動裝彈機+24 V供電轉換為多路隔離的+5 V穩(wěn)壓電源，并且對輸入、輸出設計濾波電路，對數(shù)字芯片設計去耦電容，有效地消除電源線和地線之間的電壓尖峰與毛刺干擾信號，減少通過電源線和地線耦合引起的干擾。同時，設計由二極管組成的電源保護電路，防止反接電源對故障注入器造成不可預知的損壞。

4 結語

通過靜態(tài)測試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試、實裝測試，驗證了故障注入器的有效性和可行性，驗證了故障注入器與上位機之間通訊的實時性與可靠性，工作的準確性，驗證了系統(tǒng)樣機工作中的一系列關鍵技術。測試結果表明：故障注入器的工作可靠，安裝使用簡單，攜帶方便，完全滿足任務書設計指標要求，滿足在實戰(zhàn)化條件下部隊應用和使用要求。

（責任編輯 邵明濤）