某型飛機空艦導彈供電系統故障檢測的技術實現

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(海軍航空大學 青島校區，山東 青島 266041)

0 引言

某型飛機空艦導彈供電系統作為YJ-××空艦導彈的大功率供電的專用電源，對空艦導彈系統的可靠性起著重要作用。該型飛機空艦導彈供電系統相對獨立，不與飛機直流電網系統連接，由火控專業人員負責日常的維護。空艦導彈供電系統主要包括機上變壓整流器(3、4號)和空艦導彈熔斷器盒，因其拆裝困難，缺乏有效的檢測手段，在裝備時間增長后，元器件的老化等故障問題難以得到及時發現和排除。因此，為保證空艦導彈作戰和訓練任務的完成，及時發現空艦導彈供電系統可能的故障隱患就顯得十分必要和迫切。

1 系統結構及原理

空艦導彈供電系統檢測儀主要包括硬件和軟件兩部分[1]，其總體結構如圖1所示。檢測儀提供兩套完全相同的檢測硬件，可同時對兩個供電通道進行檢測。其中控制部分包括嵌入式控制器、嵌入式機箱、數字輸入模塊、數字輸出模塊、觸摸屏的觸摸按鈕和18個繼電器，模擬負載部分包括18個大功率電阻，測量部分包括電流傳感器和采集模塊，顯示部分包括觸摸屏式計算機，電源部分包括直流轉換模塊[2]。嵌入式控制器、嵌入式機箱、數字輸出模塊和采集模塊構成檢測儀的核心部分。模擬負載、繼電器和數字輸出模塊共同構成大功率模擬負載網絡。檢測儀的軟件開發平臺主要包括LabVIEW開發系統、LabVIEW RT實時開發環境、LabVIEW FPGA開發環境和LabVIEW觸摸屏模塊。使用LabVIEW圖形化系統設計軟件，可在同一個環境中編寫人機界面(HMI)和可編程自動化控制器(PAC)，這樣可將開發成本降到最小[3]。

圖1 檢測儀總體結構框圖

空艦導彈供電系統檢測儀首先要提供大功率負載，經大功率負載通過空艦導彈供電系統的大電流模擬空艦導彈的啟動過程。由于兩枚空艦導彈的最大工作電流達到110 A，且每枚空艦導彈的啟動脈沖寬度較窄，須將多個大功率負載并聯工作，每個大功率負載由固態繼電器控制其接通或斷開，大功率負載和固態繼電器共同構成大功率模擬負載網絡，如2所示。通過固態繼電器控制大功率負載的接通或斷開，從而實現不同大小的負載電流，大功率負載的接通或斷開的時刻決定了啟動脈沖的寬度。負載電流由霍爾傳感器感應送到嵌入式檢測平臺。

圖2 空艦導彈供電系統檢測原理圖

2 設計思路

鑒于空艦導彈的啟動電流比較大，啟動脈沖寬度比較窄，而已裝備部隊的YJ-××空艦導彈模擬器/訓練彈，已經有多個型號，但它們都只能提供很小的負載功能，無法反映該型飛機空艦導彈供電系統滿負載能力。由此可見，空艦導彈供電系統負載能力的檢測具有一定的難度和風險。

由于該型飛機空艦導彈供電系統檢測儀的研制任務重、時間緊，且存在很多技術難點。因此，為避免研制風險，研制過程必須遵循如下設計原則：

2.1 硬件集成原則

1)滿足微秒級采集和控制的實時性要求；

2)滿足快速、可靠的數據傳輸需求；

3)滿足外場使用環境的要求，充分考慮輸入電源、便攜性、耐用性等因素；

4)盡可能采用成熟的產品和技術，避免自行研制帶來的風險；

5)檢測儀的通用性要強。

2.2 軟件開發原則

1)滿足微秒級采集和控制的實時性要求；

2)應用程序的開發平臺必須是基于Windows的軟件開發環境；

3)滿足快速、可靠的數據傳輸需求；

4)應用軟件采用模塊化設計，可靠性要好，安全性要強；

5)人機界面友好，操作簡單。其設計思路如圖3所示。

圖3 檢測儀設計思路

3 技術實現

3.1 檢測儀的狀態劃分

檢測儀狀態的合理劃分，可有效控制檢測儀的狀態，有利于軟件開發、多人合作、設計相互轉換之間的信息交換。檢測儀的軟件整體可劃分為初始化、等待(狀態1)、低速采集(狀態2)和高速采集(狀態3)4種狀態[4]，各狀態之間的相互轉換關系如圖4所示。

圖4 檢測儀軟件三部分組成及其狀態轉換關系

3.2 人機界面布局設計

檢測儀的軟件包括測量應用軟件和顯示應用軟件兩部分。由于測量部分是一個嵌入式的計算機，無顯示設備，也就不存在人機界面。所有的狀態控制和操作均將通過以太網在觸摸屏式計算機TPC的觸摸屏上進行[5]。因此，人機界面布局設計主要是指觸摸屏式計算機中顯示應用軟件的人機界面布局設計。

人機操作界面是觸摸屏，其分辨率為800×600，應用軟件通過兩級畫面進行控制。

檢測儀啟動后，自動進入啟動界面。

啟動界面提供“繼續”、“退出”和“幫助”3個操作按鈕：

1)“繼續”：進入檢測界面；

2)“退出”：關閉觸摸式計算機顯示控制軟件，退回。

3)“幫助”：提供幫助功能，設備功能、物理連接、操作說明等。再次點擊，幫助內容消失。

檢測界面和幫助界面均采用標簽頁面形式，具有直觀、方便操作的特點。

3.3 檢測儀檢測流程設計

依據實際的通電過程和檢測儀的狀態設置，詳細設計檢測儀各狀態的具體動作，方便編程實現，總的檢查流程如圖5所示，其中簡化了雙機通信的過程。

圖5 檢測儀的檢測過程設計框圖

初始化階段：在測量應用軟件和顯示應用軟件運行后，首先完成雙機硬件和軟件的初始化，主要包括采集模塊和數字輸出模塊的初始化和人機界面的初始化，服務器和客戶端的初始化，并將狀態設置為1；

狀態2：嘗試建立雙機TCP連接，一旦連接成功，將檢測儀狀態設置為3；

狀態3：等待加電。實時讀取檢查通道的電壓值，判斷是否加電，若沒有加電，則提示“未加電”，若已加電，實時測量顯示加電電壓，并判斷電壓是否正常。若電壓不在規定范圍內，則提示電壓超差，若正常，則等待用戶觸發“開始”事件。

“開始”事件：用戶觸發此事件后，首先判斷檢測儀是否處于準備好的狀態，且檢查通道的電壓正常，兩者滿足要求后方可接入附加負載和穩定負載，啟動計時器，將檢測儀設置為狀態4。

狀態4：實時監控檢查通道的電壓變化情況，一旦電壓超差，則給出提示“電壓超差”，并斷開附加負載和穩定負載，將檢測儀設置為狀態3。若電壓正常，實時測量判斷啟動電流，若正常，則給出提示“啟動電流正常”，若超差，則給出提示“啟動電流超差”。一旦計時器時間大于規定的啟動時間，則斷開附加負載，關閉計時器，將檢測儀設置為狀態3。

狀態5：實時監控檢查通道電壓和穩定電流的變化情況。若電壓超差，則給出提示“電壓超差”。若穩定電流超差，則給出提示“穩定電流超差”。

“停止”事件：用戶觸發此事件后，判斷檢測儀是否處于模擬啟動或模擬穩定狀態，若條件為真，則斷開附加負載和穩定負載，將檢測儀設置為狀態3。

“退出”事件：用戶觸發此事件后，不管檢測儀處于什么狀態，都斷開附加負載和穩定負載，并關閉應用軟件。

3.4 檢測儀整體狀態控制設計

為便于編程控制，將檢測儀的整體工作狀態分為6個狀態[6]，并由3個事件來控制，狀態之間的轉換關系如圖6所示。

圖6 檢測儀總體狀態轉換圖

檢測儀可分為6個工作狀態：

1)狀態1：單機狀態，即cRIO系統與觸摸屏計算機TPC尚未完成TCP通信連接；一旦TCP通信連接成功，自動轉入狀態2；

2)狀態2：是指雙機連接成功，但檢查通道未加電的狀態，提示“未加電”；一旦檢查通道加電，自動轉入狀態3；

3)狀態3：實時監控檢查通道的電壓，提示“準備好”，等待用戶觸發“開始”事件；

4)狀態4：模擬啟動狀態，此階段接通附加負載和穩定負載。當計時器的計時時間大于啟動時間，自動轉入狀態4；

5)狀態5：模擬穩定狀態，此階段斷開附加負載。

6)狀態6：退出應用程序。

檢測儀的狀態主要由3個事件來控制[7]：

1)“開始”事件：首先判斷檢測儀是否處于準備好狀態，并且電壓在規定范圍內，如滿足條件，則接通附加負載和穩定負載，并轉入狀態4，否則不做任何動作；

2)“停止”事件：當檢測儀處于負載啟動或穩定階段，斷開附加負載和穩定負載，但仍然實時監控檢查通道的電壓，轉入狀態3；

3)“退出”事件：無論檢測儀處于什么狀態，都將檢測儀恢復到未加負載狀態，同時關閉應用軟件。

檢測儀具體的各狀態描述和觸發條件如表1所列。

4 技術難點

4.1 實時性的要求

由于啟動電流脈沖寬度很小，需要控制電路、電流傳感器和采集電路都具有很高的實時性，以達到產生啟動電流脈沖的理想效果[8]。而基于Windows的系統架構只能達到幾毫秒的循環控制，很難實現模擬負載啟動過程。如果自行研制基于單片機的檢測儀，一方面技術難點較多，研制周期長；另一方面，很難滿足技術要求。為此，盡可能選用現有商用技術COTS，以達到滿足技術要求，同時可獲得研制周期短和可靠性高的目的。

解決方案:

1)采用由嵌入式控制器、嵌入式機箱和C系列的模塊組成的CompactRIO嵌入式實時平臺，控制循環可達25 ns間隔；

2)采用固態繼電器控制大功率負載的接通和斷開，滿足實時性要求；

3)采用霍爾型傳感器測量啟動電流和穩定電流，以解決大電流無法直接測量的難題；

4)優化檢查控制流程設。

4.2 雙機通信

嵌入式控制器與觸摸屏式計算機之間的通信，現有硬件連接為以太網網線。通信協議主要有IP通信協議、UDP通信協議和TCP通信協議。雙機之間的通信是雙向的，嵌入式控制器須將采集的電壓電流數據傳送到觸摸屏式計算機，觸摸屏式計算機須將操作者的操作選擇和狀態控制發送到嵌入式控制器。通信協議選擇的關鍵是在可靠傳輸的基礎上滿足傳輸速度快的需求。

解決方案：

TCP是一種可靠的、基于連接的協議[9]。它提供錯誤檢測，確保數據按順序并且不重復地到達。TCP是基于連接的協議，這意味著各傳輸點必須在數據傳輸前創建連接。

可通過等待入局的連接或尋找具有指定地址的連接來創建連接。在創建TCP連接時，須指明其地址及該地址的端口。一個地址上不同的端口表示該地址上的不同服務。通過打開TCP連接函數可主動創建一個具有特定地址和端口的連接。如連接成功，該函數將返回唯一識別該連接的網絡連接句柄。這個連接句柄可在此后的VI調用中引用該連接。

4.3 電壓和電流的高速采集

由于啟動電流脈沖的寬度不超過100 ms，為了使得采集的電流和電壓數據波形真實地反映波形特征，應確保啟動電流脈沖的采樣點達到200點以上為最低標準，單通道的采樣率最低為2 kS/s，即每500 μs采樣一次。

解決方案：

模擬采集模塊NI9221：總采樣率800 kS/s，現有2個測量通道，則完成一次采樣的時間為2.5 μs；模擬采集模塊NI9205：總采樣率250 kS/s，現有4個測量通道，則完成一次采樣的時間為16 μs。兩個模擬采集模塊的性能遠遠超過最低需求。

5 實驗結果與分析

實驗內容內容包括地面驗證實驗與外場聯機實驗。

5.1 地面驗證實驗

地面檢測儀加電檢查時，大功率負載電阻發熱并出現異味，模擬負載網絡工作出現異常，5 min后終止試驗，后經測試電阻燒毀1個。

5.1.1 原因分析

原設計方案未能充分考慮檢測儀機箱的空間和散熱等因素。

5.1.2 糾正措施

1)換電阻。通過多方聯系和討論，最終確定將原18個RX24鋁殼散熱電阻更換成耐熱性更好的RMG片式無感大功率電阻。500 W級的尺寸為96 mm×60 mm×3.0 mm，尺寸大大減小，散熱空間增大，重量(0.35 kg/個)也降低很多。

2)加厚鋁板和增加風扇散熱。所有的大功率負載由原來固定在2 mm鋁板上改為4 mm鋁板，便于快速散熱；另外，加裝通風扇，只要工作電源接通風扇就工作，確保使用階段檢測儀內部的空氣快速流通。

3)增加機箱散熱孔。與生產廠家聯系，在機箱的兩側各增加Φ10通風孔10個。

4)工作時間軟件定時。通過軟件定時，限定大功率模擬負載網絡最長工作時間為5 min。

5.1.3 驗證實驗

改用片式無感大功率電阻后，通過固態繼電器-大功率模擬負載組合板的設計和制作，后期進行了驗證實驗。連接好電纜→接通工作電源→機箱內應能聽到風扇轉動的聲音→觸摸屏式計算機正常啟動→觸摸屏式計算機響應專用觸摸筆的操作→雙機網絡成功連接，證明電阻更換后選型是合理且檢測儀軟、硬件工作正常，符合設計要求。

5.2 外場聯機實驗

外場聯機實驗在東部戰區海軍航空兵某團16號機進行。檢測結果為：滿負載電壓不低于24 V；紋波電壓不大于1.5 V；檢測儀合格指示燈亮(指示燈熄滅為不合格)，符合設計要求。

6 結束語

該檢測儀具有功能齊全，技術含量高，人機界面友好，智能化程度高，可原位檢測某型飛機空艦導彈供電系統滿負載能力和紋波電壓，有效提高了空艦導彈發射任務保障能力，具有顯著的軍事經濟效益，其檢測方法和嵌入式硬件檢測平臺可適用于其他主戰機型空艦導彈供電系統的原位檢測，推廣應用前景廣闊。