某型飛機武器控制系統(tǒng)執(zhí)行組件測試儀

呂曉峰，馬 羚，李學(xué)章，賀英政

(1.海軍航空大學(xué)，山東 煙臺 264001；2.中國人民解放軍92975部隊，浙江 寧波 315000)

0 引言

某型飛機武器控制系統(tǒng)主要用于管理和控制所攜帶的武器和相關(guān)懸掛投放裝置。執(zhí)行組件是該型武器控制系統(tǒng)的核心部件，其主要功能是：用于武器發(fā)射邏輯信號的控制，涉及8路開關(guān)量信號的輸入輸出[1-2]。

隨機配備的執(zhí)行組件測試設(shè)備在測試的過程中，需人工逐步操作與判讀，操作復(fù)雜且需人工排除故障，測試診斷效率較低。因此，為了提高測試診斷效率，設(shè)計了基于STC89C51單片機、多路測試技術(shù)和故障字典法的某型飛機武器控制系統(tǒng)執(zhí)行組件測試儀[3-5]。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

某型武器控制系統(tǒng)執(zhí)行組件需要測試的信號涉及8路開關(guān)量信號，信號屬性為“+27 V/空”。測試原理是：向執(zhí)行組件發(fā)送8路開關(guān)量，接收其輸出的8路開關(guān)量，將接收到的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)電壓值比較，進行檢測和診斷，判斷武器控制系統(tǒng)執(zhí)行組件邏輯的正確性。

測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計分為硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分。硬件設(shè)計包括按鍵控制模塊、單片機模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、電源模塊和液晶顯示屏；軟件設(shè)計分為測試模塊和診斷模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案如圖1所示。

圖1 測試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方案

測試儀工作原理：一方面由按鍵控制模塊控制單片機模塊模擬武器按發(fā)射邏輯發(fā)出8路數(shù)字信號，經(jīng)開關(guān)量輸出模塊轉(zhuǎn)換為8路開關(guān)量信號，輸入到執(zhí)行組件；另一方面接收執(zhí)行組件返回的8路開關(guān)量信號，經(jīng)開關(guān)量輸入模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，輸入到單片機模塊，整個系統(tǒng)由電源模塊進行供電，軟件測試模塊進行控制。軟件診斷模塊根據(jù)輸入至單片機模塊的電壓值與標(biāo)準(zhǔn)值進行對比，從而進行故障診斷，同時將采集到電壓值和診斷的結(jié)果實時顯示。

2 硬件設(shè)計

測試儀的硬件主要分為按鍵控制模塊、單片機模塊、開關(guān)量輸入/輸出模塊、電源模塊和液晶顯示屏。測試儀的核心是單片機模塊，一方面通過控制開關(guān)量輸出模塊中的輸出開關(guān)量轉(zhuǎn)換電路和電壓放大電路完成開關(guān)量轉(zhuǎn)換和輸出，另一方面通過控制開關(guān)量輸入模塊中的數(shù)據(jù)緩沖電路和A/D轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)對開關(guān)量的采集以及電壓數(shù)據(jù)的處理，并根據(jù)電路邏輯順序及標(biāo)準(zhǔn)值做出判斷。硬件電路的控制原理如圖2所示。

圖2 硬件電路的控制原理圖

2.1 單片機模塊

該模塊采用STC89C51單片機作為硬件電路的核心處理器，通過控制單片機的I/O接口來模擬發(fā)射信號，同樣利用I/O 接口來接收測試電壓信號，對數(shù)據(jù)進行AD轉(zhuǎn)換處理后做出判斷。

STC89C51的控制電路如圖3所示，電路共有40個引腳，大致可分為4類：電源、時鐘、控制和I/O引腳[6]。STC89C51的I/O引腳共有4個8位并行I/O端口：P0、P1、P2、P3口，共32個引腳，主要用于控制8路開關(guān)量的輸入輸出控制和液晶顯示屏的顯示。其中引腳P0.0～P0.7用于控制液晶顯示屏顯示8位數(shù)據(jù)，引腳P1.0～P1.7用于控制AD轉(zhuǎn)換電路采集8路開關(guān)量信號，引腳P2.3～P2.7和P3.0～P3.2用于控制輸出開關(guān)量轉(zhuǎn)換電路輸出8路開關(guān)量信號。

圖3 單片機控制電路圖

2.2 開關(guān)量輸入/輸出模塊

開關(guān)量的輸入輸出控制以STC89C51單片機為核心處理器，實現(xiàn)測試儀的開關(guān)量輸入輸出功能以及數(shù)據(jù)處理功能。

2.2.1 開關(guān)量輸入模塊

該模塊主要是為了完成對8路電壓值的采集，首先將執(zhí)行組件輸出的8路開關(guān)量信號，輸入到數(shù)據(jù)緩存放大電路進行緩沖和放大，然后再經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換電路將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后送入到STC89C51單片機中進行處理。

通過分析，該模塊若直接利用ADC0809芯片采集被測電壓，量程達不到要求且電壓誤差較大，故需要對采集的電壓值進行放大緩沖，具備從模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的功能，開關(guān)量輸入電路原理如圖4所示。

圖4 開關(guān)量輸入模塊原理圖

1)數(shù)據(jù)緩沖放大電路。該電路主要完成對采集信號的處理，首先信號經(jīng)過十倍衰減電路，將電壓降為原來的十分之一，然后經(jīng)過功能性放大電路，即將輸入到LM324四運算放大器的信號完成十倍放大，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)電壓值緩沖和放大，減少信號失真、抗干擾，確保電壓值的實時性和準(zhǔn)確性。

2)AD轉(zhuǎn)換電路。ADC0809芯片是8位逐次逼近式AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有28個管腳[7]，主要用來采集數(shù)據(jù)緩沖放大電路輸入的8個模擬信號電壓值，通過采用逐次逼近法完成8路數(shù)據(jù)的AD轉(zhuǎn)換后，將數(shù)據(jù)需及時傳送給STC89C51單片機進行數(shù)據(jù)處理，其電路原理如圖5所示。其中引腳IN0～IN7為8路開關(guān)量信號輸入端，引腳P1.0～P1.7為8路數(shù)字信號輸出端。

圖5 ADC0809電路原理圖

2.2.2 開關(guān)量輸出模塊

測試儀需要模擬武器發(fā)射的時序信號發(fā)送至執(zhí)行組件，因此該模塊主要是完成模擬開關(guān)量的發(fā)送，主要涉及兩個方面：一是由于單片機不能直接驅(qū)動繼電器，需要對其輸出的數(shù)字信號進行電壓放大，實現(xiàn)單片機控制繼電器；二是單片機提供的電壓只有+5 V，而執(zhí)行組件工作需要+27 V，所以需設(shè)計電壓放大電路，完成對執(zhí)行組件的供電。另外由于測試儀還具備對數(shù)據(jù)處理做出判斷，并在液晶屏上進行動態(tài)顯示，所以在輸出電路的設(shè)計上需要考慮液晶屏控制及顯示，其設(shè)計原理如圖6所示。

圖6 開關(guān)量輸出電路原理圖

1)輸出開關(guān)量轉(zhuǎn)換電路。該電路主要實現(xiàn)開關(guān)量的輸出和轉(zhuǎn)換，包含按鍵控制模塊和三極管放大電路兩部分。

按鍵控制模塊主要實現(xiàn)開關(guān)量的輸出，通過模擬武器發(fā)射過程中所需要的時序信號，將按鍵產(chǎn)生的數(shù)字信號送到單片機后進行處理。該模塊分為手動模式和自動模式。手動模式需在手動方式下按武器發(fā)射時序按壓相應(yīng)的按鍵SW1～SW8；自動模式只需按下按鍵SW9，武器發(fā)射時序信號將自動送到單片機。具體設(shè)計原理如圖7所示。

圖7 按鍵控制模塊

三極管放大電路主要將單片機輸出的控制信號實現(xiàn)電流和功率放大，使通過繼電器電流能夠驅(qū)動繼電器，完成對繼電器的控制。

三極管放大電路的設(shè)計原理如圖8所示。其工作原理為單片機輸出的小電流控制信號P2.7至三極管Q8的基極，使Q8導(dǎo)通，繼電器U10引腳3接地，而引腳2接入+27 V大功率電源，從而繼電器電磁線圈通電控制U10工作，實現(xiàn)對繼電器的控制。

圖8 三極管電壓放大電路

2)電壓放大電路。單片機所用電壓均為+5 V，而繼電器需要輸出開關(guān)量+28 V，不滿足測試需求，所以要對電壓進行放大，在放大的過程中電流功率均會損失，在設(shè)計電壓放大電路時，最重要的是考慮輸出的電流是否滿足測試的需要，由于執(zhí)行組件本身功耗較小，滿足測試的需求。

圖9 電壓放大電路原理圖

輸出電路的電壓放大電路設(shè)計原理如圖9所示。該電路主要基于LM2587開關(guān)式電壓調(diào)節(jié)器，當(dāng)輸入電壓經(jīng)過端口P2輸入時，電流通過LM2587電壓調(diào)節(jié)器，在次級電感線圈L1處充電，把電能儲存在電感線圈中；當(dāng)端口P2斷開時，次級電感線圈L1通過二極管D1將其存儲的電能釋放到電容器C3、C4和C5中，這樣次級電感線圈L1在端口P2導(dǎo)通期間存儲的電能將在P2斷開時傳遞給輸出電容器，進而通過端口P1輸出。其輸出電壓的高低可由傳遞電能的多少來控制，而傳遞電能的多少則可通過調(diào)制電感器的峰值電流來控制[8]。

3)液晶顯示電路LCD1602。該電路主要將單片機處理后電壓值與判斷結(jié)果實時顯示到液晶屏上，以便于觀察。1602液晶屏可以顯示兩行，每行16個字符，第一行用來顯示采集到每路的電壓值，第二行顯示的是經(jīng)單片機處理后做出的結(jié)果，若無故障，則“OK”；若存在故障，則“NO OK”。液晶顯示屏可以在固定時間后完成每路電壓的切換，實現(xiàn)8路電壓的動態(tài)顯示。1602采用標(biāo)準(zhǔn)的16腳接口，其中DB0～DB7為雙向數(shù)據(jù)線，具體電路原理如圖10所示。

圖10 LCD1602液晶顯示電路

2.3 電源模塊

該模塊主要由28 V/10 A的開關(guān)電源和分壓電路組成。開關(guān)電源可將輸入的220 V/50 Hz交流電變換為+28 V/10 A直流電，而分壓電路，可將+28 V直流電分壓輸出為+5 V的直流電，從而實現(xiàn)對執(zhí)行組件及其測試儀的供電。

3 軟件設(shè)計

執(zhí)行組件測試儀的軟件設(shè)計是在Windows7操作系統(tǒng)和Keil5編程開發(fā)環(huán)境支持下基于C語言開發(fā)的，執(zhí)行組件測試儀的軟件設(shè)計分為自檢模塊、測試模塊和診斷模塊設(shè)計。軟件設(shè)計的邏輯流程如圖11所示。

第一步，系統(tǒng)自檢。軟件中的自檢模塊控制單片機上電對執(zhí)行組件測試儀進行自檢。

第二步，組件測試。軟件中的測試模塊分輸入和輸出兩個通道進行，每個通道均為8路。輸出通道是測試軟件控制I/O口發(fā)送開關(guān)量信號，經(jīng)功率放大電路送入執(zhí)行組件；輸入通道將ADC0809采集到的8路電壓開關(guān)量信號，通過AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后送到單片機。

第三步，組件診斷。軟件中的診斷模塊控制單片機將輸入的數(shù)字量與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較，若對比數(shù)據(jù)在合格范圍內(nèi)，則將合格的數(shù)據(jù)存入A數(shù)組，否則存入B數(shù)組。最后判斷所有數(shù)據(jù)是否均在A數(shù)組，若在，則輸出“合格”，組件正常，否則輸出“不合格”，進而進行故障分析，將采集到電壓值和分析出的結(jié)果實時顯示。

圖11 測試軟件總體邏輯流程

測試儀采用故障字典法進行故障定位[9-10]。故障字典法診斷故障的主要思想是：首先采用電路仿真軟件如Altiumdesigner對執(zhí)行組件設(shè)置測試點和元器件故障，并對其進行電路仿真，獲得各測試點和各元器件之間一一對應(yīng)關(guān)系；然后將所有測試點和元器件的對應(yīng)關(guān)系列成一個故障字典；最后，在實際診斷時，只要獲得執(zhí)行組件所有測試點的實際測量結(jié)果，就可以從故障字典中查出此時對應(yīng)的故障。

為了節(jié)省測試所需的時間，提高效率，決定采用多路測試技術(shù)實現(xiàn)8路開關(guān)量輸入輸出，利用ADC0809芯片完成AD轉(zhuǎn)換，并將采集結(jié)果送入到單片機中，通過單片機內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)值對測試結(jié)果做出判斷并通過顯示屏進行顯示，最后利用故障字典法將執(zhí)行組件的故障定位至元器件級。

4 實驗結(jié)果與分析

實驗的過程是按照武器的發(fā)射時序來模擬的，通過設(shè)置具體的故障，來驗證檢測儀的測試診斷功能。具體實驗步驟如下：

1)設(shè)置故障：設(shè)置執(zhí)行組件中控制武器總電門的繼電器故障，造成武器總電門斷路。

2)故障現(xiàn)象：發(fā)動機點火信號不正常，輸出電壓為+0 V。

3)測試診斷過程：

(1)按照執(zhí)行組件和檢測儀的接口關(guān)系，對其進行對應(yīng)連接；

(2)進行通電檢查，完成系統(tǒng)自檢；

(3)按武器發(fā)射時序依次手動方式按下檢測儀上按鍵控制模塊中的按鍵開關(guān)SW1～SW8，也可采用自動方式按下按鍵開關(guān)SW9，即自動測試開關(guān)。

(4)按照按下按鍵開關(guān)的順序依次觀察液晶屏顯示的結(jié)果。

經(jīng)過上述的實驗步驟，得到仿真實驗結(jié)果如表1所示。

表1 仿真實驗結(jié)果

通過上述仿真實驗結(jié)果可以得出，造成發(fā)動機點火信號異常的原因是武器總電門單元故障。再通過電路軟件仿真得到的故障字典對比可知，是由于武器總電門單元中的繼電器故障造成，處理措施應(yīng)及時檢查并維修繼電器。

5 結(jié)束語

實際應(yīng)用表明：論文設(shè)計了以單片機為控制核心的某型飛機武器控制系統(tǒng)執(zhí)行組件測試儀，實現(xiàn)了8路開關(guān)量輸入輸出的控制，同時利用窮舉測試法可將故障定位到元器件。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，測試效率較高，滿足測試需求。