激光電源計數(shù)器檢測系統(tǒng)研究

陳 誠，王炳奇，黃大山，劉海亮

（中國人民解放軍32272 部隊41 分隊，四川德陽 618408）

0 引言

傳統(tǒng)的目測距離以及光學(xué)分劃測距，往往由于所測距離與實際值差距較大，而使車輛性能難以充分發(fā)揮。20 世紀(jì)60 年代隨著激光的問世，現(xiàn)在用激光測距儀測距已經(jīng)成為各種車輛的主要測距方式[1]。

在我國各型車輛中，激光測距系統(tǒng)均采用相同技術(shù)，應(yīng)用廣泛。但是由于該系統(tǒng)技術(shù)含量高，系統(tǒng)構(gòu)成相對復(fù)雜，相關(guān)單位在使用維修上遇到許多新問題。從調(diào)研的情況來看，這些車輛測距系統(tǒng)故障頻繁、可靠性問題突出，經(jīng)常出現(xiàn)的激光測距故障有不測距、測距數(shù)據(jù)錯誤、測距數(shù)據(jù)隨機(jī)性漂移等，問題的原因主要集中于激光電源計數(shù)器各單板故障引起供電電壓波動、控制信號不準(zhǔn)、發(fā)送能量弱等[2-3]。目前，激光電源計數(shù)器的故障排除主要依賴于使用維修人員的經(jīng)驗，不僅效率低，而且由于人員流動性大等特點，造成故障診斷知識積累困難，難以得到很好的繼承和發(fā)展。因此，需開展激光電源計數(shù)器故障自動化檢測方面技術(shù)的研究。

1 檢測系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

檢測設(shè)備主要由顯示及外設(shè)、通用底板、電源綜合輸出板、核心CPU（Central Processing Unit，中央處理器）板和5 個適配器接口板（分別對應(yīng)激光電源計數(shù)器部件、常規(guī)電源板、高壓電源板、控制板和計數(shù)板）等部分組成（圖1）。

圖1 檢測設(shè)備組成

2 檢測系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

激光電源計數(shù)器整體和內(nèi)部單板具有不同的功能，功能層級也不一樣，工作條件環(huán)境差異很大，不容易集成在一個檢測環(huán)境中。因此，針對不同的檢測對象設(shè)計不同的檢測環(huán)境，用特定的適配器來實現(xiàn)不同檢測環(huán)境的模擬，這樣有較大的技術(shù)優(yōu)勢。

2.1 計數(shù)器部件檢測模塊

計數(shù)器部件在正常工作環(huán)境中涉及到系統(tǒng)的3 個部件，分別是激光測距儀、車載計算機(jī)、觀察鏡。為了實時、完整地檢測計數(shù)器部件，須在檢測系統(tǒng)中模擬構(gòu)建與計數(shù)器部件通過電纜相連的這3 個部件軟硬件環(huán)境，檢測系統(tǒng)中適配器板實現(xiàn)上述3 部件的檢測環(huán)境模擬。其中，模擬激光測距儀功能接收計數(shù)器部件產(chǎn)生的高壓、低壓直流電源、測距過程中所需的控制信號、時序等；模擬車載計算機(jī)功能接收計數(shù)器部件產(chǎn)生的目標(biāo)距離計算數(shù)據(jù)、測距過程中所需的控制信號、時序等；模擬觀察鏡功能接收計數(shù)器部件產(chǎn)生的送往左目鏡顯示器目標(biāo)距離數(shù)據(jù)等（圖2）。

圖2 激光電源計數(shù)器部件檢測模塊

2.2 常規(guī)電源板檢測模塊

常規(guī)電源板在正常工作環(huán)境中涉及到3 個方面的信號輸入輸出，分別為輸入+26 V 電源、輸出+5 V 和±6 V 電源、BCD（Binary-Coded Decimal）碼轉(zhuǎn)換為7 段碼。為了實時完整地檢測常規(guī)電源板，須在檢測系統(tǒng)中模擬構(gòu)建與常規(guī)電源板通過插座相連的外圍軟硬件環(huán)境，檢測系統(tǒng)中適配器板實現(xiàn)上述3 部分功能的檢測環(huán)境模擬。其中，模擬電源輸出功能主要輸出+26 V電源給常規(guī)電源板；模擬電源輸入功能主要接收常規(guī)電源板輸出的+5 V 和±6 V 電源；模擬控制板功能主要輸出BCD 碼給常規(guī)電源板；模擬車載計算機(jī)功能主要接收常規(guī)電源板輸出的7段碼（圖3）。

圖3 常規(guī)電源板檢測模塊

2.3 高壓電源板檢測模塊

高壓電源板在正常工作環(huán)境中涉及到3 個方面的信號輸入輸出：輸入+26 V 電源、充放電控制信號、輸出3 路高壓電源（HV（+）、VAPD、VAPD1）。為了實時、完整地檢測高壓電源板，須在檢測系統(tǒng)中模擬構(gòu)建與高壓電源板通過插座相連的外圍軟硬件環(huán)境，檢測系統(tǒng)中適配器板實現(xiàn)上述3 部分功能的檢測環(huán)境模擬。其中，模擬電源板功能主要輸出+26 V 電源給高壓電源板；模擬激光測距儀功能主要輸出充電控制信號（TRIG、FIRE）給高壓電源板并接收其輸出的高壓電源（圖4）。

圖4 高壓電源板檢測模塊

2.4 控制單板檢測模塊

控制板在正常工作環(huán)境中涉及到3 個方面的信號輸入輸出：電源輸入（+5 V、KHVAPD、VAPD（+））及整形；各種時序控制；出光檢測；自檢電路及目標(biāo)距離鎖存等。為了實時完整地檢測控制板，須在檢測系統(tǒng)中模擬構(gòu)建與控制板通過插座相連的外圍軟硬件環(huán)境，檢測系統(tǒng)中適配器板實現(xiàn)上述功能的檢測環(huán)境模擬，其中：模擬常規(guī)電源板功能主要輸出+5 V 電源給控制板；模擬激光電源板功能主要輸出高壓電源給控制板進(jìn)行整形及出光檢測等；模擬計數(shù)板功能主要輸出目標(biāo)距離信號給控制板并接收自檢等；模擬車載計算機(jī)功能主要接收控制板輸出的目標(biāo)距離信號鎖存、“首/末”邏輯、“正常/坑干擾”邏輯及時序控制等（圖5）。

圖5 控制板檢測模塊

2.5 計數(shù)單板檢測模塊

計數(shù)板在正常工作環(huán)境中涉及到3 個方面信號輸入輸出：電源輸入（+5 V）及整形；計數(shù)及存儲；自檢電路及目標(biāo)距離輸出等。為了實時的完整檢測計數(shù)板，須在檢測系統(tǒng)中模擬構(gòu)建與計數(shù)板通過插座相連的外圍軟硬件環(huán)境，檢測系統(tǒng)中適配器板實現(xiàn)上述功能的檢測環(huán)境模擬。其中，模擬常規(guī)電源板功能主要輸出+5 V 電源給計數(shù)板；模擬激光測距儀功能主要輸出回波信號給計數(shù)板時行計數(shù)等；模擬控制板功能主要控制計數(shù)板進(jìn)行自檢、時序控制、目標(biāo)距離信號鎖存等（圖6）。

圖6 計數(shù)板檢測模塊

3 數(shù)據(jù)采集和處理

將數(shù)據(jù)采集技術(shù)[4-5]應(yīng)用于激光電源計數(shù)器檢測設(shè)備，實時收集和處理被檢測部件或單板的故障數(shù)據(jù)。

3.1 模擬信號處理

模擬信號[6]主要分為輸入和輸出兩部分，輸入的部分主要包括＋26 V、±15 V、±5 V 等工作電源以及被測部件或單板輸出的模擬電壓信號。檢測系統(tǒng)使用兩級AD7501 進(jìn)行分級“歸一化”處理：第一級AD7501 在綜合控制板上，主要選擇系統(tǒng)工作電壓（＋26 V，±15 V，±5 V）和一路共用通道，然后綜合控制板將各類電壓信號調(diào)理到±5 V 范圍內(nèi)供其A/D 進(jìn)行實時采樣并計算相應(yīng)電壓值；第二級AD7501 在各個被測適配器板上，依據(jù)被測對象選一路模擬信號進(jìn)共用通道。第一級和第二級AD7501 配置見表1。

表1 兩級AD7501 模擬開關(guān)輸入輸出表

模擬信號的輸出部分主要由DA 產(chǎn)生，經(jīng)調(diào)理后輸出到通用底板，VF2 共用通道，供相應(yīng)適配器板輸入調(diào)理使用。

3.2 數(shù)字信號處理

數(shù)字信號[7]主要分為I/O（Input/Output）輸入和輸出信號及CPU 總線兩部分，其中I/O 輸入和輸出信號主要包括邏輯電平及脈沖等信號，在通用底板上留有多路I/O 通道，CPU 通過數(shù)據(jù)總線（經(jīng)74HC245）讀取各適配器板輸出到I/O 通道的信號，通過54HC373 鎖存數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)到I/O 通道，用于各適配器板控制等功能。

CPU 總線主要分為PC104 地址總線（A0～A31）、數(shù)據(jù)總線（D0～D15）、控制總線（WR、RD、CS0～CS3 等）。其中，CS0～CS3 為PC104 外擴(kuò)I/O 地址空間0X280～0X2B0，將PC104 數(shù)據(jù)總線直接外擴(kuò)控制各適配器板（間接擴(kuò)展到各被測對象板），可按字節(jié)或字進(jìn)行讀寫操作。

4 結(jié)論

通過對激光電源計數(shù)器的檢測環(huán)境模擬和數(shù)據(jù)處理過程進(jìn)行研究，分析設(shè)計了檢測系統(tǒng)的主要功能和結(jié)構(gòu)組成。針對不同的檢測對象設(shè)計不同的檢測環(huán)境，基于特定的適配器接口板，使用大規(guī)模可編程技術(shù)來實現(xiàn)計數(shù)器部件和單板的檢測環(huán)境模擬，利用在CPLD/FPGA 中運(yùn)行的可編程軟件，可以降低硬件要求，提高集成度。在對模擬和數(shù)字兩類信號處理方面，硬件部分按“歸一化”處理，軟件部分按“模塊化”處理，簡化運(yùn)算過程。