激光電源計數器檢測設備設計與實現

陳 誠，黃大山

（中國人民解放軍32272 部隊41 分隊，四川德陽 618408）

0 引言

隨著科學技術的不斷進步，國內各種新技術更新加快，復雜程度不斷提高。裝備性能提高的同時也促進了綜合保障系統的改進與更新，作為綜合保障主要工作的測試與診斷也受到越來越多的重視。眾所周知，無論是裝甲車輛上的火炮還是機槍，要想對目標實施有效打擊，影響命中精度的眾多因素中，距離信息是至關重要的。傳統的目測距離以及光學分劃測距，往往由于所測距離與實際值差距較大，而使首發命中率降低。隨著上世紀60 年代激光的問世，現在用激光測距儀測距已經成為各種裝備的主要測距方式[1]。

激光電源計數器是激光測距儀的重要組成部分，一般由各種電源電路、高壓充電及控制電路、邏輯計數電路、顯示譯碼電路等組成，其作用主要是為各部提供電源，完成測距計數并譯碼顯示[2]。

在國內各型裝備中，激光測距系統均采用相同技術，應用廣泛。但由于該系統技術含量高，系統構成相對復雜，在使用維修上遇到許多新問題。根據調研的情況來看，這些裝備測距系統故障頻繁，可靠性問題突出，常出現的激光測距故障包括：不測距、測距數據錯誤、測距數據隨機性漂移，出現問題的原因主要集中于激光電源計數器各單板故障引起供電電壓波動、控制信號不準、發送能量弱等[3-5]。目前，激光電源計數器的故障排除主要依賴于使用和維修人員的經驗，不僅效率低，而且由于維修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展。

因此，需要開展激光電源計數器故障自動化檢測方面技術的研究。根據激光測距系統的結構特點，在裝備現場發生故障后，利用檢測設備的自動化檢測，包括對整個故障設備的部件級檢測和設備內各單板的檢測，通過嚴格的時序控制、模擬信號采集[6-7]、實時數據信號處理[8-9]、結果自動比對分析、快速顯示所有故障代碼及說明等，準確找到設備的故障點，完成激光電源計數器設備和單板故障的準確快速定位，給維修人員提供科學、快速、簡潔的維修方案，使維修過程簡單化，從而提高維修保障效率。

1 檢測系統總體設計

激光電源計數器檢測設備主要是為了檢測該裝備電源計數器部件以及此部件中的常規電源板、高壓電源板、控制板、計數板。通過專用電纜連接電源計數器部件到適配器接口板，通過將各被測單板插入相應適配器接口板插座，通過檢測儀界面上圖形化導航選擇相關檢測模塊，實現對被測部件或單板輸入輸出的I/O 信號、模擬電壓信號、總線通信等信號的自動檢測，軟件自動判斷部件及各單板接口信號、單板內部相關模塊及相關器件、具體信號的技術指標等是否合格，為檢測維修人員提供快速的檢測手段。

檢測設備主要由這些部分組成：顯示及外設、通用底板、電源綜合輸出板、核心CPU 板、適配器接口板1—5（分別對應：激光電源計數器部件、常規電源板、高壓電源板、控制板、計數板），檢測設備組成如圖1 所示。

圖1 檢測設備組成框圖

2 核心CPU 板設計

CPU 核心模塊構架中將通用CPU 模塊（核心CPU 板實物如圖2 所示，上層為X86 主板，也可選用其他型號具備ISA 總線接口的CPU 主板）嵌入到測試系統中，經擴展后作為整個測試系統的核心模塊，其主要組成及功能如下：

圖2 核心CPU 板實物圖

外設接口：顯示接口可接CRT 或彩色液晶屏；標準鼠標/鍵盤接口；并行打印機接口（或USB 打印接口）；以太網通信接口。

三總線體制：CPU 核心模塊的數據總線DB（16 位）、地址總線AB（16 位）、控制總線CB（讀、寫、IOCS16、MEMCS16、BHE等）等經隔離驅動（實現絕緣）后直接聯接通用底板，這種方式的執行速度快，CPU 直接對I/O 地址或外存儲器地址進行操作。

3 綜合控制板設計

綜合控制板采用模塊化設計，分為隔離驅動、時序控制、總線控制、AD/DA 等部分組成，綜合控制板原理框圖如圖3 所示。

圖3 綜合控制板組成框圖

嵌入式CPU 接口模塊：嵌入式CPU 接口模塊支持商用PC104 核心板卡（如X86 主板或具備ISA 總線接口的其它CPU主板）標準接口。

時序控制模塊：將CPU 的地址總線、控制總線處理后生成片選等信號經隔離驅動后送通用底板，與適配器及被測板進行雙向信息交互。

總線控制模塊：產生I/O 輸出，在CPU 核心模塊中有大規模可編程器件CPLD/FPGA，通過自主設計編程，直接鎖存CPU數據總線的信號經隔離驅動后直接輸出到總線板。根據被測單板需要，輸出信號可以是電平信號，也可以是脈沖信號；接收I/O輸入信號，I/O 輸入信號通過適配器隔離驅動后進入CPU 核心模塊，經FPGA 與CPU 進行數據實時交互。I/O 信號有兩種，一種是電平信號，另一種是脈沖信號，由可編程器件FPGA 對電平信號及脈沖信號的占空比和脈沖寬度進行測量后，與CPU 進行數據實時交互。

模擬信號輸入：在CPU 核心模塊中有8 路12 位A/D，可采集模擬信號。

模擬信號輸出：由CPU 核心模塊控制，產生多路12 位D/A，可直接輸出模擬量信號到被測單板輸入接口，控制被測模塊。

4 通用底板設計

通用底板是固定安裝在機箱內，其多個插座上可插入（不分位置）：綜合控制板、電源板、多種適配器板，通用底板組成如圖4 所示。

圖4 通用底板組成框圖

數據總線：主要是CPU 模塊的16 位高速雙向數據總線。

地址總線：主要是CPU 模塊的多位高速地址總線輸出。

控制總線：主要是CPU 讀、寫、地址有效等控制總線輸出。

片選輸出：主要是選中相關適配器的地址選通信號輸出。

I/O 輸出：在綜合控制板中有大規模可編程器件CPLD，通過個性化設計，直接鎖存CPU 數據總線的信號經隔離驅動后直接輸出到底板，輸出信號可以是電平信號，也可以是PWM 信號。

I/O 輸入：在綜合控制板中有大規模可編程器件CPLD，底板來的I/O 輸入信號有兩種，一種是常用的高低電平信號，這種信號經隔離驅動后交給CPLD，CPLD 在CPU 讀取I/O 輸入信號時實現與CPU 交互；另一種是周期性時鐘或單一片選信號，這種信號經CPLD 測量時鐘占空比和脈沖長度后，CPU 直接讀取CPLD 測量的值。

數字地線：整個測試系統中的數字地。

多路電源：整個測試系統使用的電源、輸出給多種適配器板電源、輸出給被測產品的電源，主要包括多路＋5 V、±15 V、＋26 V等電源。

模擬地線：整個測試系統中的模擬地。

AD 輸入信號：在CPU 核心板中有8 選1 的12 位A/D，可采集模擬電壓和其他模擬信號。

5 電源板設計

電源主要包括：測試儀用的系統電源（＋5 V、＋15 V、－15 V，＋26 V）和輸出給適配器及被測產品板使用的電源（＋26 VS、＋5 VS、＋15 VS、－15 VS）。這些電源主要由電源模塊產生，其實現框圖如圖5 所示。

圖5 電源板組成框圖

6 各適配器接口板設計

電源計數器部件主要的功能是提供激光測距所需的高壓、低壓直流電源；產生測距過程中所需的控制信號、時序；對目標距離進行計算；將計算的目標距離值送至火控計算機；將計算的目標距離值送至左目鏡顯示器中。

常規電源板產生+5 V 電源、產生±6 V 電源、將控制板計算的目標距離的BCD 碼轉換為7 段碼。

高壓電源板為發射激光提供能量，為發射機組件中氙燈提供電能，另一方面為接收機的探測元件（雪崩管）提供偏壓電源。

控制板由各種時序電路組成，為激光測距進行了時序控制。控制板部分主要包括氙燈電源充電控制電路、自動增益控制電路、雪崩管電壓控制電路、出光檢測電路、“首/末”邏輯、“正常/坑干擾”邏輯電路、計數器自檢電路、整形電路、目標距離鎖存控制等電路。

計數板由計數時鐘振蕩器、整形電路、自檢電路、計數電路、存儲電路及清零電路等組成，計數板的計數范圍為200～9990 m，測距精度為±5 m。計數電路包括6 塊54LS192 構成兩套十進制計數器。奇數目標距離值累計在一套計數器里，偶數目標距離值累計在另一套計數器里。整形電路主要是對出光信號取樣和回波信號進行整形。計數時鐘振蕩器，為保證測距精度不大于5 m，選用29.979 MHz 晶振，作為計數時鐘。自檢電路，控制板產生的ZJ信號對計數板的計數控制和儲存控制進行檢查。儲存電路，兩套計數電路在出光后開門計數，標準時鐘15 MHz 加給計數器，每來一個放大信號就依次分別將計數值寫入兩套FIFO 電路里，在測程結束后計數機在讀取FIFO 里的數值進行處理，奇數目標距離累計寫入一套FIFO 里，而偶數目標距離數值累計寫入另一套FIFO 里。清零電路，給出50～70 μs 脈寬，使計數電路及觸發器清零，從而保證準確的測距。

根據以上計數器部件和各單板性能，設計了電源計數器各適配器板的功能框圖（圖6）。

圖6 檢測儀各適配器接口板組成框圖

通用底板接口：適配器板與通用底板間的配對接插件，所有適配器板都相同。

信號隔離、驅動模塊：適配器板與通用底板及被測單板間信號的隔離、保護、驅動功能，對電源類采用電容、電阻等處理；對I/O 信號采用串聯小電阻進行保護處理；對地址、總線、脈沖等信號使用245 進行隔離和驅動處理；實現對適配器板的保護功能。

直流電壓產生模塊：在譯碼控制電路模塊的控制下，將輸入的+26 V 電源通過繼電器選通輸出給被測的常規電源板。

譯碼控制模塊：對CPU 地址總線、I/O 讀寫信號進行實時處理，產生直流電壓供給模塊所需的繼電器選通信號、54HC4511檢測模塊所需的數據總線鎖存及讀取數據的片選信號、電壓信號調理模塊所需的多個電壓選通信號。

時序控制模塊：主要由CPLD 實現，為VHDL 語言開發，提供電源計數器部件和各單板所需時序控制信號，鎖存計數器部件和各單板反饋輸出的數字信號，供CPU 讀取分析。

模擬信號調理模塊：模擬信號調理模塊主要由AD7501 實現，多路電壓輸入，在選通信號控制下選擇一路模擬信號進入反饋通信（VF），供綜合控制板實時采集分析。

適配器板接口：適配器板與被測常規電源板插座相對應的配對接插件，每種適配器接口信號定義不同，接口插座插頭不盡相同。

7 故障檢測實現

7.1 檢測儀實物組成

根據檢測系統總體設計原理圖，結合檢測儀各單板功能，研制出激光電源計數器實物，如圖7 所示。

圖7 激光電源計數器實物

7.2 檢測儀功能實現

7.2.1 系統自檢

通過點擊單操作區域系統自檢功能按鈕，程序將自動連續檢測設備內所有電源，主要分為：

（1）系統電源：主要包括輸入（＋5 V、＋15 V、－15 V）和輸出電源（＋26 V、＋5 V、＋15 V、－15 V）。

（2）適配器接口板（用于對接電源計數器部件）上電源檢測，主要包括＋26 V。

（3）適配器接口板（用于對接常規電源板）上電源檢測，主要包括＋26 V。

（4）適配器接口板（用于對接高壓電源板）上電源檢測，主要包括＋26 V。

（5）適配器接口板（用于對接控制板）上電源檢測，主要包括＋5 V。

（6）適配器接口板（用于對接計數板）上電源檢測，主要包括＋5 V。

激光電源計數器系統自檢結果如圖8 所示。

圖8 激光電源計數器系統自檢結果

7.2.2 部件檢測

通過點擊單操作區域部件檢測功能按鈕，程序在通電的瞬間檢測其工作電源是否合格，如存在短路等異常情況，程序自動切斷供給其的所有電源，主要包括以下檢測項：

輸入電源：+26 V。

輸出電源：+6 V、-6 V、+150 V（FIRE）、+600 V（HV）、KHVAPD。

激光電源計數器部件檢測結果如圖9 所示。

圖9 激光電源計數器部件檢測結果

7.2.3 單板檢測

通過點擊單操作區域單板檢測功能按鈕，可以對激光電源計數器各單板進行檢測，這里以常規電源板為例。程序在通電的瞬間檢測其工作電源是否合格，如存在短路等異常情況，程序自動切斷供給其的所有電源，主要包括以下檢測項：

輸入電源：+26 V。

輸出電源：+5 V、+6 V、-6 V。

激光電源計數器常規電源板檢測選擇頁如圖10 所示，激光電源計數器常規電源板檢測結果如圖11 所示。

圖10 激光電源計數器常規電源板檢測選擇頁

圖11 激光電源計數器常規電源板檢測結果

通過檢測結果可以看出，左邊為常規電源板通電正常的檢測結果；右邊顯示+5 V 電源不合格，并給出了故障代碼，通過對比系統專家庫可知為保護二極管VD1 損壞。

8 結束語

利用大規模可編程邏輯器件和數據處理技術，對激光電源計數器檢測設備進行了設計與實現，有效解決了車輛維修效率低、維修費用高等問題，給維修人員提供了科學、快速、簡潔的維修依據：一是利用了大規模可編程邏輯器件來模擬激光電源計數器的檢測環境；二是基于數據處理技術，對檢測系統的關鍵技術進行了研究；三是分析了檢測設備的功能，并對設備的硬件和軟件進行了設計。通過運行該檢測設備，可以快速地對激光電源計數器進行檢測，并準確定位故障所在。