某陀螺地平仪自检测系统设计❋

邱晓天,吕克洪,张丰言,吴晓艳

(1.国防科技大学电子科学与工程学院,湖南长沙 410073;

2.国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073;

3.中国人民解放军 71687部队 ,河南新乡 453000;4.中国人民解放军 61330部队,河南新乡 453000）

0 引 言

某陀螺地平仪平均无故障时间较短,故障率较高,需要经常测试与维护.由于该陀螺地平仪没有专门的测试接口,外部测试设备难以获取其信息,测试较为困难,测试结果也不准确.为解决该问题,一种可行的方法是采用自检测技术.自检测技术是将测试电路设计在设备内部,由设备自身完成测试与检测.近年来,由于集成电路和计算机技术的发展,自检测技术发展较快,并在很多产品中得到成功应用[1-4].因此,本文拟采用自检测技术,针对某陀螺地平仪的功能与结构,进行其自检测系统总体设计,然后分别设计与实现其硬件和软件.

1 某陀螺地平仪故障分析

某陀螺地平仪的基本功能为:利用陀螺仪的定轴性和摆式修正机构对地垂线的修正,在飞机上建立一个精确而稳定的水平基准,根据载体与该基准的相对姿态变化,输出载体的俯仰和倾斜姿态角.其结构框图如图1所示.

经分析,该陀螺地平仪故障情况如表1所示.

表1 陀螺地平仪故障情况表Tab.1 Failu re mode of gyroscope

2 自检测方案设计

从上述故障情况分析结果可以看出,需要对 28V直流电源、静态变流器、陀螺定轴性、26 V 400 Hz电源、同步发送器、快速扶正机构检测、修正机构检测等进行检测.

由于陀螺转动时,根据动量矩原理有

由于本地平仪结构紧凑,对陀螺转速直接测试极为困难.由陀螺电机的工作特性可知,在陀螺电机的电压及负载恒定的情况下,陀螺电机的工作电流可以有效反应其转速特性,故采用电流检测法检测陀螺的工作状态.各部分的检测方案如图2所示.

3 自检测系统设计与实现

3.1 自检测系统总体结构

自检测系统要求将检测电路嵌入到陀螺地平仪中,并与原设备硬件有机结合.因此,本自检测系统采用集成化、嵌入性原则设计,尽量使用比较少的硬件资源实现检测功能.共包括 3个模块:机内测试模块、机内故障与指示模块、计算机监控模块,如图3所示.

1)机内测试模块是在原陀螺地平仪的基础上,选择适当的测点,通过加装传感器和数据采集电路,并经一体化优化设计而成.该模块的功能是将地平仪的关键工作参数进行采样,并通过 AD转换后送入单片机,以供机内故障诊断模块分析.

2)机内故障诊断与指示模块由单片机、数码管以及相应的外围电路组成,其功能是将测试数据进行故障诊断、降虚警等分析处理,最后将诊断结果通过数码管实时显示出来.

3)计算机监控模块是针对机内测试与自诊断模块存储空间不足,故障理解不直观等缺陷,专门开发的外部计算机软件模块.它通过 RS232数据接口与外部计算机相连.在外部计算机中进一步数据处理和故障分析以及降低虚警处理,然后通过可视化的图形界面将故障准确定位至各电路模块,并根据故障规则对所发生故障进行解释和说明.

3.2 硬件设计与实现

自检测系统的硬件主要包括:信号转换电路、单片机、串口电路、数码管等,其结构如图4所示.其中单片机是自检测系统的核心,其功能是实现 A/D转换、数据采集、数据处理、故障判断、数据输出等功能.由于陀螺地平仪内部空间极为紧凑,同时考虑电路板上元件的散热问题,单片机在硬件选型上需选用功能较强、尺寸小、高密度、发热量小的元件,在电路设计上应力求简洁.因此,选用了 ADUC812单片机[5].该单片机带有嵌入式闪速 MCU和多通道 12位 A/D转换器,体积小,功能较强,比较适合本自检测系统设计.信号转换电路的功能是将各参数测点的模拟电压信号或数字电平信号进行转换和调制,使之能够满足单片机各模拟端口和数字端口的输入需求.译码电路及数码管是将故障检测结果通过不同的数字或字母符号在数码管上显示出来.串口电路主要将单片机检测数据传送到计算机.

3.3 自检测系统软件设计与实现

该自检测系统软件需要实现信号采集与处理、故障检测与判断、故障指示和数据发送等功能.根据该要求,利用汇编语言编程实现了自检测系统,其软件结构原理如图5所示.

4 试验验证

该自检测系统实现后,在实验室内进行了试用与验证.为验证其故障检测功能,采用故障模拟方式注入了故障.其中电源故障采用断开或者拉偏方式注入,陀螺故障采用减少陀螺电源功率以减少转速方式注入,同步器故障采用调整同步器电路方式注入.通过试验,所有注入的陀螺地平仪故障均由自检测系统正确检测出,并在所设计的数码管上以故障代码方式正确显示.

5 结束语

针对某陀螺地平仪由于测试接口不足导致的外部检测困难,采用 ADUC812单片机等,设计了集成化、嵌入式的自检测系统.该系统实现了与功能系统的一体化设计,通过嵌入在功能系统内部的软硬件资源,可以实现陀螺地平仪的主要故障检测.该系统在实际中进行了使用,结果表明工作稳定,使用简便,检测结果判读直观,具有一定的实际使用价值.

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