一种便携式火控系统检测仪设计

康 葳，董田沼， 王仁忠，李 浩

(1.装甲兵工程学院，北京 100072；2.解放军72502部队，山东 济南 250300；3.西安电子科技大学，陕西 西安 710071)

随着现代军事科学技术的不断发展，对于基层级修理单位维修保障能力要求不断提高，但是目前能够对某新型步战车进行火控系统故障诊断和性能测试的设备相对较少，且实用性灵活性不强。现阶段基层修理分队在野外对其进行性能测试和故障诊断时，修理人员主要依靠个人经验和万用表等原始仪表，严重滞后于装备的发展，阻碍装备保障能力的提高，影响了新装备战斗力的形成。因此，寻找一种体积小、便于携带且具有较好的稳定性和可维护性的测试设备，已成为测试领域的重要研究课题[1]。

鉴于此，为适应基层级部队测试设备自动化、小型化、便于携带发展要求[2]，考虑到本系统所要实现的主要技术指标，在对某型步战车火控系统结构、工作原理进行系统研究基础上，按照功能完备、系统集成、平战结合的设计思想，本着标准化、小型化、信息化的设计原则，综合运用故障树与基于知识的专家系统，以便携式PC机为测控平台，设计了一种便携式火控系统检测仪，为部队提供方便快捷的保障与维修手段，提高部队对某型步战车火控系统检测诊断水平。

1 系统概述

1.1 系统组成

整个系统[3]主要由便携PC机、测试盒、测试电缆和附属配件组成。检测仪在结构按照小型化设计原则，使检测工作可以在车内部完成实装测试，无需拆卸部件及车内车外的交互，节省了检测时间，提高了维修效率。

1.2 系统主要功能

性能测试：性能测试主要基于信号。从装备的重要功能出发，通过测试部件关键输入输出信号以及对信号的处理，判断装备功能是否良好。

故障诊断：根据输入信号、输出信号和提取的特征信号，实现故障检测和故障诊断，将故障定位到现场可更换单元。根据检测诊断结果，在充分参考专家经验的基础上，提出修理建议，为科学和快速地维修提供技术支持。

数据管理：检测仪能够实现对测试信息的存储、查询和管理，并可以实现远程传输和信息共享，满足信息化战场条件下装备信息化保障的需求。

维修支持：检测仪内置电子技术手册，能够指导和培训操作人员掌握火控系统构造和原理、修理工艺和标准、故障诊断的流程和方法。系统主要技术指标如表1所示。

表1 系统主要技术指标

2 系统硬件设计

2.1 硬件总体结构

综合分析火控系统工作机理和各部件航空插头上信号可知，该型步战车火控系统待测资源主要由高压模拟信号、高压脉冲信号、普通模拟信号、普通数字信号、数字脉冲信号、SPI总线信号、I2C总线信号、电源信号等信号组成。检测仪主要面向基层级维修，因此要求检测仪体积小、质量小，以便于检测人员随身携带，故硬件采用基于USB接口数据采集方案，整机采用模块化和组合化设计。系统硬件总体结构如图1所示。

2.2 数据采集卡

数据采集卡的主要功能是将由调理板模拟物理量信号转换成计算机可处理的数字信号，并进行数据采集。由于USB型采集卡与传统的插入式采集卡相比具有采样精度高、传输数据速度块、便携等优点，因此根据实际需要，本系统选用阿尔泰公司的16位分辨率的USB-2814高速数据采集卡。

2.3 便携PC机

便携PC机主要完成对采集数据的显示、存储和分析处理。考虑到某型步战车的复杂工作环境，本系统选用了北京京融电自动化科技有限公司的加固型平板电脑作为测试系统平台，为操作人员进行数据采集和处理提供了极大便利。

2.4 电源模块设计

本系统调理板所涉及的元器件供电电压为±15 V和5 V 三种，利用便携PC机上的USB接口通过USB数据线将5 V电压引到调理板上，通过A2415S电源转换模块转换成±15 V给元器件进行供电。

2.5 关键电路设计

信号调理电路是测试系统中重要的组成部分，是被测部件与采集卡之间的联结纽带，它主要完成测试信号的调理、转换、隔离和保护采集卡等重要功能。

2.5.1 高压脉冲信号调理电路设计

对于脉宽时间只有十几微秒的高压脉冲信号，如果仅依靠模拟信号调理电路进行实时信号采集，可能会因为软件的响应时间或采集卡的灵敏度造成信号捕获丢失。因此，为了增强信号捕捉能力，减小软件编程复杂度，采用光隔与D触发器结合的调理电路，将高压脉冲信号转换为电平信号，其电路原理图如图2所示。

当高压脉冲信号(-200 V)到来时，TL高速光隔导通，经由74HC14反相器后，将高压脉冲信号隔离转化为一个TTL脉冲加载到D触发器74HC74的CLK引脚，D触发器的第6脚在Fire脉冲上升沿到来时，由0 V跳变为5 V并保持，供2814采集卡采集判断。通过2814-DO4信号可以控制D触发器5、6引脚的状态复位为0 V，等待下次检测。

2.5.2 角速度脉冲信号调理

炮塔角速度信息是通过A、B两路相位差为90°的脉冲信号来实现的，当A路脉冲先于B路脉冲到达时，表示炮塔顺时针运动；当B路脉冲先于A路脉冲到达时，表示炮塔逆时针运动，单位时间内产生的脉冲数量反映了炮塔的运动速度。对于相位差为90°的脉冲信号检测，如果依靠软件进行高速采样分析来判断出那路脉冲首先到达，一方面加大了软件的工作量；另一方面可能会因采样频率的不适合而造成判断失误，因此可在硬件设计上通过锁相电路将相差90°的两路脉冲信号转化为单一的脉冲信号进行判断。

3 系统软件设计

3.1 软件设计思想与流程

软件开发平台采用LabWindows/CVI集成开发环境[4]和SQL数据库软件进行开发，在软件设计过程中，遵循"风格统一、简单直观、功能完善、操作简便"的原则，采用模块化设计方案，按照设计目标要求，将软件划分为各个子模块，并对各个子模块进行优化设计，达到操作简便，维护容易的效果。为提高软件可靠性，软件内部嵌入了看门狗、数字滤波器及资源独占技术等。软件程序流程图如图3所示。

3.2 性能测试软件模块设计

性能测试可实现对火控系统部件的性能检测，判定系统技术状况，为有经验的检测人员排除故障提供关键信号。检测仪测试项目较多，测试步骤需要根据测试项目确定，不能以一代全，但是如果为每个测试项目编写一个界面，就会造成软件太大，运行速度慢，维护不便等问题。为解决上述问题，在进行测试软件设计时，采用通用界面和专用界面统一编排，数据库统一调用的方式进行解决。测试流程如图4所示。

3.3 故障诊断模块设计

故障诊断模块是本测试系统软件设计的一个重要环节[5-6]，通过分析火控系统结构功能特点及常见故障模式，本系统采用了基于故障树的专家系统诊断方法。专家系统与常规程序有着不同体系结构，其总体结构如图5所示。

知识库的建立，系统仿照故障字典法来获取知识。基本思想是：提取电路在各种故障状态下的电路特征值，然后将特征值与故障的对应关系列成一个字典。诊断时按照测量得到的实际值在故障字典中进行检索，比较判断出故障的性质和位置。

一个完善的专家系统要将各种不同的知识资源组织起来，写出包含所有知识的规则，并利用这些规则进行推理，找出一条给定状态到目标状态的路径，一个好的规则库是有效推理的前提，本系统采用基于规则的推理方式进行推理，推理格式采用"if then"语句。故障推理过程实际上就是咨询过程，实测数据采集进来后与故障征兆集中特征数据进行对比，通过用户对问题的回答，进行正确选择，如此反复，直到将故障找出为止。其诊断流程如图6所示。

3.4 维修支持模块设计

选用 MS Word 2003 和Adobe Acrobat 9.0 作为电子手册的制作工具，并对Acrobat 9.0 进行二次开发；提供Acrobat Reader 软件供用户对电子手册进行浏览阅读，利用LabWindows/CVI软件开发工具，通过LaunchExecutable (char fileName[])函数将用户技术资料电子手册嵌入到测试设备程序中。

4 结束语

某型步战车便携式火控系统检测仪经部队使用，结果表明：整个系统设计合理，工作可靠，检测精度高，操作维护方便，从功能上完全满足了对某型步战车火控系统的测试需要，实现了设计目标，极大地提高了部队检测诊断效率和维修保障能力。

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