基于嵌入式技术的火控系统故障检测仪设计

宁飞，熊云，杨小强

(解放军理工大学，江苏 南京 210007)

0 引言

某型布雷车电子控制系统的故障多因其元器件、电源、连接线缆和接口装置等的外来干扰或系统元部件的老化等引起。这些故障会导致装控系统、发控系统和主控制系统的功能丧失，而且在整体故障情况下，会对布雷车造成灾难性的故障。在安全性、可靠性和信息化重要性日益增加的情况下，非常有必要研制一种robust智能的工具，能够检测、隔离和诊断布雷控制系统的元器件和系统故障。以便部队的维修人员在野战条件下，对抛撒布雷车布雷控制系统故障进行快速检测、定位、排除[1]。目前，布雷控制系统故障检测主要依靠操作人员的经验判断，或者简单地检测点火触头有无输出电信号。这种检测方法只能判断是布雷弹还是控制系统出现问题，而对于输出信号的具体信息及出现故障的原因却无法进行准确分析判断，效率低、可靠性差，严重影响平时训练、演习和战时任务的完成。

1 火控系统故障分析

1.1 火控系统常见故障与原因

火控系统是抛撒布雷系统的中心控制部分，主要用于地雷自毁时间的装定、引信的通电或断电、布雷弹的检测和按需要调节布雷弹点火发射的时间间隔、布雷密度，控制实施快速机动布雷。火控系统对整机的工作具有十分关键的作用。该系统由布控主机、装控辅机、发控辅机等组成。尤其是由嵌入式微控制器和外围部件构成的布控主机是整个火控系统的大脑，直接影响到地雷参数的设定、布雷弹的可靠点火与发射等，决定着装备的使用可靠性和战斗力。该系统庞大复杂，呈典型的网络关系，各分系统的逻辑顺序关系更是错综复杂，整个系统长期工作在高温、强烈的冲击振动、强电磁干扰环境和多灰尘等不利环境下，出现故障的几率较大，诊断难度也很大。根据基层单位对装备的应用情况反映，火控系统常见故障见表1：

表1 火控系统常见故障

1.2 火控系统故障的分类层次模型

诊断问题就其实质来说是一种分类问题。设备的故障往往依据设备所表现出的征兆，将设备的当前状态分类到某一故障状态。在故障诊断专家系统设计中，使用最多、实现简单、效果较好的是层次分类方法。故障诊断系统的分类层次是由概念节点所构成的层次结构，所有的分类层次结构均为树形结构，即每一概念节点都只有一个父节点，树形结构可以显著地降低诊断问题求解的复杂性。基于隶属度和规则的层次分类诊断的第一步，是建立诊断对象的分类层次。对诊断对象建立分类层次通常有以下3种方法[2]：

1) 结构分解。结构分解是从结构上对系统进行分解，把系统的总体结构分解为下一层次的子结构，而每个子结构又可分解为下层次的子结构，这种分解可以知道最低层次的零部件。

2) 功能分解。功能分解是从功能上对诊断对象进行分解，把系统的总体功能分解为下层次的子功能，而每一子功能又可分解为更下层的子功能，这种分解可以到基本功能。

3) 故障分解。故障分解是指对诊断对象的故障类型进行分解，下层子故障总是上层父故障的特性，上层父故障则是下层子故障的概括，这种分解可以到最具体的故障。

在实际应用中，往往在不同的阶段，综合运用不同的分类方法建立最合适的分类层次模型，即在高层用结构分类层次方法或功能分类层次方法，以减少分类层次的搜索量，而在中、低层则用故障分类层次，以包括所有的故障现象。针对抛撒布雷车的工作原理与故障特点，可以建立火控系统故障分类层次模型。

2 火控系统故障检测仪的总体功能与结构设计

2.1 检测仪的功能设计

根据火控系统故障检测的基本需求和测试功能要求，信号测量通道超过60个，信号类型主要是信号电压值和信号的持续时间等。因此，布控装置故障参数检测仪的功能概括为：控制系统的装定控制性能检测，主要包括自毁时间设定功能、断电功能和信号连接电缆与接插件等的状态检测与故障判别等；发射功能及相关发射电路的性能的检测与故障判断等。火控系统的故障主要发生在这布控主机、装控和发控辅机等子系统和其内部的元器件上，这些部件相关故障的检测涉及因素比较复杂，检测所需资源和信号通道较多，故检测仪的功能设计按图1进行。

图1 检测仪的功能设计图

2.2 检测仪的结构设计

根据抛撒布雷车和火控系统的故障检测需求，布雷控制系统结构可分为上位机、下位机两部分、串口通信总线、测试连接电缆、信号接口和电源等部分。其中上位机核心为工控机，采用触模显示屏与用户进行信息交互，并可外接键盘、鼠标、打印机等附件。下位机主体由双CPLD信号处理系统和信号调理与转换电路等组成，下位机主要负责布雷控制系统的信号检测与控制信号输出，采用串行总路线与上位机进行信息交换。下位机与控制系统的信号交互通过测试电缆连接实现。上、下位机均由软件和硬件等构成。上、下位机和电源电路等全部安装于检测仪的机箱内，其具体结构框图如图2所示。

图2 检测仪结构框图

3 检测仪的硬件系统设计

火控系统检测仪硬件部分主要包括：上位机中的核心控制单元工控机、液晶屏、触摸屏、电源模块，下位机中数据采集与处理单元、电源电路、复位电路、时钟电路、JTAG程序下载电路及通信接口电路，信号采集电缆和仪器箱体等。

3.1 上位机硬件系统设计

上位机的核心是PCM-5351B工控机，该型工控机具有较高的性价比，可靠性、适应性都比较强。PCM-5351B的底板是无源型底板，其上设计有多个插槽，底板与插槽之间的板载总线结构形式多样，包含了STD，ISA和PCI总线等，工控机的主要附件，如中央处理CPU主板、CRT显示器接口板、数据采集卡等都可以通过插槽与工控机集成。PCM-5351型工控机主板的结构基于模块化的思想进行设计，能够根据不同的控制需求，以模块化的板块结构形式设计成不同的功能模板，组成不同控制对象的控制系统。其硬件采用了固态数据存储设备，其容量为8G，满足检测仪检测与诊断功能的需求。

为适应检测仪现场使用的需求，工控机采用了工业级液晶屏和触摸屏等外部显示与用户交互器件，方便现场用户的操作使用。

3.2 下位机硬件系统设计

由于火控系统发射通道数和信号种类比较多，要求检测仪信号通道数较多，目前常用的单元片等比较经济的芯片难以满足，若扩充多路开关电路，则系统又较为复杂，可靠性与稳定性不能保证。经多方面权衡，选择采用CPLD这种开发难度适中且性价比合理的芯片完成检测任务。

下位机主要负责GBL131与GBL132型火箭布雷车布雷控制系统工作参数的采集与系统控制等作用，其组成核心为由两片CPLD器件构成的控制器，配合信号调理电路、时钟振荡电路、串口信号传输电路和其他的外围连接件，完成信号的采集、控制、传输与处理等作用。

a) 电源电路的实现

下位机电源电路设计的目的是给下位机提供电源，保证其正常工作。电源电路设计是否合理、稳定关乎检测仪是否能稳定的采集处理数据，图3是电源电路设计的原理图。

图3 下位机电源电路原理图

在电源电路中设计自恢复保险丝，保护下位机防止加载的电压过大。首先计算下位机的功率，下位机主要功耗元器件有：两片CPLD、运算放大器芯片、串口通信芯片、电源芯片、钟振芯片。

b) 下位机信号调理电路的设计

下位机的数据采集与处理单元采用施加负反馈的运算放大器放大电路，设计数据采集与处理单元电路如图4所示。

图4 信号调理电路原理图

数据采集与处理单元电路电路采用了4通道运放电路芯片(LM224)，它是比较常用的TTL电平的运放电路，运用LM224搭成的同相比例输入电路可以调节直流脉冲信号及高电平信号的电平大小，最后由CPLD完成直流脉冲信号或高电平信号的捕获。

在不加负反馈的放大电路中，运算放大器的增益受到温度、电源电压、输出电压及频率等影响发生较大变化，不保持恒定。施加负反馈后，不但增益稳定，而且噪声、失真、输出阻抗都降低了，输入阻抗增大。

3.3 通信接口电路设计

CPLD的串口I/O是一种精简串口设计，根据检测任务需求，检测系统采用了主、从式双CPLD处理电路，若主、从CPLD芯片间信号采用并行传输，再统一转换为串口信号上传至上位机，则主CPLD的逻辑宏单元资源显得不足。综合考虑各种情况，选用图5所示的共享输出串口电路。双CPLD的信号交互采用并行方式，输出信号采用共享串口输出，既简化了电路设计，又保证了信号的可靠传输。

图5 主、从CPLD芯片信号串口传输示意图

下位机与上位机之间通过RS232串口协议进行通信，在下位机通信接口电路设计中主要采用MAX3232芯片，将CPLD中的UART串行通信转换成标准RS232接口电路，使用4个电容按芯片应用电路连接即可。

在下位机两片CPLD与上位机通信的处理方式上，采用主处理器通过通信接口电路与上位机直接通信，辅处理器先通过主处理器再通过通信接口电路与上位机进行间接通信。这种通信方式相对于采用两个串口的方式来说有两个优点：减小了下位机的功耗，降低了硬件设计的复杂度；在上位机编程中程序量较小，采集信号的逻辑顺序清晰明了。

4 检测仪软件系统的设计

4.1 上位机应用软件的开发

上位机软件的开发基于LabVIEW平台，由于LabVIEW是基于模块化的程序设计思想，因此在开发过程中也是基本遵循这一思想，将每个功能做成集成的模块，以便于程序的调试和修改，降低程序的复杂性[3]。软件主要由数据采集、数据分析、数据显示和故障诊断四个大的模块组成，每个模块又可以分成不同的子模块，根据检测的具体情况，可以将模块程序建立成LabVIEW特有的子VI[4]。图6为上位机软件程序流程图。

图6 上位机软件流程图

4.2 下位机应用软件的开发

下位机主控部分通过软件设计实现数据的实时采集及发送，每隔1s刷新一次数据。主控部分的应用软件经过VHDL程序设计成相应的功能模块，包括波特率发生模块、使能模块、信号计数模块、数据采集模块和下位机的数据通信模块，最终实现数据的实时采集及发送。下位机软件的核心是其脉冲信号计数模块。

1) 脉冲信号分析

从装定信号波形图(图7)中，确定T装定<4S；脉冲信号前端高电平为握手信号，其宽度TACK<2S；4096<脉冲数<8192。

图7 辅机装定信号波形分析图

2) 脉冲信号采集需求

CPLD在采集布雷车辅机装定信号软件设计的过程中，重点是对脉冲进行计数。分析信号的波形后，对程序有以下需求：

1) 每隔4s采集一次布雷车辅机装定信号；

2) 采集过程中过滤第一个上升沿，即过滤握手信号；

3) 最大计数值≤8192；

4) 保持所采集的脉冲信号直至复位。

5 结语

将基于专家经验的故障分类层次诊断方法、神经网络技术等应用于工程装备电气系统的故障诊断中。详细分析了该型装备整机故障诊断特点及电气系统的故障模式与失效机理，开发了基于神经网络的故障诊断专家系统。使维修人员或操作手可以及时发现故障，防患于未然，降低电气系统的故障率和提高使用寿命，实现了对电气系统检测与诊断过程的程序化，从而使对重型机械化桥了解相对较少的人员也能在该系统指导下快速进行在线检测、诊断与维修，大大提高装备恢复的时效，提高了战时工程装备的随行保障能力。

[1] 英德斯科技公司.PCM-5351B用户手册.http://www.ydstech.com.

[2] 赵艳华，曹丙霞，张睿.基于Quartus II的FPGA/CPLD设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2009.

[3] 徐晓东，郑对元，肖武.LabVIEW 8.5常用功能与编程实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2009.

[4] 韩晓茹，肖铁军.嵌入式系统中CPLD器件的在系统编程[J].计算机工程，2003.08：172-173.