基于PC104总线的标调瞄检测系统

2022-05-30田锋张鑫孙蔚何华锋李璐李震

中国新通信 2022年13期

关键词：检测系统嵌入式

田锋张鑫孙蔚何华锋李璐李震

摘要：根据标调瞄组合的工作原理与作战应用特点，设计了基于PC104总线的标调瞄检测系统。该系统采用通用化、标准化、PC104系列测控模块，实现了小型化设备的微小电流和高精度频率检测，以及电压源激励下的电压/频率变换设备计量。

关键词：PC104总线;标调瞄组合;检测系统;嵌入式

一、引言

我国测试系统仍存在故障诊断水平低、实用性差、网络化水平低、通用性差等问题[1]。并且，国产测试仪器有着系统故障率高、可靠性差、结构复杂、体积庞大、测试时间长、需要的测试人员多等不利于快速机动可靠发射的问题[2]。

标调瞄组合是三轴陀螺稳定平台系统的重要组成，并且是武器系統测试及发射控制设备中的重要设备[3]。若出现故障的标调瞄组合参与武器系统的测试与控制过程，将对武器系统的安全性造成威胁，轻则不能按设计要求完成平台的调平、瞄准和标定工作，重则导致平台出现事故，或者导致任务失败[4]。为此，本文设计了基于PC104总线的标调瞄检测系统，确保标调瞄组合的可靠工作。

二、工作原理

（一）数字调平控制原理

平台系统的调平是利用平台水平方向的陀螺仪和加速度计，即用X陀螺与Z加速度计组合、Z陀螺与X加速度计组合，分别构成两条自主调平回路，实现调平功能[3]。图1是数字调平回路（单通道Z轴调平）构成原理方框图。

为提高调平的快速性，缩短调平时间，在系统控制上采用大、小加矩转换的方法[5]，即在调平开始时，采用大加矩电流（100mA）施加于陀螺力矩器，使陀螺快速进动，通过稳定回路，驱使平台以最大的角速度转动，达到快速调平的目的。当接近水平时，转换到小力矩的脉宽调制方式，进行精调平，其中的大、小加矩转换及判断由中央控制计算机自动完成。多位置调平是通过平台X、Y、Z三个轴中，任意两轴组合实现的。在多位置数字调平系统中，平台不同状态下调平回路所用加速度计和陀螺之间的对应关系以及控制回路极性变化都是中央控制计算机通过控制软件自动实现的。

（二）数字锁定回路控制原理

数字锁定回路组成原理方框图见图2。（Y轴数字锁定回路）

由飞控计算机系统完成多级旋转变压器及RDC转换数据的粗、精耦合，标调瞄中央控制计算机以串行方式从飞控计算机中读取粗精耦合后的角度值，并经过数据处理以及PID校正后输入给数字加矩系统，加矩系统将转换后的电流加到相应的陀螺力矩器，通过陀螺进动使相应的框架角达到控制要求值，从而达到框架轴的任意位置锁定功能。为保证锁定快速性，也采取了大、小加矩转换的控制方式。

（三）射前自标定原理

射前自标定是通过标调瞄组合在武器系统发射前对平台坐标系进行六位置自动翻转，然后在各相应位置使平台两水平轴调平，垂直轴锁定，调平、锁定好后，转入测漂状态对陀螺的各有关参数进行测试标定。六个位置状态如下：

Y轴向上锁定，X、Z轴水平;

Y轴向下锁定，X、Z轴水平;

X轴向上锁定，Y、Z轴水平;

Z轴向上锁定，X、Y轴水平;

Z轴向下锁定，X、Y轴水平;

X轴向下锁定，Z、Y轴水平。

（四）目标方位对准控制原理

目标方位对准是在Y轴向上处于锁定状态，X、Z轴调平。由测发控计算机向标调瞄组合发出瞄准命令，然后标调瞄组合通过串行数据通信口读取地面瞄准仪发送的瞄准数据，标调瞄组合经过数据换算，通过Y轴锁定回路将平台棱镜法线锁定到目标方位射面上，完成武器系统目标方位瞄准。

三、总体方案设计

（一）惯性平台系统运动模型

从外特性上讲，标调瞄组合检定装置应设计相应电路，完成三路平台电子积分器的输出模拟和三路陀螺力矩电机负载模拟。三路平台电子积分器的信号（X、Y、Z三个独立通道）为模拟电压量，角度的大小与电压值的绝对值呈线性关系。

三路陀螺力矩电机模拟（X、Y、Z三个独立通道）为电阻负载，模拟陀螺力矩电机的阻抗，接受标调瞄组合输出的粗、精两种恒流源激励，驱动平台框架转动相应的角度。

从内特性上讲，标调瞄组合检定装置内部建立平台框架角运动的输入、输出模型，首先随机建立一个框架角初始状态，然后在标调瞄组合的激励下模拟完成三轴平台框架的角度运动。该运动实时产生相应的三路加速度计信号模拟输出，并将该信息输出给飞控机模型。

（二）飞控机模型

标调瞄组合检定装置内部建立飞控机系统模型，该模型接收平台系统模型输出的加速度信号，并以RS422串口通信的形式将该信号反馈给标调瞄组合，配合完成标调瞄组合的锁定控制功能。

（三）瞄准系统模型

标调瞄组合检定装置内部建立瞄准系统模型，该模型产生寻北、方位瞄准等控制信号，并以RS422串口通信的形式反馈给标调瞄组合，控制和配合标调瞄组合完成平台系统的瞄准功能。

（四）测发控系统控制模型

标调瞄组合检定装置内部建立测发控控制模型，该模型完成对标调瞄组合的指令输入，控制标调瞄组合完成平台的标定、调平和瞄准等功能。

系统的硬件原理结构框图如图3所示。

四、原理设计

标调瞄组合检定装置硬件上包括主机、可充电电源、打印机、配套电缆和相关附件等组成。

（一）标调瞄组合检定装置组成

主机为一套嵌入式计算机系统，内部采用PC104堆栈式结构，堆栈式模块包括PC104计算机主板、模拟采样与输出板、继电器板1、I/O频率模块、继电器板2、通信模块和电源模块等[6]。可充电电源内部有可充电电池组和电量管理电路组成，可是外接配套的充电器进行充电，在电量满足要求时连接W3电缆实现对主机的供电。图4为标调瞄组合检验装置的工作原理图。

（二）工作模式

标调瞄组合检定装置的工作模式包括自检测模式、测试诊断模式和计量模拟三种。

1.自检测模式

在该模式下，标调瞄组合检定装置通过继电器矩阵实现模拟输入与输出自闭路、I/O自闭路、通讯自闭路等，完成自身功能的自检测。

在自检测过程中的各种信号可通过吉时利数字多用表进行高精度测量，并与标调瞄组合检定装置的自检测数据比对，从而方便地实现了标调瞄的计量。

2.测试诊断模式

在该模式下，标调瞄组合检定装置完成以下功能：通过高精度电阻来模拟平台系统的X、Y、Z三个通道的力矩电机线圈;通过采样电路测量标调瞄组合输出的3路100mA和10mA恒流源;通过采样电路测量标调瞄组合输出的3路起飞继电器信号;通过输出电路给标调瞄组合的平台电子积分器线路输出模拟电压信号;通过I/O电路检测标调瞄组合输出的状态信号（标定好、XZ调平好、锁定好、对准好）;通过RS422通信分别模拟飞控机、测发控主机和瞄准系统与标调瞄组合进行通讯。

3.计量模式

在该模式下，标调瞄组合检定装置可自动打印出计量报告。标调瞄组合需要计量要求包括恒流源穩定性和V/F变换器稳定性。

恒流源稳定性计量的原理为标调瞄组合检定装置通过数字多用表连续测试X、Y、Z加矩电流，要求每次电流漂移不大于预设值。

V/F变换器稳定性计量的原理为标调瞄组合检定装置通过D/A通道输出标准电压，然后通过数字多用表连续测量X、Y、Z压频转换电路的输出频率，要求每次输出频率漂移不大于预设值。

（三）软件设计

基于windows操作系统，采用模块化软件结构包括：系统任务调度主模块、计量任务模块、数据库模块，计量报表及打印模块，串口通信模块，语音提示模块等，具有以下功能：自动进行标调瞄组合状态判定;自动进行标调瞄组合检定，如有不合格项，可手动对该项进行抽测;自动将检定数据备份至数据库，可实时查询，历史数据比较等功能;自动生成原始记录和检定证书;语音提示功能，提醒用户正在进行的工作状态。

五、结束语

本文提出的标调瞄检测系统能够在不改变被测对象标调瞄组合的前提条件下，通过选择标调瞄组合在不同调平锁定工作模式下的特征点，分析特征点工作状态时硬件工作逻辑，等效覆盖检测标调瞄组合的硬件单元。采用通用化、标准化、PC104系列测控模块，实现了小型化的微小电流和高精度频率检测。通过对标调瞄组合的电压/频率变换输入电压和输出频率的分别测量，实现了电压源激励下的电压/频率变换设备计量。

作者单位：田锋 96963部队

张鑫火箭军工程大学

孙蔚 96963部队

何华锋火箭军工程大学

李璐 96963部队

李震火箭军工程大学

参考文献

[1]刘成亮，范惠林，张源原.基于PC104的某型导弹发射装置测试系统的设计与实现[J].测试技术学报，2012，26（03）：195-199.

[2]刘祥水，宋中建，汤郡郡.某型交换组件自动检测设备的设计与实现[J].航空维修与工程，2019（04）：75-77.

[3]何华锋，王彬，张晓雨，等.某型导弹标调瞄组合智能故障检测系统设计[J].电光与控制，2016，23（06）：77-79+89.

[4]黄家彬，訾向勇，李爱华.基于PC/104的设备自动化测试仪设计[J].国外电子测量技术，2006（05）：46-50.

[5]韩雷，苏广川，肖元娇.基于PC/104的目标特性测试系统的设计与实现[J].工业控制计算机，2005（02）：10-11+28.