基于PC/104的某型導彈舵機故障診斷測試儀
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關(guān)鍵詞：故障診斷；PC/104；數據采集
1 引 言
某型導彈舵機系統是在導彈飛行過(guò)程主動(dòng)段的執行機構，當導彈在主動(dòng)段飛行時(shí)，在控制系統的控制下，舵機帶動(dòng)燃氣舵偏轉，改變主發(fā)動(dòng)機噴出的燃氣偏轉方向，產(chǎn)生控制力矩，控制導彈按照預訂的彈道飛行。該舵機為電動(dòng)液壓式舵機，是集精密機械、電子、液壓、自動(dòng)控制等技術(shù)于一體的復雜設備，其輸入的信號有俯仰、偏航和滾動(dòng)控制信號，由于其復雜的邏輯控制電路，信號交叉傳輸，轉換節點(diǎn)繁雜，加上設備經(jīng)常處于運輸顛簸野戰狀態(tài)，工作環(huán)境惡劣，因而設備較容易出現各種故障。目前常用的舵機檢測手段都是傳統的手動(dòng)方式對舵機的基本狀態(tài)參數進(jìn)行檢測，由于檢測儀通常采用性能單一的電路結構，功能單一，通用性差，操作繁瑣，易人為出錯，而且檢測項目十分有限，也不具備故障診斷功能，難以滿(mǎn)足戰場(chǎng)快速檢測和維修的需求，要完成此項工作通常還需配備其他的檢測儀器，如示波器等設備。為此，設計開(kāi)發(fā)一種小型、通用和智能的，能對舵機系統進(jìn)行全面故障檢測與診斷，適合野外條件下使用的測試儀具有十分重要的意義。
該系統采用嵌入式計算機PC/104，PC/104與PC/AT體系結構完全兼容，大小只有90mm96mm,但它幾乎集成了普通臺式PC機的所有功能，并與之兼容，因此在PC機上開(kāi)發(fā)的程序可以直接在PC/104 CPU模塊上運行，與單片機系統相比省去了專(zhuān)用的開(kāi)發(fā)工具，而且維護方便。PC/104采用模塊化設計，硬件電路設計簡(jiǎn)單，減少了開(kāi)發(fā)周期。因此在本系統中我們采用嵌入式計算機PC/104，與普通的工業(yè)控制機相比，PC/104具有如下特點(diǎn)[1]：
● PC/104模塊與PC機軟、硬件完全兼容，可以利用現有的較豐富和成熟的硬件、軟件開(kāi)發(fā)工具及方法、設計知識等資源，開(kāi)發(fā)周期短，成本低。
● PC/104模塊體積小，功耗低，無(wú)需散熱，可層疊，具有系統級的性能，芯片級的大小。
● 模塊之間采用獨特的縱向層疊或側向接插的結合方式，模塊層疊后四角還有支柱和螺釘固定，可靠性高，配置靈活方便，便于故障的排除和修理。
● 外圍模塊齊全，用戶(hù)可以選擇各種不同的功能模塊，設計滿(mǎn)足不同需要的專(zhuān)用系統。
● 工作溫度范圍寬，一般在0～70度。
● 大多數模塊采用單+5V電源，降低了系統對電源的要求。
2故障診斷測試儀實(shí)現功能
該測試儀具有以下功能：
（1）測試功能
可對舵機系統的性能進(jìn)行綜合測試，測試內容包括綜合測試、單項測試內容?？筛鶕枰M(jìn)行連續測試或單步測試；對測試結果可進(jìn)行自動(dòng)診斷判別；對測試數據可顯示、打印記錄，或存入數據庫以便對舵機系統進(jìn)行質(zhì)量監控。
（2）自檢功能
系統具有自檢功能，自檢范圍覆蓋全部測試通道。
（3）自診斷功能
系統具有自診斷功能，主要故障可判斷到電路單板。
（4）開(kāi)發(fā)功能
設備具有良好的開(kāi)發(fā)功能，經(jīng)開(kāi)發(fā)可完成對通用舵機系統的性能測試。
3 系統硬件設計
3．1硬件框圖[4]，如圖1所：
圖1 系統硬件組成原理框圖
系統核心模塊采用SBS公司的SCM/SuperPT2，它采用Geode MMX with I/O Companion CX5530A的CPU，16 KB L1反寫(xiě)緩存；兩個(gè)串口，波特率可由軟件控制，其中COM2可設置為RS-485方式；一個(gè)并口；硬件平臺關(guān)鍵是PC/104總線(xiàn)的擴展，通過(guò)數據緩沖和相應的邏輯控制，擴展出符合PC/AT協(xié)議的PC/10總線(xiàn)，它是擴展其他外設的基礎。系統在PC/10總線(xiàn)基礎上擴展了2M Flash、鍵盤(pán)接口、并口、顯示屏和通用串行碼采集接口。采集模塊選用SBS公司的SysExpanModule/ADT600，此模塊具有12位的分辨率，最大100KHz的采樣率，模擬輸入共有16通道，最大10V輸入；4通道模擬輸出；24通道TTL/CMOS兼容I/O；3個(gè)16位、最大10MHz的定時(shí)/計數器；信號條理部分主要是將待測試信號變換成適合ADT600采集的信號[2]。
3．1．1 定時(shí)/計數器的配置
系統要求輸出頻率為5～13Hz的信號，則周期為200ms到80ms左右，如果采取1ms定時(shí)進(jìn)行D/A轉換的辦法，最小的一個(gè)周期輸出80個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)實(shí)際測試，能夠滿(mǎn)足測試對象對模擬激勵信號的要求；另外在采集測試對象執行機構的控制信號時(shí)采用1ms定時(shí)采集的辦法，也能滿(mǎn)足最后數據判斷的要求，因此定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為1ms（即定時(shí)器的輸出時(shí)鐘為1KHz）。
3．1．2 D/A模塊
在本設計中，我們選擇SBS公司的SysExpanModule/ADT600數模轉模塊[2]。它是一種雙12位電流輸出的DACS（數據收集與控制系統），具有以下特點(diǎn)：較寬的工作電壓（12V～15V）；抗電源電壓干擾性能好；緊湊的封裝形式；低增益誤差。它可以和大多數的微處理器配合使用，能夠兼容TTL、CMOS電平。通過(guò)獨立的參考電壓和反饋電阻，還能夠提供四象限的乘法器功能。其內部主要包括三個(gè)部分：控制邏輯電路、A路數模轉換電路和B路數模轉換電路。其中邏輯控制電路通過(guò)簡(jiǎn)單的三個(gè)控制信號：CSA，CSB及WR來(lái)選擇相應的模數轉換器，同時(shí)鎖存需要轉換的數據。A路數模轉換電路的基本控制原理為：通過(guò)CSA與WR控制信號，將12位的轉換數據一次鎖存入A路轉換電路的數據寄存器中，A路轉換電路開(kāi)始進(jìn)行數模轉換，將轉換后的模擬量輸出。B路轉換電路的控制原理與A路類(lèi)似。
3．1．3 A/D模塊
A/D模塊將舵機測試儀檢測裝置輸出的反饋信號轉化為數字量以便于計算機進(jìn)行處理。系統的控制精度在很大程度上取決于檢測反饋裝置的精度。根據檢測的反饋參數和系統性能指標要求，本設計中采用SBS公司的SysExpanModule/ADT600模數轉換模塊[2]。它是一個(gè)12位逐次逼近型快速A/D轉換器，轉換速度最大為15微秒。ADT600片內配有三態(tài)輸出緩沖器電路，因而可以直接與各種典型的8位或16位處理器相連，而無(wú)須附加邏輯接口電路，且能與CMOS及TTL電平兼容。
3．1．4 俯仰、偏航和滾動(dòng)控制信號測試
舵機測試中的最重要內容就是看執行俯仰、偏航和滾動(dòng)控制信號測試的結果是否與理論的控制結果一致。導彈在主動(dòng)段飛行過(guò)程中執行俯仰、偏航和滾動(dòng)修正的是通過(guò)兩對電動(dòng)機的控制開(kāi)關(guān)來(lái)改變姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機的噴出燃氣方向，所以該系統就必須采集4路電機開(kāi)關(guān)的控制信號。ADT600集成了uPD71055可編程外圍接口，用PA0~3來(lái)采集電動(dòng)機的開(kāi)關(guān)信號，采用1ms中斷采集一次信號，最后將采集的控制信號與標準的控制信號進(jìn)行比較，找出在切換時(shí)是否存在超前或滯后問(wèn)題，以此來(lái)決定舵機性能的好壞。
3．1．5 RS-485通信
本測試系統要與測試對象進(jìn)行通信，為保證數據傳輸的可靠性，我們采用RS-485通信。系統在設計中采用兩個(gè)串口COM1、COM2，其中COM2可通過(guò)跳線(xiàn)設置為RS485方式[3]，其應用電路如圖2所示。
圖2 485通訊等效電路
4 系統軟件設計
系統測控軟件完成下述功能：
（1）控制測試系統進(jìn)行自檢和故障診斷；
（2）控制數字I/O卡、A/D采樣卡等進(jìn)行數據采集；
（3）輸出供測試用的控制信號、時(shí)鐘信號、模擬信號；
（4）對舵機系統進(jìn)行測試，并對測試結果進(jìn)行分析判定，將測試數據與判定結果寫(xiě)入測試表格或數據文件中，同時(shí)在屏幕上顯示；
（5）故障診斷
由于舵機系統的復雜性以及修理人員對其認識有限，性能檢測完畢，修理人員也很難確定故障部位。為此特別增加了此項功能，充分利用自檢的信息，準確地提示故障部位，將故障部位縮小到板級甚至主要元器件上，為用戶(hù)提供了極大便利。
（6）提供打印、瀏覽測試文件功能，以便測試結果可永久保存和隨時(shí)查閱。
系統測控軟件是在Windows98環(huán)境下運行由Borland C++ Builder6.0語(yǔ)言編寫(xiě)，測控軟件由主菜單程序、自檢程序和測試應用程序組成。該軟件采用模塊化結構，各程序塊之間相互獨立、自成系統。其軟件模塊組成如圖2所示。
圖3 系統軟件模塊組成
單項測試、綜合測試管理模塊主要負責對智能數據采集卡和通用信號測試卡（板）等控制使用管理，用來(lái)測試舵機的各種性能指標參數、波形及時(shí)序，并實(shí)現對測試信號的記憶和分析。
診斷信息獲取管理模塊由數據采集，征兆數據庫和交互獲取三部分組成，它通過(guò)各種方式獲取與診斷推理有關(guān)的信息，如自動(dòng)獲取、交互獲取等。有些信息可通過(guò)自動(dòng)測試平臺自動(dòng)獲取，而另一些難于獲得或需經(jīng)過(guò)專(zhuān)家分析后才能獲得的信息則必須通過(guò)交互方式得到[4]。
故障診斷模塊由框架推理、模型推理和規則推理三部分組成。它根據獲得的故障信息首先進(jìn)行框架推理，啟動(dòng)故障征兆對應的框架，然后啟動(dòng)相應的故障搜索樹(shù)模型框架，進(jìn)而進(jìn)行規則推理，直至將故障定位到可更換的單元。
數據庫管理模塊主要是將每次故障診斷與維修的結論生成維修情況報告表，如果故障征兆數據庫中沒(méi)有本次故障征兆，則將本次故障作為事例存入事例數據庫。
由于系統采用的是主要由軟件來(lái)控制的方式，因此這部分是此次設計的重點(diǎn)。進(jìn)行軟件控制的方式好處是易于修改，出現問(wèn)題后易于發(fā)現與解決，從而具有較高的應用前景。系統的軟件流程如圖4 所示。
4 程序流程圖
以下是Windows98環(huán)境下運行由Borland C++ Builder6.0語(yǔ)言編寫(xiě)源程序的主要部分：
以其中舵機安控特性測試為例，主要程序如下：
//-----------------------------------------------------------------------
void __fastcall TAnkong::TestClick(TObject *Sender)
{
char buf[20];
Test->Enabled=false;
RichEdit1->Clear();
this->Refresh();
Ankongtest();*--------安控特性測試-------*/
sprintf(buf,"1舵: %7.3f deg",OneAngel);
RichEdit1->Lines->Add(buf);
sprintf(buf,"2舵: %7.3f deg",TwoAngel);
RichEdit1->Lines->Add(buf);
sprintf(buf,"3舵: %7.3f deg",ThreeAngel);
RichEdit1->Lines->Add(buf);
sprintf(buf,"4舵: %7.3f deg",FourAngel);
RichEdit1->Lines->Add(buf);
if(DJNumber>4)
{
sprintf(buf,"5舵: %7.3f deg",FiveAngel);
RichEdit1->Lines->Add(buf);
sprintf(buf,"6舵: %7.3f deg",SixAngel);
RichEdit1->Lines->Add(buf);
}
Test->Enabled=true;
}
//-----------------------------------------------------------------------
軟件的實(shí)現界面如圖5所示：
圖5 軟件實(shí)現界面
5 結束語(yǔ)
本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：首先、成功采用了嵌入式計算機PC/104設計故障診斷測試儀，系統結構小巧緊湊，性能穩定可靠，控制簡(jiǎn)單高效，人機界面友好；其次、設備的模塊化特點(diǎn)可以實(shí)現快速故障檢測和診斷功能；第三、開(kāi)放式設計可以具有良好的通用性和擴展性，能方便地推廣到其他舵機上使用。
參考文獻：
[1] SCM-SPPERPT2 技術(shù)手冊[M] SBS科技 http//:www.sbs.com.cn
[2] SysExpanModule/ADT600 技術(shù)手冊[M] SBS科技 http//:www.sbs.com.cn
[3] 鄭辛等.平臺慣導系統故障診斷專(zhuān)家系統研究[J] 北京：戰術(shù)導彈技術(shù)，2003，No1:20-24
[4] 夏萬(wàn)林、李擎等.基于嵌入式計算機PC/104的某火箭彈自動(dòng)測試儀[J] 北京：微計算機信息，2006，No2: 109-110
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