基于PC104架构的某型机载武器系统综合测试设备的设计与实现

王清海,齐晓林

(1.海军驻洛阳地区航空军事代表室,河南郑州 450000;2.空军工程大学工程学院,陕西西安 710038)

某型机载武器系统电气接口贯彻GJB1188A标准,而武器的电气接口是模拟信号和离散信号,没有贯彻GJB1188A标准[1]。武器需要将机载武器系统传输的1553B指令等数字信号转换成所需的模拟、离散信号,同时武器也必须将反馈给机载武器系统的模拟、离散信号译成机载武器系统能够识别的1553B数字信号[2]。在信号传输过程中,位于武器装置中的执行组件是实现1553B指令、非贯标武器接口信号转换的关键设备。执行组件与武器一起作为机载武器系统的一个远程终端进行通信,是实现载机与武器通信的桥梁。要完成对武器系统的综合检测,检测设备必须具有模拟飞机接口信号和武器接口信号的功能和正确的控制逻辑关系。该综合检测设备采用了以PC104构架组成的处理单元,将主板、电源、A/D、D/A及I/O接口等模块综合集成设计,采用Windows98操作系统,占用较少的系统资源,取得了较快的处理速度和较高的可靠性,同时具有人机交互简单显示直观等特点[3]。

1 综合测试设备的设计目标

该设备的设计目标是:

1)接收机载武器系统接口的1553B指令并向执行组件传输有关各型武器的离散信号指令。

2)接收执行组件反馈的离散和模拟指令,按照编码规则和逻辑控制关系重新编码,模拟向机载武器系统接口传输可识别的终端反馈信号。

3)模拟武器向执行组件反馈的离散和模拟指令。

4)接收机载武器系统接口的1553B指令信号和执行组件反馈的离散、模拟指令信号并进行检测、技术指标比对和故障诊断,显示和打印检测结果。

5)具有开机自检、故障提示和告警功能。

2 硬件设计

2.1 硬件设计及功能

根据机载武器系统接口的电气特性和测试设备所要完成的测试任务,对所有被测信号和所需激励控制信号的性能指标、时序关系等技术指标进行分析归类,在考虑系统可靠性、维修性及扩展兼容能力的基础上,架构了以PC104为控制核心的自动测试设备[4]。测试设备的硬件总体结构如图1所示。

1)上位控制主机。接收载机GJB1188A接口中的离散信号和1553B离散信号特性、功能逻辑,作为执行组件上接口的激励。同时接收执行组件反馈的离散和模拟指令,按照1553B编码规则和逻辑控制关系重新编码,模拟向机载武器系统接口传输反馈信号,并进行功能检测和故障诊断。

上位控制主机由主板、液晶显示器、电源、继电器输出矩阵板和1553B板组成。主板采用MSM 800SEV V2.1版本的PC104+主板[5],CPU为GEODE LX-800 500 MHz,具有 1 G DDRAM 、两个RS-232串口、键盘鼠标接口、AT-IDE硬盘接口、VGA/LCD视频接口、PC/104 ISA及 PC104+PCI总线接口、4个USB 2.0接口以及板载CF卡接口等功能;液晶显示器为AA 104SG01显示器;电源采用PC104结构50W隔离电源,为上位控制主机相关模块供电;继电器输出矩阵板采用AIM 104-RELAY8/IN8,具有8路继电器输出,8路光隔输入,用来模拟GJB1188A接口中的离散信号;1553B模块采用COM-1250、PC104 M IL-STD-1553 接口,单通道,可通过软件将其设置为BC、RT及MC功能,在上位控制主机中模拟GJB1188A接口中1553B数字信号,做BC用。通过对上位控制主机的集成,接收载机GJB1188A接口中的离散信号和1553B数字信号电气特性、功能逻辑,模拟载机武器系统对武器接口的激励、控制和测试。

2)下位控制主机。模拟武器接口,接收执行组件激励信号,检测执行组件的电气响应并模拟完成各型武器反馈的信号,进行功能检测和故障诊断。

下位控制主机由主板、液晶显示器、电源、16路继电器输出矩阵板、60路光电隔离输入板和A/D、D/A板组成。其中主板、液晶显示器、电源与上位控制主机配置相同。16路继电器输出控制板采用PEARL-MM-16 Relay PC/104 Module,具有16路双刀双掷继电器输出,每路继电器可通过跳线将其设计为27VDC-断开、27 VDC-地、断开-地等多种组合,满足模拟武器开关量输出要求;A/D、D/A板采用DIAMOND-MM-16-AT,具有16路单端或8路差分16-BIT A/D转换的模拟输入,最大可编程输入电压范围±10V,最大采样速度100 kHz,4路12-bit D/A转换模拟输出,满足模拟武器的模拟信号输入输出要求。通过软件集成和接口设计,下位控制主机模拟武器接口信号,模拟武器向武器系统上传反馈武器的响应。

3)操纵箱完成两个主机的协同操作、对执行组件供电检测信号的调理与切换。

2.2 关键电路的设计与实现

2.2.1 强电信号隔离电路

对执行组件内部所产生的36 V/400 H z强电开关信号进行检测时,采用的隔离电路。输入级采用的双向二极管D2可将强电开关信号变成脉冲信号,经过脉冲变压器实现电气隔离。输出级采用5 V稳压管D1将输出电压嵌位于TTL电平上,满足系统电路处理的需要。执行组件内部机械继电器的触点的接通和断开时,会产生拉弧,线包通、断使待测的强电开关信号中夹杂有很强的干扰噪声,对测试设备的正常工作造成很大的影响,因此,在测试设备的硬件设计中采用必要的隔离措施。

强电信号隔离原理电路如图2所示。

2.2.2 抗干扰电路

执行组件工作由27 V直流和115 V/400 Hz交流供电并存,在方波、锯齿波等模拟信号,继电器、分切机构、电磁阀等机电元件,与控制主机的核心电路存在强烈干扰。在硬件中,对于离散信号测试采用继电器输出、光耦输入与主机隔离;对于模拟信号输入测试,根据信号幅频特性先进行滤波和整流,消除谐波和尖峰,经采样保持电路送入独立供电的A/D转换器,其数据输出又经高速光耦隔离后送入主机控制单元;对于模拟信号输出,先将控制主机的数字信号经锁存器锁存,高速光耦隔离后送入D/A转换单元进行转换成模拟信号。在控制主机的接口电路电源引脚,增加去耦电容及瞬态抑制二极管等保护电路,有效地提高了测试系统的抗干扰能力[6]。

2.2.3 操纵箱的调理与切换电路

在执行组件内部,需要检测发射信号与分切信号等±27 V电压信号以及发射执行机构与分切执行机构等线路的阻值。在常规测试时,为了保证安全,不允许执行组件作动。因此在测试发射信号与分切信号时,需要切断发射执行机构与分切执行机构等线路,在测试发射执行机构与分切执行机构等线路阻值时,需要接通线路,同时由于测试过程中需要随时模拟武器型码信号。在图3中,继电器K1常闭线路用于测试发射信号与分切信号,常开线路用于测试线路电阻,继电器K2用于武器型码信号的模拟,继电器K1、K2与主机操纵箱按钮联锁控制,保证了测试安全。操纵箱的调理与切换电路如图3所示。

2.2.4 主机的集成

主机的外形主要采用翻盖结构,避免在运输存贮过程中液晶屏受到损伤,机箱四角加固,并装有减震橡胶保护。为了提高主机的可靠性,PC104模块集成采用框架结构,如图4所示,保证了接插件的可靠连接。为了提高液晶显示器的环境温度适应能力,采用了表贴式自适应温控电路,将发热体用导热硅脂粘贴在液晶屏的温度敏感区,温控电路可以根据环境温度的变化调整发热功率,使液晶屏处于适当的工作温度范围。

3 软件设计

测试设备的软件在W indow s98操作系统的基础上采用VC语言编程。软件总体结构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,并对各个子模块优化设计,节约了存储空间[7]。为提高软件运行的可靠性,软件内部嵌入了软件陷阱、看门狗、数字滤波器以及资源独占技术等。软件功能框图如图5所示。

1)系统自检用于对测试的模块电路的硬件进行自动检测、诊断以及对数模转换电路的校正。通过对系统硬件各电路模块进行测试,判明测试系统本身是否处于良好状态。当系统检测到某功能电路工作不正常时,系统将根据诊断结果直接指示故障模块,以便排除故障[8]。

2)人机界面采用W indow s窗口菜单式操作,具有较好的人机界面,符合日常软件操作习惯。同时尽量将相关信息显示在一个界面内,保证界面嵌套不超过3级,符合设备软件通用要求。

3)设备测试与故障分析根据“设计目标”对软件的要求和测试需要,在模块中设计了“测试提示”、“测试方式”、“测试结果判据”、“测试结果存贮”等帮助子模块,供用户选择。故障分析模块根据“测试结果存贮”以及“测试结果判据”等子模块的数据信息进行分析,形成数据表格,显示测试报告。也可连接打印机,将结果直接打印。

4 结束语

某型机载武器系统综合测试设备经过一年多的使用,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飞机机载武器系统的测试需要,实现了设计目标,极大地提高了故障检测和诊断效率,减轻了用户的工作强度,提高了维护和保障能力。

[1] 丁其伯.GJB1188A-1999.飞机/悬挂物电气连接系统接口要求[S].北京:中国航空综合技术研究所,1999.DING Qi-bo.GJB1188A-1999.Requirements o f aircraft/suspension electricity conjunction system interfaces[S]Bejing:China Aero-po ly technology Estab lishment,1999.(in Chinese)

[2] 陈若玉.GJB289A-1997.数字式时分制指令/响应型多路传输数据总线[S].北京:中国航空综合技术研究所,1997.CHEN Ruo-yu.GJB289A-1997.Digital time instruction/response type mu lti-line transmission data bus[S].Bejing:China Aero-po ly technology Estab lishment,1997.(in Chinese)

[3] 周东华.控制系统的故障检测与诊断技术[M].北京:国防工业出版社,2000.ZHOU Dong-hua.Failure check&diagnosis techno logy o f contro l system[M].Bejing:National Defence Industry Press,2000.(in Chinese)

[4] 谢剑英.微型计算机控制技术[M].北京:国防工业出版社,2001.X IE Jian-ying.M icrocomputer control technology[M].Bejing:National Defence Industry Press,2001.(in Chinese)

[5] PC/104 plus MSM 800/SEV Manual V1.1B,H omepage:http://www.digita llogic.com.

[6] 马胜前,蒋宏.数据采集与高级处理技术[J],电测与仪表,2001(6):9-11.M A Seng-qian,JIANG Hong.Data collection&high grade p rocessing technology[J].Electrical Measurment&Instrumentation,2001(6):9-11.(in Chinese)

[7] 徐科军.自动检测和仪表中的共性技术[M].北京:清华大学出版社,2000.XU Ke-jun.Genera l techno logy of automatic check&apparatus[M].Beijing:Tsinghua University Press,2000.(in Chinese)

[8] 代冠中.计算机控制原理[M].北京:国防工业出版社,1998.DAIGuan-zhong.Computer control p rincip le[M].Bejing:National Defence Industry Press,1998.(in Chinese)