基于嵌入式技术的火控系统故障检测仪

鲁吉林， 李卫士， 金晓辉， 张伟民

（1.陆军工程兵军代局， 北京 100093； 2.32184部队， 江苏 南京 210028）

引言

某型火箭扫雷车火控系统是该装备的核心部件，其故障将直接影响装备效能的发挥。该车火控系统的故障涉及到强电、机械和弱电控制等多个环节，故障原因复杂且影响严重。本文提出研制该型装备的火控系统检测仪，可对其火控系统进行故障在线检测、诊断与定位，能够有效地解决该装备在使用维护中面临的实际困难。

该部扫雷装备火控系统检测仪可用于：检测、判断该型火箭扫雷车发火系故障；指导维修人员进行故障排除；在作战训练过程中出现故障而不易修复的情况下，可代替火控系统发火器工作，是集检测、诊断（专家系统）与代用于一体的多功能综合检测设备。

1 火控系统故障模式和特征参数研究

根据图1，可以将发火器的故障归类为线路故障和信号故障等两大类。其中线路故障主要表面为断路、短路、搭铁和接触不良（松脱、脏污、碳化等），而信号故障则表现为电压过低、功率不足、通道信号间隔过小、间隔不匀、信号次序混乱等现象。因此，我们选择了点火信号的功率、信号脉冲宽、信号时序、各通道信号间隔、和触发信号的上升斜率等5个参数做为检测参数，并确定了存在故障的部位分布于蓄电池、电磁机构、配电装置、航空插头、发射插座、发射按钮、传输电缆等处。

图1 火控系统工作原理图

2 检测仪功能与组成

该火控系统检测仪主要用于对GSL110A型火箭扫雷车点火器性能进行评估，必要时可以代用发火器进行火箭发射。它提供简易模式和专家模式两种工作方式，既可以方便地进行现场发射模拟检测，也可以实时传输发火器工作信号，通过图形界面的专家系统全面直观地反映发火器的工作状况，对发火器性能进行准确评价。

检测仪为嵌入式系统[1-2]，由基于多微处理器的硬件系统和基于专家系统的软件系统组成。硬件由微处理器、输入/输出设备、显示设备、存储设备组成基本的智能处理系统，通道选择阵列和显示阵列与具体的发射通道相对应，用于信息的复合显示。输出阵列用于代用输出。功率检测阵列用于检测各通道的功率输出功能，内部显示阵列用于本系统的内部诊断，与实际输入信号对应。软件系统内置了专家系统，以实现系统代用、系统诊断和排障向导。检测仪的总体结构如下页图2所示。

3 检测仪的硬件设计

3.1 嵌入式主控制电路设计[3-4]

主控制电路由2片STC12C5A60S2单片机、128 KB外部扩展RAM、LCD显示器、导航按键（用户指令输入键盘）等组成。STC12C5A60S2是宏晶电子的新一代1T单片机，指令速度可达35 MHz，相当于普通12周期单片机的420 MHz的处理能力，含有最多44个IO通道、2路PWM、2个串行口和8路10位AD转换通道，AD转换速度可达250 KPS，还具有内部EEPROM。考虑到本系统的实际资源需要，采用了2片单片机用串行口实现数据高速交换。系统外扩了128 KB RAM用于存放大量的采样数据。系统采用7寸真彩液晶屏进行高亲和力界面显示。

图2 火控系统故障检测仪组成

3.2 发火信号采样电路

图3 是通道0和通道1的信号采集与功率输出电路。数据采样电路由功率检测电路、内部通道指示电路和单片机内部的AD采样功能共同构成。功率检测电路提供47Ω1 W的负载电阻，如图3中的R230和R231，发火器的点火信号通过适配器电缆接AD0和AD1端口，在R230的R231功率电阻上产生压降，完成电压变换功能。此电压信号通过R220和R221分别输入到IO0、IO1等，最后送入嵌入式微控制器内置AD中，微控制器就可得到能反映发火器系统的负载条件下的实际情况的状态信号，并对其进行高速采样。内部通道指示电路实时地显示外部信号的输入情况，便于检测仪的系统维护。其它8个通道的电路原理与图3相同。

图3 信号采样与功率输出电路

3.3 代用输出电路

代用输出电路由通道选择阵列、功率输出阵列和单向输出阵列组成。通道选择与具体的发射通道相对应，用户可以选择相应的发射通道。功率输出阵列由MC33286、D201及外围电路组成（见图3）。考虑到火箭发射是一个瞬态大功率的过程，因此代用采用功能通过6 A的宽电压芯片MC33286实现。它是一种车用双边功率开关，可以直接与微控制器连接，控制由蓄电池提供的大功率点火电流信号。与机械式继电器相比，具有可靠性高、保护性好和自诊断能力强等特点，能反馈自身各通道的状态，满足火箭发射的安全需要。单向输出阵列实现了检测与代用信号的隔离，既保护了MC33286芯片，又实现了端子的利用，缩小了系统体积。图3中的二极管D201和D200完成单向输出和保护的功能。

4 系统软件设计

4.1 软件系统功能

1）安全可靠的数据通信。即能够正确地接收检测仪发送的各种数据，并能准确地向检测仪发送各种命令。

2）基于发火原理的分析算法。能够对传送来的反映发火器工作情况的数据进行合理分析，得出指导性的结论。

3）基于数据库的向导。在发火器工作出现异常时，能够对出现的异常情况做出合理判断，并给出指导性的操作方向。

4）实时的信息显示。能够正常反映通信情况，便于检测人员正确判断。

5）单通道详细信息统计。能够显示单通道波形，给出发射信号起始时刻、发射信号终止时刻、发射脉冲个数、发射信号宽度、主信号宽度、上通道发射结束时刻、与上通道发射间隔、下通道发射结束时刻、与下通道发射间隔、同时发射的通道数目等10个参数的统计信息，便于检测人员做出正确判断。

6）全通道波形显示。将10个通道的波形显示在同一坐标下，容易理清它们间的相互关系。

4.2 软件设计方案

按照软件功能要求，设计系统软件结构，如下页图4所示。

系统实现了2种工作模式（即简易模式和专家模式）下的工作，在简易模式下，实现简单的系统检测和系统代用，在专家模式下，实现了系统检测、系统代用、排障向导和参数管理四个功能[5]。系统检测实现了对通道数据的实时采样并进行深层次分析，提供各通道的信号参数和通道间关系。系统代用则依据操作者的实际选择通道完成系统的临时发射代用工作。在系统检测完成后，如果发现系统工作不正常，可以在排障向导的指引下一步步完成故障的最后定位，几乎可以定位到元件级。参数管理用于对系统进行必要的参数设置，如各种检测参数、代用参数、通信波特率等。

图4 软件系统结构图

4.3 系统检测

系统检测功能是一个基础功能，不仅在简易模式和专家模式中的系统检测中需要使用，在专家模式中的排障向导中，也需要调用其核心模块[6]。

系统检测的流程框图如图5所示。它实现了系统的定时循环采样，并依据不同的工作模式实现了不同的数据处理方案[7]。从图中可以看出，该功能共分检测准备、检测过程和检测分析三个阶段。在检测准备阶段，主要完成系统使用提示、状态选择按钮位置是否正确以及开始按键是否正确按下三项工作。在检测过程中，系统采用定时模式即在设定的时间内高速采集各通道信号并进行临时分析，当所采样的通道满足电压条件时即使对应的指示灯工作。检测分析阶段主要对所采集的数据进行处理，选择电压、脉冲宽度、上升斜率、通道间隔和通道顺序5个参数作为对通道发射信号质量进行综合评价依据。

图5 系统检测流程图

4.4 系统代用

主要用于火控系统的临时代用，根据操作者所选择的通道依次发射出对应的火箭。其流程也分为三个阶段：发射准备、发射和发射结束。

发射准备阶段主要完成选择开关检测和开始按钮是否按下。在发射按钮按下前，系统检测操作者所选择的通道并点亮对应的通道指示灯。按下开始按钮后，转入发射阶段。在该阶段，首先获取用户选择的全部通道，然后按序号进行发射并依次熄灭对应通道指示灯。所有选择的通道发射完毕后，系统转入发射结束状态，在该状态，系统等待用户操作，如在设定时间内无操作（简易模式），系统转入下一轮发射。

5 结论

本文所设计的故障检测仪，整体布局设计协调、外形美观大方、设备安装牢固，面板与操作器件直观易懂，坚固耐用，美观大方。系统的成功开发大大减轻了该型车火控系统的维护工作量，使检测过程快速有效。同时，它能够全面把握发火器性能，使火箭因发火器性能问题而导致发射失败甚至出现危险的几率降至最低。综合其研制试用过程，此系统着眼于使用对象，突出了产品的智能性与实用性，具有很好的实用价值和推广应用前景。

5.1 双CPU协同技术

系统采用了2个CPU进行协同工作，一个为主CPU，完成系统显示，状态转换等与操作者交互的主要工作，一个为从CPU，完成主CPU赋予的具体任务，如检测信号、显示通道指示灯、完成火箭发射等。2个CPU间采用串行方式进行信息交互。

5.2 系统检测技术

通过对发火器工作原理的深入分析，将其工作波形分成电压、脉宽、时序、上升斜率、通道间隔五个参量，并编制成算法对这五个参量进行分析，以协助检测人员判断，用户也可以选取详细信息以获得波形和额外的统计信息。

5.3 故障排除技术

故障诊断是一项复杂的技术。本系统以5个通道参量为指标实现了对故障的全面评估和定位，以经典的逐次排除法为主，引入直接定位法和差异法大幅度提高排障效率。

逐次排除法即经典的故障树法，建立在对系统详尽分析的基础上。本系统一共提取了7个故障源。各个故障源之间必须有明确的界定依据，界定依据的确立是其中的关键。

系统引入了直接定位法，即根据现象直接发现问题的所在。例如对通道顺序的判断可以直接将故障定位于接线端子错误等。

差异法是根据通道的个性与共性共同裁决以找到直接可靠的界定依据。由于系统有10个通道，这些通道具有共性，也具有个性。若某个指标均为异常，则该故障现象一定是由于一些共同的决定因素引起。如假定所有通道的电压均低于指标，则一定是由于蓄电池或主传输电缆故障引起。

5.4 状态机编程技术

由于系统涉及的状态繁多，状态转换条件复杂，采用常规的面向过程编程容易产生逻辑错误，降低系统的可靠性。为此，在设计时引入了较新的状态机编程技术，严格地分离了状态转移条件和具体的系统功能，极大地提高了系统自身的可靠性。

5.5 自我检测技术

采用CRC算法对程序自身的完整性进行检验。

5.6 安全的火箭发射指令

一是负逻辑触发，解决系统复位时的短时高电平问题。二是设置函数入口指令，非正常进入函数则拒绝执行发射程序。三是短暂状态保持，即发射指令满足标准后即变成低电平，以避免发射失败后处理时的意外。

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