基于BIT 某型导弹测试设备故障诊断研究与实现

仲 超,王 茜,杨 雷,杨立安,张 冬

(1.中国人民解放军空军勤务学院航空弹药系,江苏 徐州221000;2.中国人民解放军驻中国空空导弹研究院军事代表室,河南 洛阳471000;3.解放军94906部队,江苏 苏州215000)

0 引 言

BIT技术[1]又称机内测试技术,是现阶段较为流行的测试技术,具备广泛的应用前景。BIT技术可应用在航天、航空、电子等领域,导弹测试过程也可应用该型技术。随着技术发展,测试设备将更精细化,其维修性要求必然随之提高,因此针对某型导弹测试模块应用BIT技术,以实现其故障诊断,将提高设备维修性,缩短设备维修时间。

目前国内外研究学者对BIT技术的研究已经取得较为显著的成果。Kerry·Westervelt在其文章《F/A-18D(RC)Built-in Test False Alarms》中讲到,BIT技术的缺陷在于虚警[2],而解决这一问题需要综合专家系统、神经网络和模糊理论,从而开发智能BIT技术。Daniel R在其文章《Predicting and eliminating built-in test falsealarm》中也提出BIT技术缺陷的弥补可以采用人工智能[3]方法,使得系统可靠性上升。我国BIT技术虽然起步较晚,但是也已经初具规模。杨光在其文章《机电产品BIT系统传感层降虚警理论与技术研究》中提出建立BIT系统层级模型,根据数据流向,逐层降低虚警概率的方法。随着国内人员研究的深入,BIT技术在我国的应用必然更加成熟,更加广泛。

1 基于BIT故障诊断模型

基于BIT的故障诊断模块是测试设备的子模块,起到监测、预警、诊断和定故的作用,故障诊断模型如图1所示。

图1 BIT故障诊断模型

基于BIT的故障诊断模型由4个部分组成,分别为监测部分、预警部分、诊断部分和定故部分。监测部分通过监测电路对测试设备的电路节点、线路和组成元件进行监测。监测有故障时预警部分别进行节点预警、线路预警和元件预警;然后诊断部分对三部分进行诊断,确定是否真的有故障;最后定故部分根据诊断结果,综合分析,确定故障位置和故障类型。定故部分需要配合软件实现,本文主要对诊断模块的硬件进行设计。

2 BIT电路设计

2.1 监测与诊断电路

监测与诊断电路主要通过电路节点的监测和诊断来确定故障,节点故障、线路故障和元件故障都可最终化为电路节点问题,线路与元件两端可视为特殊节点,可以进行节点监测与诊断。本文设计的监测与诊断电路还具有一定程度上的调控功能,其结构如图2所示。

图2 监测与诊断电路

图2 电路由四部分组成,一是与节点连接的测量电桥,这里的节点用2个小电压中频交流电源代替。R1、R2、R3和R13构成测量电桥,节点的电压或电流变化经过电桥转变为可视的电压差变化,为了使电流稳定,这里使用了稳压管D1达到稳定电压进而稳定电流的目的,使测量电桥达到平衡。

二是由一块AD629AR放大器[4]组成的差模电压放大器,将电桥输出的毫伏级电压转变为伏级,其与周围电路组成的差动放大电路将测量电桥输出电压ΔU按比例放大,其输出电压为:

若R4=R5,R7+RV2=R6,则可得如下输出电压:

RV3用于差动放大器的调零,差动放大器的输出电压取决于2个输入电压之差以及外部电阻之比。

三是AD8541AKS组成的滞回比较器[5],其控制精度由滞回比较器的带宽决定,可以通过改变其比较电压来改变控制范围。若设比较器输出高电平为U0h,输出低电平为U0l,反相输入端加有参考电压Ur,同相输入端输入电压为ui,则当输出为高电平时,运放同相输入端电位为:

若ui按正弦波形式变化,即由高到低,再由低到高,其输入输出电平皆可由式(3)和式(4)类比推导。

四是由2N2 222 A三极管[6]构成的放大器,便于有外置电路时,作为输出。

2.2 预警电路

预警电路用于故障时预警,由于BIT存在一定的虚警概率,因此没有办法做到完全消除虚警影响。这里通过采用较为适合的电路设计方案减少BIT虚警概率,预警电路如图3所示。

本文所设计的预警电路由三部分组成:一是文式振荡器[7],包括带负反馈的放大器和选频网络Z1、Z2。如图3所示,令则可得表达式:

图3 预警电路

因此取R1=R2=1.6 kΩ,C1=C2=10 n F,R3=4 kΩ,R4=8.45 kΩ,可以满足以上要求。

二是功放模块。采用的是甲乙类功率放大器[8],其具备的偏置电路能克服乙类交越失真。图中Q1和Q2构成互补输出,处于静态时,D1和D2产生压降,该压降为Q1和Q2提供合适的偏压,使得Q1和Q2微导通,其输出功率为:

式中:U0为输出电压有效值;I0为输出电流有效值;Rl为负载电阻,其最大输出功率为:

在设计时采用图3中所示的设定参数,计算可得最大输出功率为3.5 W,大于驱动喇叭的功率,能满足驱动要求。

三是电压比较器及控制电路,用于比较输入信号和参考电压。参考电压加在运放的反相输入端,输入信号加在同相输入端。运放此时处于开环工作状态,开关电压增益很高,具备一定的控制作用。

3 降虚警方案

降虚警主要利用BIT技术中的冗余技术对诊断结果进行故障表决,根据表决减少虚警率。方案包括三大部分:一是软件具备智能BIT诊断功能;二是硬件的合理选型降低虚警率;三是仿真工作需完善。其方案如图4所示。

图4 降虚警方案

4 仿真分析

4.1 监测与诊断电路仿真

监测与诊断电路仿真主要针对能否正确监测并诊断故障,在于表头能否正确反映电路状况,通过电压表的示数,可以推导出节点的电压情况。仿真时,分别使用有效值为0.001 m V和0.003 m V的交流电源,代表一个节点的2个时刻电压变化值,用于仿真故障信号来源,仿真示数如图5所示。

图5 电压表示数

3个表示数为U1、U2、U3。先计算U3,U3即u+h,依据式(3)可计算得:

图4中U3示数为11.537 V,在误差允许范围内。再计算U1,U1即放大器输出压降值,其值为:

图4中U1示数为-8.709 V,在误差允许范围内。图中U2为参考电压,通过手动设定,无法通过计算获得。根据U1和U3的理论值及实际值的比较结果,可得两者的相对误差分别为0.08%和0.05%,可以忽略不计,因此判定仿真通过,电路可行。

4.2 预警电路仿真

预警电路仿真主要针对喇叭的工作情况,这里使用喇叭而非蜂鸣器[9]是为了更好地观测仿真结果,通过示波器观测喇叭的工作状态,仿真结果如图6所示。

图6 预警电路仿真图

如图6所示,示波器显示节点电压峰值UM为2.75 V,其有效值UI为1.95 V。功放模块输出电流与比较器模块输出电流通过三极管作用构成示波器的2个通道,而示波器2个通道的电流差值可以忽略不计,因此可认为两通道输入电流相等,计算功放模块输出电流较为困难,因此计算比较器模块输出电流。比较器模块输出电流为:

三极管放大倍数为1 000,因此通道电流为1.6 A,即示波器输入电流为1.6 A。由于示波器输入电压为1.95 V,计算可得示波器驱动功率为3.12 W。由于驱动功率与喇叭驱动功率一致,因此喇叭驱动功率为3.12 W。喇叭额定功率为3 W,相对误差为:

由于驱动功率大于额定功率,4%的误差可以满足要求,因此判定仿真通过,电路可行。

5 结束语

BIT技术的不断成熟可以使机内测试这一方式得到广泛应用,超大规模集成电路的迅猛发展为BIT技术提供了十分广阔的硬件平台。BIT技术不光可以在测试方面应用,还可以用于其他方面,例如诊断、监测、预警等。本文基于BIT技术设计了故障诊断模块,但还有所欠缺,随着技术发展,智能BIT[10]必然会逐渐流行。