基于PC104的某型飞机发射装置便携式通用检查仪设计

高 涛， 齐 乐， 郭 辉

(空军工程大学航空机务士官学校， 河南 信阳 464000)

0 引 言

我军某新型飞机装备的导弹发射装置通过螺栓与内侧挂架固定连接， 用于悬挂和发射导弹， 每次任务前需要原位对飞机发射电路和该发射装置模拟导弹信号进行检查， 判断其是否满足导弹发射要求， 但检查信号多、 程序繁琐， 如何有效地对发射装置的整体电气性能进行检查以保证导弹能够成功发射成为航空兵部队亟待解决的问题[1-2]. 刘成亮等[3]在VC++6.0环境下开发了基于PC104嵌入式计算机的某型导弹发射装置测试系统， 首次实现了该型导弹发射装置的内场离位自动化测试. 庞潇等[4]针对飞机机上导弹发控电路的检测需求， 提出了基于PC104主板的发控电路测试仪设计方案.

随机装备的检查仪以离线检测为主， 在发射装置装到飞机上之前检查控制盒电路. 根据任务要求， 在每次挂载导弹前需要对该型飞机的机内发射电路和发射挂架等装置进行现场检查， 且要求能够适用多个型号发射挂架以实现原位快速检查. 根据航空兵部队的需要， 研制出了基于PC104的该型飞机导弹发射装置通用检查仪， 供飞机外场检测飞机发射电路和导弹发射挂架发射电路的地面设备， 同时也对每个导弹发射架的电源部件、 发控部件等进行检测， 解决了导弹发射装置的原位性能检测问题.

1 系统功能分析

根据任务要求和发射装置结构电路分析， 该型发射装置测试系统需具有测试对象识别管理、 信号模拟和信号测试、 控制与显示等功能.

1.1 测试对象识别管理功能

针对通用化设计要求[5]， 设计了多根与不同型号发射装置接口相配套的测试电缆， 能够满足某系列飞机各型发射装置的测试要求， 具有较强的通用性和防插错设计. 系统程序能够识别测试电缆和所测发射装置测试对象型号， 在自动测试模式下完成自动测试和数据管理.

1.2 信号模拟和信号测试功能

在进行发射装置测试时， 根据测试要求， 测试系统需对机内发射电路的信号进行解调和测试， 模拟导弹的信号提供给导弹发射装置， 同时对相关反馈信号进行测试， 然后通过计算机处理后显示、 存储. 要求能在原位状态和不启动电气系统情况下对发射装置多种信号进行性能测试和故障隔离与诊断, 并显示检测结果， 然后根据测试数据进行故障诊断和故障隔离. 系统信号流向与测试功能如图 1 所示.

测试过程中需要模拟导弹雷达投影信号、 导弹位标器信号、 包络信号以及导弹音响信号输入给发射装置检查其反馈信号是否正确， 其中包络信号为

F=Asinωt+D，

(1)

雷达投影信号为

X=Asinωt,

(2)

Y=XsinAzcosE,

(3)

Z=XsinE,

(4)

式中： sinωt为交流信号；Az为目标俯仰；E为目标方位[6].

图1 系统信号流向与测试功能图Fig.1 System signal flow and test function diagram

1.3 测试流程控制及信息显示功能

系统能够自动完成测试工作和任意选择手动测试项目， 具备测试项目的运行与终止、 操作提示、 测试结果的显示与输出以及测试数据的分析与保存等功能.

2 硬件系统设计

长期以来， 飞机挂载悬挂物的研制相当分散， 各研制单位特有的飞机/悬挂物电气连接要求使得通用检查仪在硬件设计上一方面要充分复用灵活切换， 另一方面要能够提供多种信号激励来满足不同类型信号、 幅值、 频率和样式的测试需求. 据此， 在整合了测试需求之后要对测试硬件进行设计以满足上述需求.

2.1 硬件设计

为了满足航空兵部队检查多种武器装备发射装置的需求， 检查仪要模拟飞机和导弹的有关信号、 各种可能的工作状态， 检查发射装置对各种状态的反应， 因此， 系统硬件必须能够产生相应的激励信号组， 还要达到实时测试的性能要求， 信号模拟电路设计是一个必要的组成部分. 除此之外， 为了对飞机发射电路、 导弹发射装置的相关信号进行调整以便A/D板能够进行模拟量的采集， 要设计信号调理电路； 为了消除瞬变脉冲对数据传输的影响， 防止互连设备损伤， 要设计隔离电路对飞机发射电路、 导弹发射装置的开关量进行光电隔离； 同时， 也要根据测试逻辑设计切换电路以按既定流程完成各测试项目. 在便携性设计上， 系统构架采用了嵌入式工控机PC104系统， 以满足航空兵部队原位测试对测试设备在结构、 操作、 自动处理能力、 体积和便携能力方面的要求.

硬件设计整体框架如图 2 所示， 测试系统主机装在铝板制成的机箱内， 控制器和电缆装在一个专用的电缆箱内. 主机的硬件部分包括PC104计算机系统、 信号模拟电路、 信号调整电路、 隔离和切换电路等[7].

图2 系统硬件设计框图Fig.2 System hardware structure block diagram

2.2 PC104计算机系统

测试系统采用基于PC104总线的嵌入式计算机系统作为控制核心， 整个嵌入式系统以功能模块为基本组件， 通过PC104总线完成PC104模块之间的任意搭接， 实现系统功能的扩充. 该计算机系统采用盛博公司的军品级PC104模块， 包括P3主机板、 电子盘、 A/D板、 I/O板. 其中， P3主机板除了完成系统的控制、 数据运算等功能外， 还负责计算机与键盘、 显示等外设接口的连接.

A/D板采用多功能综合接口板PCM-7484板， 板上集成12位单端16路模拟量输入A/D、 4路 12位独立模拟量电压输出D/A、 16路TTL电平开关量输入、 16路TTL电平开关量输出等多项功能， 占用连续8个I/O地址， 可以与被测对象电路对应编码， 通过继电器矩阵实现选择. A/D转换芯片采用高性能AD774芯片， D/A芯片采用BB7625. A/D和D/A有多量程输入输出， 模拟量输入输出及脉冲信号由J1 26芯IDC型头接入接出， 通过改变跳线器即可选择A/D和D/A不同的电压输入输出范围， 满足机内发射电路和发射装置多路信号A/D和D/A处理需要， 无需额外资源， 节省了设备资源和物理空间. I/O板主要完成测试项目的切换， 选用含有24路数字信号输入输出的嵌入式 PC 应用模块PCM-5131.

2.3 信号模拟与信号测试电路设计

发射装置的测试采用通用的网络分析法， 即把发射装置看作一个多入多出的多端口网络， 该网络在激励信号作用下的响应规则是已知的， 通过在输入端施加已知可能的激励， 对响应信号进行采集记录， 然后通过分析， 判断其是否符合响应规则， 从而确定发射装置工作是否正常.

在系统计算机的控制下， 通过控制有关硬件模拟产生飞机和导弹的有关信号， 模拟导弹各种可能的工作状态， 从而产生相应的激励信号组， 然后检查发射装置对各种状态的反应， 以达到检查发射装置的目的. 发控程序又对实时测试具有严格的要求， 因此， 用信号模拟发生器电路产生必要的时序波形， 如在准备阶段施加图 3 所示的激励信号， 得到对应的响应信号. 对准备程序和发射程序分别测试， 以减少信号的需求； 对部分信号进行回采， 以帮助进行时序判断.

图3 测试信号时序示意图Fig.3 Schematic diagram of test signal timing

发射前检查准备工作需对大量信号进行处理， 因此， 在检测过程中需要进行大量的信号切换和A/D、 D/A转换. 为减少信号处理量， 尽可能采用有代表性的激励信号组， 从而减少需要判断的响应信号. 信号模拟发生电路是测试系统的核心控制模块， 在进行测试时模拟包络信号、 音响信号等， 具体是通过波形产生电路来实现的. 基本电路均是由Max038产生2 V正弦信号， 配合放大器OP07 产生程序控制的动态测试所需的正弦信号(调幅调频正弦波)， 提供大电流激励信号用于模拟包络信号、 音响信号和雷达投影信号的输入. 其中包络信号模拟电路原理如图 4 所示 .

信号调理电路主要是将飞机发射电路、 导弹发射装置的相关信号进行调整， 以便A/D板能够进行模拟量的采集.

隔离和切换电路主要是对飞机发射电路、 导弹发射装置的开关量进行光电隔离， 同时， 通过控制不同电路的切换完成各测试项目.

图4 包络信号模拟电路原理图Fig.4 Schematic diagram of envelope signal simulation circuit

3 软件系统设计

3.1 软件系统组成

本测试系统的软件采用中文XP平台， LabWindows/CVI 2013语言编程， 模块化结构. 系统采用结构化系统设计方法， 整个测试系统由顶向下分层分块， 每个模块完成一项基本功能， 并遵循上层模块调用下层模块、 同层模块不能相互调用的原则[8-9].

从总体功能模块分， 系统可分为机内发射电路测试模块、 导发架测试模块、 计量维护模块和数据管理模块4个主要功能模块， 对应于主控面板主菜单上“发射电路测试” “导发架测试” “计量维护” “数据管理”4个选项. 测试时， 首先进行硬件初始化配置和系统自检， 自检通过后， 选择功能模块进行测试[10]. 每一个主模块下又可分为若干个测试项目功能子模块， 独立封装便于后期维护[11].

以“发射电路测试”为例， 其子模块分为指示灯测试、 接地测试、 直流测试等9个测试项目. 测试分为自动测试和手动测试. 自动测试时， 测试程序将依次执行每个测试步骤， 并在屏幕上输出提示信息； 手动测试时， 可以单项、 多项、 重复选择测试步骤， 系统软件工作流程如图 5 所示.

图5 系统软件工作流程图Fig.5 System software work flow chart

3.2 测试对象识别功能程序设计

为了实现设备通用化， 检测仪配了多条电缆与不同型号飞机和发射装置连接， 为防止硬件电缆连接插错与测试项目不匹配， 在程序测试前首先进行测试对象识别程序. 电缆识别电阻检测是在对测试对象检测开始前检测使用的电缆所设定的编号电阻是否为测试对象型号所对应的电阻， 并对结果进行提示. 测试对象识别电阻检测是对相应的测试对象进行识别， 防止测试对象选择、 连接错误. 在连接测试电缆后启动测试程序时， 系统软件首先检测适配器编号识别电阻的阻值， 如果在所选操作项目对应的阻值区间内则认为匹配通过检测， 适配器及测试产品电阻检测通过后， 提示： “√ 测试结论： 通过”； 当适配器及测试产品电阻检测有误时， 提示： “× 测试结论： 不通过”. 出现错误提示后， 提示请检查相应的适配器及测试产品选择、 安装及电缆连接是否正确. 程序流程图如图 6 所示.

图6 测试对象识别程序流程图Fig.6 Flow chart of test object recognition program

3.3 地线测试程序设计

发射装置接地是否良好关乎航空弹药是否在空中能够可靠点火发射和投放， 是一个重要的检测项目. 随着武器装备种类和功能激增， 其内部布线变得异常复杂， 且存在潜在电路误接通的风险， 因此， 要对地线测试程序进行科学设计才能确保飞行员在空中作战时能够可靠发射武器， 同时在不需要发射武器时能够确保武器系统不会误发射. 通过对发射装置内部线路的详细模拟分析确保无潜在发射通路存在后， 即可开始设计地线测试程序. 下面以对某武器近炸引信和变流机启动接地信号测试为例说明地线测试程序设计. 地线测试是在发射装置接通直流电源后对其导弹接口的近炸引信、 变流机启动、 接地等信号进行测试， 判断其接地是否良好. 测试开始时， 程序首先读取电缆近炸引信、 变流机启动、 接地等信号针脚对应的I/O地址， 若为“高”则判断接地测试接通； 最后再验证测试整个I/O地址数据和是否为设定值， 若为则其他针脚对应的I/O地址数据正常， 整个接地测试成功. 其测试过程如图 7 所示.

图7 地线测试程序流程图Fig.7 Flow chart of ground wire test procedure

4 实验结果与分析

4.1 实验步骤和方法

4.1.1 设备连接与自检

将检查仪放置于飞机机翼前方， 保证检查仪放置平稳且所有开关置于“关”位置. 导弹发射装置悬挂在机翼下部的悬挂梁上， 与机载控制电路联通， 保证电气联通. 按发射装置型号选择测试电缆， 将测试电缆一端与检查仪上的主电缆插座相连， 另一端与发射装置剪切插头相连， 点火电缆一端与检查仪上的点火电缆插座相连， 另一端与发射装置后部点火电缆插座相连. 检查连接线应正确， 各开关应处于正确位置； 正确连接交流220 V和直流28 V电源， 启动电源， 接通测试仪交流220 V电源开关. 在检查仪软件启动界面提示框显示加电自检通过.

接通直流28 V电源开关， 28 V指示灯亮且28 V和11.5 V虚拟电压表均有指示. 按“执行”按钮， 再按“自动”按钮后将自动完成检查仪的自检. 自检项目及要求如表 1 所示. 每一项自检合格则提示框会显示“PASS”字样， 且合格指示灯亮； 如有不合格项， 则显示“NOPS”字样， 且故障指示灯亮.

表 1 自检项目实验结果Tab.1 Experimental results of self-check items

4.1.2 机内发射电路检查功能实验

从主菜单进入检查飞机发射电路操作界面， 可以根据测试需要通过上、 下、 左、 右按键选择相应测试项目， 按“确定”后进入相应测试界面， 根据测试提示信息进行相应操作， 测试完成后记录相应数据， 按“返回”按键返回功能选择界面， 依次类推， 分别选择其它测试项目进行测试， 整个测试完成后返回上一级菜单. 同时采用示波器和数字多用表对检查仪的机内发射功能检查信号进行联机实验测试， 其部分信号测试结果如表 2 所示.

表 2 机内发射电路检查功能实验结果Tab.2 Test results of the test function of the transmittercircuit inside the machine

4.1.3 导发架检查功能实验

将导弹发射装置悬挂在机翼下部的悬挂梁上； 将发射架测试电缆一端与主机的插座相连， 另一端与发射装置剪切插头相连； 将发动机点火电缆一端与主机的相应插座相连， 另一端与发射装置后部点火电缆插座相连. 同时采用三用表校验仪、 直流稳压电源、 示波器和数字多用表对发射装置的机内发射功能进行联机实验测试.

在软件界面选择导发架发射电路操作界面， 可以根据测试需要通过上、 下、 左、 右按键选择相应测试项目， 根据操作提示将飞机内相应旋钮放置在正确位置， 按“确定”后进入相应测试界面.

4.2 测试结果与分析

从表 1 和表 2 测试数据结果可以看出， 系统可以测试、 显示、 记录正常的机内测试与导发架测试功能的实验结果， 所有检查仪检查结果与用万用表测试值相比均偏低， 分析原因是专用电缆接入后导线电阻损耗较大， 与正常值误差均在±1% 以内， 每次测试结果以 .txt 文件格式按照测试时间自动记录， 达到了设计要求.

5 结 论

该型发射装置检查仪研制成功后， 已推广到航空兵部队使用. 经过可靠性分析与试验， MTBF≥1 000 h， 故障检测率Fd≥98%， 故障隔离率Fi≥80%， 虚警率Fa≤5%. 与原随机装备的检查设备比较， 该检查仪扩展了原位检查功能， 相比原检查设备直流项目测试精度提高了±1%， 交流项目提高了±2%； 实现了自动测试和记录数据， 效率有较大提升. 实践证明， 以PC104工控机为核心的系统实现了通用化和小型化设计， 体积小、 重量轻、 自动化及智能化程度高， 该检查仪能够将多型号的发射装置与发射电路的外场原位测试与故障隔离融于一体， 提高了测试的效率和可靠性， 有效保障了发射装置的安全， 取得了较好的经济效益和军事效益.