某陀螺地平儀自檢測系統設計?

邱曉天,呂克洪,張豐言,吳曉艷

(1.國防科技大學電子科學與工程學院,湖南長沙 410073;

2.國防科技大學機電工程與自動化學院,湖南長沙 410073;

3.中國人民解放軍 71687部隊 ,河南新鄉 453000;4.中國人民解放軍 61330部隊,河南新鄉 453000）

0 引 言

某陀螺地平儀平均無故障時間較短,故障率較高,需要經常測試與維護.由于該陀螺地平儀沒有專門的測試接口,外部測試設備難以獲取其信息,測試較為困難,測試結果也不準確.為解決該問題,一種可行的方法是采用自檢測技術.自檢測技術是將測試電路設計在設備內部,由設備自身完成測試與檢測.近年來,由于集成電路和計算機技術的發展,自檢測技術發展較快,并在很多產品中得到成功應用[1-4].因此,本文擬采用自檢測技術,針對某陀螺地平儀的功能與結構,進行其自檢測系統總體設計,然后分別設計與實現其硬件和軟件.

1 某陀螺地平儀故障分析

某陀螺地平儀的基本功能為:利用陀螺儀的定軸性和擺式修正機構對地垂線的修正,在飛機上建立一個精確而穩定的水平基準,根據載體與該基準的相對姿態變化,輸出載體的俯仰和傾斜姿態角.其結構框圖如圖1所示.

經分析,該陀螺地平儀故障情況如表1所示.

表1 陀螺地平儀故障情況表Tab.1 Failu re mode of gyroscope

2 自檢測方案設計

從上述故障情況分析結果可以看出,需要對 28V直流電源、靜態變流器、陀螺定軸性、26 V 400 Hz電源、同步發送器、快速扶正機構檢測、修正機構檢測等進行檢測.

由于陀螺轉動時,根據動量矩原理有

由于本地平儀結構緊湊,對陀螺轉速直接測試極為困難.由陀螺電機的工作特性可知,在陀螺電機的電壓及負載恒定的情況下,陀螺電機的工作電流可以有效反應其轉速特性,故采用電流檢測法檢測陀螺的工作狀態.各部分的檢測方案如圖2所示.

3 自檢測系統設計與實現

3.1 自檢測系統總體結構

自檢測系統要求將檢測電路嵌入到陀螺地平儀中,并與原設備硬件有機結合.因此,本自檢測系統采用集成化、嵌入性原則設計,盡量使用比較少的硬件資源實現檢測功能.共包括 3個模塊:機內測試模塊、機內故障與指示模塊、計算機監控模塊,如圖3所示.

1)機內測試模塊是在原陀螺地平儀的基礎上,選擇適當的測點,通過加裝傳感器和數據采集電路,并經一體化優化設計而成.該模塊的功能是將地平儀的關鍵工作參數進行采樣,并通過 AD轉換后送入單片機,以供機內故障診斷模塊分析.

2)機內故障診斷與指示模塊由單片機、數碼管以及相應的外圍電路組成,其功能是將測試數據進行故障診斷、降虛警等分析處理,最后將診斷結果通過數碼管實時顯示出來.

3)計算機監控模塊是針對機內測試與自診斷模塊存儲空間不足,故障理解不直觀等缺陷,專門開發的外部計算機軟件模塊.它通過 RS232數據接口與外部計算機相連.在外部計算機中進一步數據處理和故障分析以及降低虛警處理,然后通過可視化的圖形界面將故障準確定位至各電路模塊,并根據故障規則對所發生故障進行解釋和說明.

3.2 硬件設計與實現

自檢測系統的硬件主要包括:信號轉換電路、單片機、串口電路、數碼管等,其結構如圖4所示.其中單片機是自檢測系統的核心,其功能是實現 A/D轉換、數據采集、數據處理、故障判斷、數據輸出等功能.由于陀螺地平儀內部空間極為緊湊,同時考慮電路板上元件的散熱問題,單片機在硬件選型上需選用功能較強、尺寸小、高密度、發熱量小的元件,在電路設計上應力求簡潔.因此,選用了 ADUC812單片機[5].該單片機帶有嵌入式閃速 MCU和多通道 12位 A/D轉換器,體積小,功能較強,比較適合本自檢測系統設計.信號轉換電路的功能是將各參數測點的模擬電壓信號或數字電平信號進行轉換和調制,使之能夠滿足單片機各模擬端口和數字端口的輸入需求.譯碼電路及數碼管是將故障檢測結果通過不同的數字或字母符號在數碼管上顯示出來.串口電路主要將單片機檢測數據傳送到計算機.

3.3 自檢測系統軟件設計與實現

該自檢測系統軟件需要實現信號采集與處理、故障檢測與判斷、故障指示和數據發送等功能.根據該要求,利用匯編語言編程實現了自檢測系統,其軟件結構原理如圖5所示.

4 試驗驗證

該自檢測系統實現后,在實驗室內進行了試用與驗證.為驗證其故障檢測功能,采用故障模擬方式注入了故障.其中電源故障采用斷開或者拉偏方式注入,陀螺故障采用減少陀螺電源功率以減少轉速方式注入,同步器故障采用調整同步器電路方式注入.通過試驗,所有注入的陀螺地平儀故障均由自檢測系統正確檢測出,并在所設計的數碼管上以故障代碼方式正確顯示.

5 結束語

針對某陀螺地平儀由于測試接口不足導致的外部檢測困難,采用 ADUC812單片機等,設計了集成化、嵌入式的自檢測系統.該系統實現了與功能系統的一體化設計,通過嵌入在功能系統內部的軟硬件資源,可以實現陀螺地平儀的主要故障檢測.該系統在實際中進行了使用,結果表明工作穩定,使用簡便,檢測結果判讀直觀,具有一定的實際使用價值.

[1] 羅強.基于單片機的嵌入式工程開發詳解 [M].北京:電子工業出版社,2009.

[2] 王煜,SLEW W H.適用于嵌入式應用的高速信號采集電路 [J].測試技術學報,2005,19(4):372-376.

W ang Yu,Slew W H.A high speed signal acquisition circuit being used in built in system[J].Journal of Test and Measurement Technology,2005,19(4):372-376.(in Chinese)

[3] 劉燕,周國榮.基于嵌入式工程機械監控和故障診斷系統的設計[J].工業控制計算機,2008,21(8):34-36.

Liu Yan,Zhou Guorong.Monitor and fault diagnosis system based on embedded system[J].Industrial Control Computer,2008,21(8):34-36.(in Chinese)

[4] 洪光,李洪儒.嵌入式系統在軍用電子設備故障診斷中的應用[J].微計算機信息,2007,231(2):190-192.

Hong Guang,Li Hongru.A pp lication of embedded system in m ilitary electronic equipment fau lt diagnosis[J].Microcomputer Information,2007,231(2):190-192.(in Chinese)

[5] 陳琳,李冶,吳忠杰,等.基于 ADuc812單片機的智能傳感器模塊設計 [J].儀器儀表學報,2005,26(8):139-142.

Chen Lin,Li Ye,W u Zhong jie,et a l.The design o f smart transducer module based on ADuc812[J].Chinese J ournal of scientific Instrument,2005,26(8):139-142.(in Chinese)