基于嵌入式技術的火控系統故障檢測儀

魯吉林， 李衛士， 金曉輝， 張偉民

（1.陸軍工程兵軍代局， 北京 100093； 2.32184部隊， 江蘇 南京 210028）

引言

某型火箭掃雷車火控系統是該裝備的核心部件，其故障將直接影響裝備效能的發揮。該車火控系統的故障涉及到強電、機械和弱電控制等多個環節，故障原因復雜且影響嚴重。本文提出研制該型裝備的火控系統檢測儀，可對其火控系統進行故障在線檢測、診斷與定位，能夠有效地解決該裝備在使用維護中面臨的實際困難。

該部掃雷裝備火控系統檢測儀可用于：檢測、判斷該型火箭掃雷車發火系故障；指導維修人員進行故障排除；在作戰訓練過程中出現故障而不易修復的情況下，可代替火控系統發火器工作，是集檢測、診斷（專家系統）與代用于一體的多功能綜合檢測設備。

1 火控系統故障模式和特征參數研究

根據圖1，可以將發火器的故障歸類為線路故障和信號故障等兩大類。其中線路故障主要表面為斷路、短路、搭鐵和接觸不良（松脫、臟污、碳化等），而信號故障則表現為電壓過低、功率不足、通道信號間隔過小、間隔不勻、信號次序混亂等現象。因此，我們選擇了點火信號的功率、信號脈沖寬、信號時序、各通道信號間隔、和觸發信號的上升斜率等5個參數做為檢測參數，并確定了存在故障的部位分布于蓄電池、電磁機構、配電裝置、航空插頭、發射插座、發射按鈕、傳輸電纜等處。

圖1 火控系統工作原理圖

2 檢測儀功能與組成

該火控系統檢測儀主要用于對GSL110A型火箭掃雷車點火器性能進行評估，必要時可以代用發火器進行火箭發射。它提供簡易模式和專家模式兩種工作方式，既可以方便地進行現場發射模擬檢測，也可以實時傳輸發火器工作信號，通過圖形界面的專家系統全面直觀地反映發火器的工作狀況，對發火器性能進行準確評價。

檢測儀為嵌入式系統[1-2]，由基于多微處理器的硬件系統和基于專家系統的軟件系統組成。硬件由微處理器、輸入/輸出設備、顯示設備、存儲設備組成基本的智能處理系統，通道選擇陣列和顯示陣列與具體的發射通道相對應，用于信息的復合顯示。輸出陣列用于代用輸出。功率檢測陣列用于檢測各通道的功率輸出功能，內部顯示陣列用于本系統的內部診斷，與實際輸入信號對應。軟件系統內置了專家系統，以實現系統代用、系統診斷和排障向導。檢測儀的總體結構如下頁圖2所示。

3 檢測儀的硬件設計

3.1 嵌入式主控制電路設計[3-4]

主控制電路由2片STC12C5A60S2單片機、128 KB外部擴展RAM、LCD顯示器、導航按鍵（用戶指令輸入鍵盤）等組成。STC12C5A60S2是宏晶電子的新一代1T單片機，指令速度可達35 MHz，相當于普通12周期單片機的420 MHz的處理能力，含有最多44個IO通道、2路PWM、2個串行口和8路10位AD轉換通道，AD轉換速度可達250 KPS，還具有內部EEPROM。考慮到本系統的實際資源需要，采用了2片單片機用串行口實現數據高速交換。系統外擴了128 KB RAM用于存放大量的采樣數據。系統采用7寸真彩液晶屏進行高親和力界面顯示。

圖2 火控系統故障檢測儀組成

3.2 發火信號采樣電路

圖3 是通道0和通道1的信號采集與功率輸出電路。數據采樣電路由功率檢測電路、內部通道指示電路和單片機內部的AD采樣功能共同構成。功率檢測電路提供47Ω1 W的負載電阻，如圖3中的R230和R231，發火器的點火信號通過適配器電纜接AD0和AD1端口，在R230的R231功率電阻上產生壓降，完成電壓變換功能。此電壓信號通過R220和R221分別輸入到IO0、IO1等，最后送入嵌入式微控制器內置AD中，微控制器就可得到能反映發火器系統的負載條件下的實際情況的狀態信號，并對其進行高速采樣。內部通道指示電路實時地顯示外部信號的輸入情況，便于檢測儀的系統維護。其它8個通道的電路原理與圖3相同。

圖3 信號采樣與功率輸出電路

3.3 代用輸出電路

代用輸出電路由通道選擇陣列、功率輸出陣列和單向輸出陣列組成。通道選擇與具體的發射通道相對應，用戶可以選擇相應的發射通道。功率輸出陣列由MC33286、D201及外圍電路組成（見圖3）。考慮到火箭發射是一個瞬態大功率的過程，因此代用采用功能通過6 A的寬電壓芯片MC33286實現。它是一種車用雙邊功率開關，可以直接與微控制器連接，控制由蓄電池提供的大功率點火電流信號。與機械式繼電器相比，具有可靠性高、保護性好和自診斷能力強等特點，能反饋自身各通道的狀態，滿足火箭發射的安全需要。單向輸出陣列實現了檢測與代用信號的隔離，既保護了MC33286芯片，又實現了端子的利用，縮小了系統體積。圖3中的二極管D201和D200完成單向輸出和保護的功能。

4 系統軟件設計

4.1 軟件系統功能

1）安全可靠的數據通信。即能夠正確地接收檢測儀發送的各種數據，并能準確地向檢測儀發送各種命令。

2）基于發火原理的分析算法。能夠對傳送來的反映發火器工作情況的數據進行合理分析，得出指導性的結論。

3）基于數據庫的向導。在發火器工作出現異常時，能夠對出現的異常情況做出合理判斷，并給出指導性的操作方向。

4）實時的信息顯示。能夠正常反映通信情況，便于檢測人員正確判斷。

5）單通道詳細信息統計。能夠顯示單通道波形，給出發射信號起始時刻、發射信號終止時刻、發射脈沖個數、發射信號寬度、主信號寬度、上通道發射結束時刻、與上通道發射間隔、下通道發射結束時刻、與下通道發射間隔、同時發射的通道數目等10個參數的統計信息，便于檢測人員做出正確判斷。

6）全通道波形顯示。將10個通道的波形顯示在同一坐標下，容易理清它們間的相互關系。

4.2 軟件設計方案

按照軟件功能要求，設計系統軟件結構，如下頁圖4所示。

系統實現了2種工作模式（即簡易模式和專家模式）下的工作，在簡易模式下，實現簡單的系統檢測和系統代用，在專家模式下，實現了系統檢測、系統代用、排障向導和參數管理四個功能[5]。系統檢測實現了對通道數據的實時采樣并進行深層次分析，提供各通道的信號參數和通道間關系。系統代用則依據操作者的實際選擇通道完成系統的臨時發射代用工作。在系統檢測完成后，如果發現系統工作不正常，可以在排障向導的指引下一步步完成故障的最后定位，幾乎可以定位到元件級。參數管理用于對系統進行必要的參數設置，如各種檢測參數、代用參數、通信波特率等。

圖4 軟件系統結構圖

4.3 系統檢測

系統檢測功能是一個基礎功能，不僅在簡易模式和專家模式中的系統檢測中需要使用，在專家模式中的排障向導中，也需要調用其核心模塊[6]。

系統檢測的流程框圖如圖5所示。它實現了系統的定時循環采樣，并依據不同的工作模式實現了不同的數據處理方案[7]。從圖中可以看出，該功能共分檢測準備、檢測過程和檢測分析三個階段。在檢測準備階段，主要完成系統使用提示、狀態選擇按鈕位置是否正確以及開始按鍵是否正確按下三項工作。在檢測過程中，系統采用定時模式即在設定的時間內高速采集各通道信號并進行臨時分析，當所采樣的通道滿足電壓條件時即使對應的指示燈工作。檢測分析階段主要對所采集的數據進行處理，選擇電壓、脈沖寬度、上升斜率、通道間隔和通道順序5個參數作為對通道發射信號質量進行綜合評價依據。

圖5 系統檢測流程圖

4.4 系統代用

主要用于火控系統的臨時代用，根據操作者所選擇的通道依次發射出對應的火箭。其流程也分為三個階段：發射準備、發射和發射結束。

發射準備階段主要完成選擇開關檢測和開始按鈕是否按下。在發射按鈕按下前，系統檢測操作者所選擇的通道并點亮對應的通道指示燈。按下開始按鈕后，轉入發射階段。在該階段，首先獲取用戶選擇的全部通道，然后按序號進行發射并依次熄滅對應通道指示燈。所有選擇的通道發射完畢后，系統轉入發射結束狀態，在該狀態，系統等待用戶操作，如在設定時間內無操作（簡易模式），系統轉入下一輪發射。

5 結論

本文所設計的故障檢測儀，整體布局設計協調、外形美觀大方、設備安裝牢固，面板與操作器件直觀易懂，堅固耐用，美觀大方。系統的成功開發大大減輕了該型車火控系統的維護工作量，使檢測過程快速有效。同時，它能夠全面把握發火器性能，使火箭因發火器性能問題而導致發射失敗甚至出現危險的幾率降至最低。綜合其研制試用過程，此系統著眼于使用對象，突出了產品的智能性與實用性，具有很好的實用價值和推廣應用前景。

5.1 雙CPU協同技術

系統采用了2個CPU進行協同工作，一個為主CPU，完成系統顯示，狀態轉換等與操作者交互的主要工作，一個為從CPU，完成主CPU賦予的具體任務，如檢測信號、顯示通道指示燈、完成火箭發射等。2個CPU間采用串行方式進行信息交互。

5.2 系統檢測技術

通過對發火器工作原理的深入分析，將其工作波形分成電壓、脈寬、時序、上升斜率、通道間隔五個參量，并編制成算法對這五個參量進行分析，以協助檢測人員判斷，用戶也可以選取詳細信息以獲得波形和額外的統計信息。

5.3 故障排除技術

故障診斷是一項復雜的技術。本系統以5個通道參量為指標實現了對故障的全面評估和定位，以經典的逐次排除法為主，引入直接定位法和差異法大幅度提高排障效率。

逐次排除法即經典的故障樹法，建立在對系統詳盡分析的基礎上。本系統一共提取了7個故障源。各個故障源之間必須有明確的界定依據，界定依據的確立是其中的關鍵。

系統引入了直接定位法，即根據現象直接發現問題的所在。例如對通道順序的判斷可以直接將故障定位于接線端子錯誤等。

差異法是根據通道的個性與共性共同裁決以找到直接可靠的界定依據。由于系統有10個通道，這些通道具有共性，也具有個性。若某個指標均為異常，則該故障現象一定是由于一些共同的決定因素引起。如假定所有通道的電壓均低于指標，則一定是由于蓄電池或主傳輸電纜故障引起。

5.4 狀態機編程技術

由于系統涉及的狀態繁多，狀態轉換條件復雜，采用常規的面向過程編程容易產生邏輯錯誤，降低系統的可靠性。為此，在設計時引入了較新的狀態機編程技術，嚴格地分離了狀態轉移條件和具體的系統功能，極大地提高了系統自身的可靠性。

5.5 自我檢測技術

采用CRC算法對程序自身的完整性進行檢驗。

5.6 安全的火箭發射指令

一是負邏輯觸發，解決系統復位時的短時高電平問題。二是設置函數入口指令，非正常進入函數則拒絕執行發射程序。三是短暫狀態保持，即發射指令滿足標準后即變成低電平，以避免發射失敗后處理時的意外。

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