基于嵌入式技術的火箭掃雷車發火系統檢測儀設計

張 宏， 公丕平， 趙立強， 楊小強

（1.陸軍工程大學， 江蘇 南京 210007； 2.空軍第四飛行學院， 河北 石家莊 050071）

引言

布掃雷裝備是我軍主要的保障裝備之一，在渡海登島作戰和現代化局部戰爭等作戰行動中起著重要的作用。對布掃雷裝備各個關鍵系統或部件的故障檢測、現場搶修和緊急代用是提高布掃雷裝備的作戰保障能力的重要環節。某型火箭掃雷車發火系統是該裝備的核心部件，其故障將直接導致裝備效能的發揮。該車發火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，而其故障憑經驗難以發現，發現故障后也不易維修，本文研制的發火系統檢測儀可以有效地解決上述難題。

該發火系統檢測儀是一個檢測、判斷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，可代替發火器工作的檢測、診斷（專家系統）與代用于一體的多功能綜合檢測設備。

1 發火系統故障模式和特征參數研究

根據發火系統的工作原理，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，并確定了故障存在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。

2 檢測儀功能與組成

該發火系統檢測儀主要用于對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。該檢測儀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圖1所示。

圖1 發火系統故障檢測儀組成

3 檢測儀的硬件設計

3.1 嵌入式主控制電路設計

主控制電路由2片STC12C5A60S2單片機、128KB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 kbit/s，還具有內部EEPROM?？紤]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寸真彩液晶屏界面顯示[3-4]。

3.2 發火信號采樣電路

圖2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2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。其他8個通道的電路原理與圖2相同。

圖2 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2）?？紤]到火箭發射是一個瞬態大功率的過程，因此采用功能通過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2中的二極管D201和D200完成單向輸出和保護的功能。

3.4 通道顯示電路

通道顯示電路與具體通道相對應，在代用的通道選擇階段用于顯示操作人員所選擇的通道，在發射階段顯示具體通道發射的完成，在檢測時用于顯示對應的通道是否有電壓存在。考慮到實際使用情況，在顯示中采取了高亮發光二極管以便于能在強光或暗光下作業。發光二極管的驅動由達林頓陣列芯片驅動，保證了顯示的穩定與可靠性。

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中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3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3 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4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，該功能共分三個階段：檢測準備、檢測過程和檢測分析。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。在檢測過程階段，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。檢測分析階段主要是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個參數作為依據對通道發射信號質量進行綜合評價。

4.4 系統代用

主要用于發火系統的臨時代用，根據操作者所選擇的通道依次發射出對應的火箭，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的通道指示燈。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，系統等待用戶的操作，如在設定的時間內無操作（簡易模式），系統轉入下一輪發射。

圖4 系統檢測流程圖

5 結語

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發火系統的維護工作量，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情況降至最低。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。