1、 引 言

某型導(dǎo)彈舵機(jī)系統(tǒng)是在導(dǎo)彈飛行過程主動(dòng)段的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，當(dāng)導(dǎo)彈在主動(dòng)段飛行時(shí)，在控制系統(tǒng)的控制下，舵機(jī)帶動(dòng)燃?xì)舛嫫D(zhuǎn)，改變主發(fā)動(dòng)機(jī)噴出的燃?xì)馄D(zhuǎn)方向，產(chǎn)生控制力矩，控制導(dǎo)彈按照預(yù)訂的彈道飛行。該舵機(jī)為電動(dòng)液壓式舵機(jī)，是集精密機(jī)械、電子、液壓、自動(dòng)控制等技術(shù)于一體的復(fù)雜設(shè)備，其輸入的信號(hào)有俯仰、偏航和滾動(dòng)控制信號(hào)，由于其復(fù)雜的邏輯控制電路，信號(hào)交叉?zhèn)鬏敚D(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)繁雜，加上設(shè)備經(jīng)常處于運(yùn)輸顛簸野戰(zhàn)狀態(tài)，工作環(huán)境惡劣，因而設(shè)備較容易出現(xiàn)各種故障。目前常用的舵機(jī)檢測(cè)手段都是傳統(tǒng)的手動(dòng)方式對(duì)舵機(jī)的基本狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，由于檢測(cè)儀通常采用性能單一的電路結(jié)構(gòu)，功能單一，通用性差，操作繁瑣，易人為出錯(cuò)，而且檢測(cè)項(xiàng)目十分有限，也不具備故障診斷功能，難以滿足戰(zhàn)場(chǎng)快速檢測(cè)和維修的需求，要完成此項(xiàng)工作通常還需配備其他的檢測(cè)儀器，如示波器等設(shè)備。為此，設(shè)計(jì)開發(fā)一種小型、通用和智能的，能對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行全面故障檢測(cè)與診斷，適合野外條件下使用的測(cè)試儀具有十分重要的意義。

該系統(tǒng)采用嵌入式計(jì)算機(jī)PC/104，PC/104與PC/AT體系結(jié)構(gòu)完全兼容，大小只有90mm×96mm，但它幾乎集成了普通臺(tái)式PC機(jī)的所有功能，并與之兼容，因此在PC機(jī)上開發(fā)的程序可以直接在PC/104 CPU模塊上運(yùn)行，與單片機(jī)系統(tǒng)相比省去了專用的開發(fā)工具，而且維護(hù)方便。PC/104采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，減少了開發(fā)周期。因此在本系統(tǒng)中我們采用嵌入式計(jì)算機(jī)PC/104，與普通的工業(yè)控制機(jī)相比，PC/104具有如下特點(diǎn)：

● PC/104模塊與PC機(jī)軟、硬件完全兼容，可以利用現(xiàn)有的較豐富和成熟的硬件、軟件開發(fā)工具及方法、設(shè)計(jì)知識(shí)等資源，開發(fā)周期短，成本低。

● PC/104模塊體積小，功耗低，無需散熱，可層疊，具有系統(tǒng)級(jí)的性能，芯片級(jí)的大小。

● 模塊之間采用獨(dú)特的縱向?qū)盈B或側(cè)向接插的結(jié)合方式，模塊層疊后四角還有支柱和螺釘固定，可靠性高，配置靈活方便，便于故障的排除和修理。

● 外圍模塊齊全，用戶可以選擇各種不同的功能模塊，設(shè)計(jì)滿足不同需要的專用系統(tǒng)。

● 工作溫度范圍寬，一般在0～70度。

● 大多數(shù)模塊采用單+5V電源，降低了系統(tǒng)對(duì)電源的要求。

2、故障診斷測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)功能

該測(cè)試儀具有以下功能：

（1）測(cè)試功能

可對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)的性能進(jìn)行綜合測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括綜合測(cè)試、單項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容?？筛鶕?jù)需要進(jìn)行連續(xù)測(cè)試或單步測(cè)試；對(duì)測(cè)試結(jié)果可進(jìn)行自動(dòng)診斷判別；對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)可顯示、打印記錄，或存入數(shù)據(jù)庫以便對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控。

（2）自檢功能

系統(tǒng)具有自檢功能，自檢范圍覆蓋全部測(cè)試通道。

（3）自診斷功能

系統(tǒng)具有自診斷功能，主要故障可判斷到電路單板。

（4）開發(fā)功能

設(shè)備具有良好的開發(fā)功能，經(jīng)開發(fā)可完成對(duì)通用舵機(jī)系統(tǒng)的性能測(cè)試。

3、 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3．1硬件框圖，如圖1所：

系統(tǒng)核心模塊采用SBS公司的SCM/SuperPT2，它采用Geode? MMX? with I/O Companion CX5530A?的CPU，16 KB L1反寫緩存；兩個(gè)串口，波特率可由軟件控制，其中COM2可設(shè)置為RS-485方式；一個(gè)并口；硬件平臺(tái)關(guān)鍵是PC/104總線的擴(kuò)展，通過數(shù)據(jù)緩沖和相應(yīng)的邏輯控制，擴(kuò)展出符合PC/AT協(xié)議的PC/10總線，它是擴(kuò)展其他外設(shè)的基礎(chǔ)。系統(tǒng)在PC/10總線基礎(chǔ)上擴(kuò)展了2M Flash、鍵盤接口、并口、顯示屏和通用串行碼采集接口。采集模塊選用SBS公司的SysExpanModule/ADT600，此模塊具有12位的分辨率，最大100KHz的采樣率，模擬輸入共有16通道，最大±10V輸入；4通道模擬輸出；24通道TTL/CMOS兼容I/O；3個(gè)16位、最大10MHz的定時(shí)/計(jì)數(shù)器；信號(hào)條理部分主要是將待測(cè)試信號(hào)變換成適合ADT600采集的信號(hào)［2］。

3．1．1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器的配置

系統(tǒng)要求輸出頻率為5～13Hz的信號(hào)，則周期為200ms到80ms左右，如果采取1ms定時(shí)進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的辦法，最小的一個(gè)周期輸出80個(gè)點(diǎn)，經(jīng)過實(shí)際測(cè)試，能夠滿足測(cè)試對(duì)象對(duì)模擬激勵(lì)信號(hào)的要求；另外在采集測(cè)試對(duì)象執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制信號(hào)時(shí)采用1ms定時(shí)采集的辦法，也能滿足最后數(shù)據(jù)判斷的要求，因此定時(shí)器定時(shí)時(shí)間為1ms（即定時(shí)器的輸出時(shí)鐘為1KHz）。

3．1．2 D/A模塊

在本設(shè)計(jì)中，我們選擇SBS公司的SysExpanModule/ADT600數(shù)模轉(zhuǎn)模塊［2］。它是一種雙12位電流輸出的DACS（數(shù)據(jù)收集與控制系統(tǒng)），具有以下特點(diǎn)：較寬的工作電壓（12V～15V）；抗電源電壓干擾性能好；緊湊的封裝形式；低增益誤差。它可以和大多數(shù)的微處理器配合使用，能夠兼容TTL、CMOS電平。通過獨(dú)立的參考電壓和反饋電阻，還能夠提供四象限的乘法器功能。其內(nèi)部主要包括三個(gè)部分：控制邏輯電路、A路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路和B路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。其中邏輯控制電路通過簡(jiǎn)單的三個(gè)控制信號(hào)：CSA，CSB及WR來選擇相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時(shí)鎖存需要轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)。A路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的基本控制原理為：通過CSA與WR控制信號(hào)，將12位的轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)一次鎖存入A路轉(zhuǎn)換電路的數(shù)據(jù)寄存器中，A路轉(zhuǎn)換電路開始進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的模擬量輸出。B路轉(zhuǎn)換電路的控制原理與A路類似。

3．1．3 A/D模塊

A/D模塊將舵機(jī)測(cè)試儀檢測(cè)裝置輸出的反饋信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量以便于計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。系統(tǒng)的控制精度在很大程度上取決于檢測(cè)反饋裝置的精度。根據(jù)檢測(cè)的反饋參數(shù)和系統(tǒng)性能指標(biāo)要求，本設(shè)計(jì)中采用SBS公司的SysExpanModule/ADT600模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊［2］。它是一個(gè)12位逐次逼近型快速A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度最大為15微秒。ADT600片內(nèi)配有三態(tài)輸出緩沖器電路，因而可以直接與各種典型的8位或16位處理器相連，而無須附加邏輯接口電路，且能與CMOS及TTL電平兼容。

3．1．4 俯仰、偏航和滾動(dòng)控制信號(hào)測(cè)試

舵機(jī)測(cè)試中的最重要內(nèi)容就是看執(zhí)行俯仰、偏航和滾動(dòng)控制信號(hào)測(cè)試的結(jié)果是否與理論的控制結(jié)果一致。導(dǎo)彈在主動(dòng)段飛行過程中執(zhí)行俯仰、偏航和滾動(dòng)修正的是通過兩對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制開關(guān)來改變姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的噴出燃?xì)夥较?，所以該系統(tǒng)就必須采集4路電機(jī)開關(guān)的控制信號(hào)。ADT600集成了uPD71055可編程外圍接口，用PA0~3來采集電動(dòng)機(jī)的開關(guān)信號(hào)，采用1ms中斷采集一次信號(hào)，最后將采集的控制信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)的控制信號(hào)進(jìn)行比較，找出在切換時(shí)是否存在超前或滯后問題，以此來決定舵機(jī)性能的好壞。

3．1．5 RS-485通信

本測(cè)試系統(tǒng)要與測(cè)試對(duì)象進(jìn)行通信，為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，我們采用RS-485通信。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中采用兩個(gè)串口COM1、COM2，其中COM2可通過跳線設(shè)置為RS485方式［3］，其應(yīng)用電路如圖2所示。

4、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測(cè)控軟件完成下述功能：

（1）控制測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行自檢和故障診斷；

（2）控制數(shù)字I/O卡、A/D采樣卡等進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

（3）輸出供測(cè)試用的控制信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)、模擬信號(hào)；

（4）對(duì)舵機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析判定，將測(cè)試數(shù)據(jù)與判定結(jié)果寫入測(cè)試表格或數(shù)據(jù)文件中，同時(shí)在屏幕上顯示；

（5）故障診斷

由于舵機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜性以及修理人員對(duì)其認(rèn)識(shí)有限，性能檢測(cè)完畢，修理人員也很難確定故障部位。為此特別增加了此項(xiàng)功能，充分利用自檢的信息，準(zhǔn)確地提示故障部位，將故障部位縮小到板級(jí)甚至主要元器件上，為用戶提供了極大便利。

（6）提供打印、瀏覽測(cè)試文件功能，以便測(cè)試結(jié)果可永久保存和隨時(shí)查閱。

系統(tǒng)測(cè)控軟件是在Windows98環(huán)境下運(yùn)行由Borland C++ Builder6.0語言編寫，測(cè)控軟件由主菜單程序、自檢程序和測(cè)試應(yīng)用程序組成。該軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，各程序塊之間相互獨(dú)立、自成系統(tǒng)。其軟件模塊組成如圖2所示。

單項(xiàng)測(cè)試、綜合測(cè)試管理模塊主要負(fù)責(zé)對(duì)智能數(shù)據(jù)采集卡和通用信號(hào)測(cè)試卡（板）等控制使用管理，用來測(cè)試舵機(jī)的各種性能指標(biāo)參數(shù)、波形及時(shí)序，并實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試信號(hào)的記憶和分析。

診斷信息獲取管理模塊由數(shù)據(jù)采集，征兆數(shù)據(jù)庫和交互獲取三部分組成，它通過各種方式獲取與診斷推理有關(guān)的信息，如自動(dòng)獲取、交互獲取等。有些信息可通過自動(dòng)測(cè)試平臺(tái)自動(dòng)獲取，而另一些難于獲得或需經(jīng)過專家分析后才能獲得的信息則必須通過交互方式得到［4］。

故障診斷模塊由框架推理、模型推理和規(guī)則推理三部分組成。它根據(jù)獲得的故障信息首先進(jìn)行框架推理，啟動(dòng)故障征兆對(duì)應(yīng)的框架，然后啟動(dòng)相應(yīng)的故障搜索樹模型框架，進(jìn)而進(jìn)行規(guī)則推理，直至將故障定位到可更換的單元。

數(shù)據(jù)庫管理模塊主要是將每次故障診斷與維修的結(jié)論生成維修情況報(bào)告表，如果故障征兆數(shù)據(jù)庫中沒有本次故障征兆，則將本次故障作為事例存入事例數(shù)據(jù)庫。

由于系統(tǒng)采用的是主要由軟件來控制的方式，因此這部分是此次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。進(jìn)行軟件控制的方式好處是易于修改，出現(xiàn)問題后易于發(fā)現(xiàn)與解決，從而具有較高的應(yīng)用前景。系統(tǒng)的軟件流程如圖4 所示。

4 、程序流程圖

以下是Windows98環(huán)境下運(yùn)行由Borland C++ Builder6.0語言編寫源程序的主要部分：

以其中舵機(jī)安控特性測(cè)試為例，主要程序如下：

//-----------------------------------------------------------------------

void __fastcall TAnkong：：TestClick（TObject *Sender）

{

char buf［20］;

Test-》Enabled=false;

RichEdit1-》Clear（）;

this-》Refresh（）;

Ankongtest（）;*--------安控特性測(cè)試-------*/

sprintf（buf，“1舵： %7.3f deg”，OneAngel）;

RichEdit1-》Lines-》Add（buf）;

sprintf（buf，“2舵： %7.3f deg”，TwoAngel）;

RichEdit1-》Lines-》Add（buf）;

sprintf（buf，“3舵： %7.3f deg”，ThreeAngel）;

RichEdit1-》Lines-》Add（buf）;

sprintf（buf，“4舵： %7.3f deg”，F(xiàn)ourAngel）;

RichEdit1-》Lines-》Add（buf）;

if（DJNumber》4）

{

sprintf（buf，“5舵： %7.3f deg”，F(xiàn)iveAngel）;

RichEdit1-》Lines-》Add（buf）;

sprintf（buf，“6舵： %7.3f deg”，SixAngel）;

RichEdit1-》Lines-》Add（buf）;

}

Test-》Enabled=true;

}

//-----------------------------------------------------------------------

軟件的實(shí)現(xiàn)界面如圖5所示：

5、 結(jié)束語

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：首先、成功采用了嵌入式計(jì)算機(jī)PC/104設(shè)計(jì)故障診斷測(cè)試儀，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小巧緊湊，性能穩(wěn)定可靠，控制簡(jiǎn)單高效，人機(jī)界面友好；其次、設(shè)備的模塊化特點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)快速故障檢測(cè)和診斷功能；第三、開放式設(shè)計(jì)可以具有良好的通用性和擴(kuò)展性，能方便地推廣到其他舵機(jī)上使用。

責(zé)任編輯：gt