關鍵詞：故障診斷；PC/104；數據采集
1 引 言
某型導彈舵機系統(tǒng)是在導彈飛行過程主動段的執(zhí)行機構，當導彈在主動段飛行時，在控制系統(tǒng)的控制下，舵機帶動燃氣舵偏轉，改變主發(fā)動機噴出的燃氣偏轉方向，產生控制力矩，控制導彈按照預訂的彈道飛行。該舵機為電動液壓式舵機，是集精密機械、電子、液壓、自動控制等技術于一體的復雜設備，其輸入的信號有俯仰、偏航和滾動控制信號，由于其復雜的邏輯控制電路，信號交叉?zhèn)鬏?，轉換節(jié)點繁雜，加上設備經常處于運輸顛簸野戰(zhàn)狀態(tài)，工作環(huán)境惡劣，因而設備較容易出現各種故障。目前常用的舵機檢測手段都是傳統(tǒng)的手動方式對舵機的基本狀態(tài)參數進行檢測，由于檢測儀通常采用性能單一的電路結構，功能單一，通用性差，操作繁瑣，易人為出錯，而且檢測項目十分有限，也不具備故障診斷功能，難以滿足戰(zhàn)場快速檢測和維修的需求，要完成此項工作通常還需配備其他的檢測儀器，如示波器等設備。為此，設計開發(fā)一種小型、通用和智能的，能對舵機系統(tǒng)進行全面故障檢測與診斷，適合野外條件下使用的測試儀具有十分重要的意義。
該系統(tǒng)采用嵌入式計算機PC/104，PC/104與PC/AT體系結構完全兼容，大小只有90mm×96mm,但它幾乎集成了普通臺式PC機的所有功能，并與之兼容，因此在PC機上開發(fā)的程序可以直接在PC/104 CPU模塊上運行，與單片機系統(tǒng)相比省去了專用的開發(fā)工具，而且維護方便。PC/104采用模塊化設計，硬件電路設計簡單，減少了開發(fā)周期。因此在本系統(tǒng)中我們采用嵌入式計算機PC/104，與普通的工業(yè)控制機相比，PC/104具有如下特點[1]：
● PC/104模塊與PC機軟、硬件完全兼容，可以利用現有的較豐富和成熟的硬件、軟件開發(fā)工具及方法、設計知識等資源，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)級的性能，芯片級的大小。
● 模塊之間采用獨特的縱向層疊或側向接插的結合方式，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，設計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。
● 大多數模塊采用單+5V電源，降低了系統(tǒng)對電源的要求。
2故障診斷測試儀實現功能
該測試儀具有以下功能：
（1）測試功能
可對舵機系統(tǒng)的性能進行綜合測試，測試內容包括綜合測試、單項測試內容?？筛鶕枰M行連續(xù)測試或單步測試；對測試結果可進行自動診斷判別；對測試數據可顯示、打印記錄，或存入數據庫以便對舵機系統(tǒng)進行質量監(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
設備具有良好的開發(fā)功能，經開發(fā)可完成對通用舵機系統(tǒng)的性能測試。
3 系統(tǒng)硬件設計
3．1硬件框圖[4]，如圖1所：
圖1 系統(tǒng)硬件組成原理框圖
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；兩個串口，波特率可由軟件控制，其中COM2可設置為RS-485方式；一個并口；硬件平臺關鍵是PC/104總線的擴展，通過數據緩沖和相應的邏輯控制，擴展出符合PC/AT協議的PC/10總線，它是擴展其他外設的基礎。系統(tǒng)在PC/10總線基礎上擴展了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16位、最大10MHz的定時/計數器；信號條理部分主要是將待測試信號變換成適合ADT600采集的信號[2]。
3．1．1 定時/計數器的配置
系統(tǒng)要求輸出頻率為5～13Hz的信號，則周期為200ms到80ms左右，如果采取1ms定時進行D/A轉換的辦法，最小的一個周期輸出80個點，經過實際測試，能夠滿足測試對象對模擬激勵信號的要求；另外在采集測試對象執(zhí)行機構的控制信號時采用1ms定時采集的辦法，也能滿足最后數據判斷的要求，因此定時器定時時間為1ms（即定時器的輸出時鐘為1KHz）。
3．1．2 D/A模塊
在本設計中，我們選擇SBS公司的SysExpanModule/ADT600數模轉模塊[2]。它是一種雙12位電流輸出的DACS（數據收集與控制系統(tǒng)），具有以下特點：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。它可以和大多數的微處理器配合使用，能夠兼容TTL、CMOS電平。通過獨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。其內部主要包括三個部分：控制邏輯電路、A路數模轉換電路和B路數模轉換電路。其中邏輯控制電路通過簡單的三個控制信號：CSA，CSB及WR來選擇相應的模數轉換器，同時鎖存需要轉換的數據。A路數模轉換電路的基本控制原理為：通過CSA與WR控制信號，將12位的轉換數據一次鎖存入A路轉換電路的數據寄存器中，A路轉換電路開始進行數模轉換，將轉換后的模擬量輸出。B路轉換電路的控制原理與A路類似。
3．1．3 A/D模塊
A/D模塊將舵機測試儀檢測裝置輸出的反饋信號轉化為數字量以便于計算機進行處理。系統(tǒng)的控制精度在很大程度上取決于檢測反饋裝置的精度。根據檢測的反饋參數和系統(tǒng)性能指標要求，本設計中采用SBS公司的SysExpanModule/ADT600模數轉換模塊[2]。它是一個12位逐次逼近型快速A/D轉換器，轉換速度最大為15微秒。ADT600片內配有三態(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、偏航和滾動控制信號測試
舵機測試中的最重要內容就是看執(zhí)行俯仰、偏航和滾動控制信號測試的結果是否與理論的控制結果一致。導彈在主動段飛行過程中執(zhí)行俯仰、偏航和滾動修正的是通過兩對電動機的控制開關來改變姿態(tài)控制發(fā)動機的噴出燃氣方向，所以該系統(tǒng)就必須采集4路電機開關的控制信號。ADT600集成了uPD71055可編程外圍接口，用PA0~3來采集電動機的開關信號，采用1ms中斷采集一次信號，最后將采集的控制信號與標準的控制信號進行比較，找出在切換時是否存在超前或滯后問題，以此來決定舵機性能的好壞。
3．1．5 RS-485通信
本測試系統(tǒng)要與測試對象進行通信，為保證數據傳輸的可靠性，我們采用RS-485通信。系統(tǒng)在設計中采用兩個串口COM1、COM2，其中COM2可通過跳線設置為RS485方式[3]，其應用電路如圖2所示。
圖2 485通訊等效電路
4 系統(tǒng)軟件設計
系統(tǒng)測控軟件完成下述功能：
（1）控制測試系統(tǒng)進行自檢和故障診斷；
（2）控制數字I/O卡、A/D采樣卡等進行數據采集；
（3）輸出供測試用的控制信號、時鐘信號、模擬信號；
（4）對舵機系統(tǒng)進行測試，并對測試結果進行分析判定，將測試數據與判定結果寫入測試表格或數據文件中，同時在屏幕上顯示；
（5）故障診斷
由于舵機系統(tǒng)的復雜性以及修理人員對其認識有限，性能檢測完畢，修理人員也很難確定故障部位。為此特別增加了此項功能，充分利用自檢的信息，準確地提示故障部位，將故障部位縮小到板級甚至主要元器件上，為用戶提供了極大便利。
（6）提供打印、瀏覽測試文件功能，以便測試結果可永久保存和隨時查閱。
系統(tǒng)測控軟件是在Windows98環(huán)境下運行由Borland C++ Builder6.0語言編寫，測控軟件由主菜單程序、自檢程序和測試應用程序組成。該軟件采用模塊化結構，各程序塊之間相互獨立、自成系統(tǒng)。其軟件模塊組成如圖2所示。
圖3 系統(tǒng)軟件模塊組成
單項測試、綜合測試管理模塊主要負責對智能數據采集卡和通用信號測試卡（板）等控制使用管理，用來測試舵機的各種性能指標參數、波形及時序，并實現對測試信號的記憶和分析。
診斷信息獲取管理模塊由數據采集，征兆數據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的信息，如自動獲取、交互獲取等。有些信息可通過自動測試平臺自動獲取，而另一些難于獲得或需經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。它根據獲得的故障信息首先進行框架推理，啟動故障征兆對應的框架，然后啟動相應的故障搜索樹模型框架，進而進行規(guī)則推理，直至將故障定位到可更換的單元。
數據庫管理模塊主要是將每次故障診斷與維修的結論生成維修情況報告表，如果故障征兆數據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據庫。
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計的重點。進行軟件控制的方式好處是易于修改，出現問題后易于發(fā)現與解決，從而具有較高的應用前景。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)境下運行由Borland C++ Builder6.0語言編寫源程序的主要部分：
以其中舵機安控特性測試為例，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",FourAngel);
RichEdit1->Lines->Add(buf);
if(DJNumber>4)
{
sprintf(buf,"5舵: %7.3f deg",FiveAngel);
RichEdit1->Lines->Add(buf);
sprintf(buf,"6舵: %7.3f deg",SixAngel);
RichEdit1->Lines->Add(buf);
}
Test->Enabled=true;
}
//-----------------------------------------------------------------------
軟件的實現界面如圖5所示：
圖5 軟件實現界面
5 結束語
本文作者創(chuàng)新點：首先、成功采用了嵌入式計算機PC/104設計故障診斷測試儀，系統(tǒng)結構小巧緊湊，性能穩(wěn)定可靠，控制簡單高效，人機界面友好；其次、設備的模塊化特點可以實現快速故障檢測和診斷功能；第三、開放式設計可以具有良好的通用性和擴展性，能方便地推廣到其他舵機上使用。
參考文獻：
[1] SCM-SPPERPT2 技術手冊[M] SBS科技 http//:www.sbs.com.cn
[2] SysExpanModule/ADT600 技術手冊[M] SBS科技 http//:www.sbs.com.cn
[3] 鄭辛等.平臺慣導系統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)研究[J] 北京：戰(zhàn)術導彈技術，2003，No1:20-24
[4] 夏萬林、李擎等.基于嵌入式計算機PC/104的某火箭彈自動測試儀[J] 北京：微計算機信息，2006，No2: 109-110
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