關鍵詞：故障診斷；PC/104；數(shù)據(jù)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(zhuǎn)，改變主發(fā)動機噴出的燃氣偏轉(zhuǎn)方向，產(chǎn)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)鬏敚D(zhuǎn)換節(jié)點繁雜，加上設備經(jīng)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(xiàn)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(shù)進行檢測，由于檢測儀通常采用性能單一的電路結(jié)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(jié)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(xiàn)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?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(shù)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(xiàn)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(nèi)容包括綜合測試、單項測試內(nèi)容?？筛鶕?jù)需要進行連續(xù)測試或單步測試；對測試結(jié)果可進行自動診斷判別；對測試數(shù)據(jù)可顯示、打印記錄，或存入數(shù)據(jù)庫以便對舵機系統(tǒng)進行質(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(jīng)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(shù)據(jù)緩沖和相應的邏輯控制，擴展出符合PC/AT協(xié)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(shù)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(shù)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(zhuǎn)換的辦法，最小的一個周期輸出80個點，經(jīng)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(shù)據(jù)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(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：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單的三個控制信號：CSA，CSB及WR來選擇相應的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，同時鎖存需要轉(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，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模塊將舵機測試儀檢測裝置輸出的反饋信號轉(zhuǎn)化為數(shù)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(jù)檢測的反饋參數(shù)和系統(tǒng)性能指標要求，本設計中采用SBS公司的SysExpanModule/ADT600模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊[2]。它是一個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、偏航和滾動控制信號測試
舵機測試中的最重要內(nèi)容就是看執(zhí)行俯仰、偏航和滾動控制信號測試的結(jié)果是否與理論的控制結(jié)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(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，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(shù)字I/O卡、A/D采樣卡等進行數(shù)據(jù)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(jié)果進行分析判定，將測試數(shù)據(jù)與判定結(jié)果寫入測試表格或數(shù)據(jù)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(jié)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(jié)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(shù)據(jù)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(shù)、波形及時序，并實現(xiàn)對測試信號的記憶和分析。
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(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(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計的重點。進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(xiàn)界面如圖5所示：
圖5 軟件實現(xiàn)界面
5 結(jié)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(jié)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(xiàn)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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