一種便攜式故障檢測系統的設計

張海寧，朱欣穎

（西安工業大學 電子信息工程學院，陜西 西安 710032）

供輸彈機是火炮等武器關鍵且構造復雜的子系統，工作進程必須與武器總體工作狀態相協調，其性能的優劣直接影響武器系統的整體戰斗力。隨著信息技術的發展應用，供輸彈機的結構更加精密智能，功能也更加完善，火炮打擊效能也得到了提高。然而，供輸彈是最容易發生故障的子系統，準確檢測并解決它所出現的異常，對火炮等武器總體作戰效能的改善將起到至關重要的作用，因此，如何提高供輸彈的工作效率及準確度成為人們廣泛關注的研究課題。

1 供輸彈機的工作原理

供輸彈機是機電一體化的機器系統，雖然不同武器的供輸彈結構有所不同，但工作原理和主要的零部件構成還是相似的，主要由供彈機、協調器、輸彈機、和控制系統等子系統組成[1]。常見的供彈機為的鏈傳動式結構，驅動電機帶動鏈輪，使彈藥向前推進[2]。根據武器操縱臺發出的指令選擇彈藥并輸給協調器，然后，協調器將彈丸送到輸彈線上，托彈盤轉運至炮膛口，輸彈機將彈藥推入炮膛，輸彈到位時關閂，然后依次復位?？刂葡到y負責給出全局的控制信號。供輸彈有自動、單步等工作方式[3]。在自動工作方式的開關、自動供彈、自動裝填一步完成，不再需要單步人工操作。

在任何一種工作方式下，都會有相關的信號產生，信號異常，供輸彈機出現故障。故障檢測系統要對這些多路信號并發采集，滿足實時性要求，并能保證供輸彈機在測試時的總體性和穩定性。

2 檢測系統總體概述

2.1 關鍵信號的選取

故障檢測系統的設計以數據采集與處理的思想為基礎。供輸彈機電源信號，工作狀態信號，控制箱的各種管理控制信號為故障檢測提供重要信息。狀態信號是輸彈機的各傳感器位置指示信號、工作方式操作信號；控制信號是控制箱與輸彈機驅動器子系統之間的管理信號。通過對這些關鍵信號的采集與分析，故障檢測系統獨立監控某型火炮供輸彈機的實時狀況，對其工作時出現的故障，及時進行定位，分析，保證武器較高的作戰效率。

2.2 故障檢測系統的原理

故障檢測系統有3大部分組成，如圖1所示，調理信號設備主要用來對由專用電纜引出的原始信號進行預處理；主控系統主要由CPU模塊和數據采集功能模塊組成，CPU管理采集卡運行，完成被測信號的采集、轉換及分析；人機界面用來顯示故障情況及解決方案。

圖1 檢測系統總體框圖Fig.1 Composition of the overall fault detection system

3 故障檢測系統的硬件設計

PC104總線是一種專門為嵌入式控制而定義的工業控制總線，基于PC104總線的數據采集卡和系統主板是堆疊方式安裝，有利于設計密度高、體積小的便攜式系統，在武器性能測試領域得到廣泛應用[4]。

故障檢測系統主要由信號調理設備，中央控制器，I/O開關量采集卡，模擬量采集卡，顯示電路，機箱等組成，如圖2所示。

3.1 硬件的選型

檢測系統要具有較高的抗干擾性和穩定性，因此，主控單元要在可封閉式機箱里完成，關鍵器件的選擇也很重要，其選用以下PC104總線模塊組建硬件環境。

圖2 系統的硬件設計圖Fig.2 Block diagram of system hardware

1）PC104SCM/LX-3160主板作為檢測系統主控計算機，采用AMDGeode LX 800CPU，工作頻率高達500 MHz，與 PC/AT標準完全兼容。

2）模擬量采集卡SEM/ADT-620完成A/D采集轉換功能，最多可采集單端16路的輸入模量。

3）數字量采集卡CDT2000具有48通道基于TTL/CMOS71055的可編程數字量I/O，完全滿足開關量采集的需求。

這些采集卡與SCM/LX-3160主板構成一個高性能的數據采集與控制系統。原始信號經信號電纜引出的不滿足采集卡接口的標準，須經過轉換調理電路，調理成適合的電氣標準，再接入采集卡。

3.2 模擬信號采集與轉換

要檢測的模擬信號只有一路，供輸彈的供電電源。電壓標準24 V，大于30 V或者小于20 V，則供電電源異常。電壓信號由專用信號電纜引出，接入信號調理設備的模擬信號處理板，進行隔離分壓，降低共模干擾，提高輸入阻抗，將超過A/D轉換范圍的24 V電壓值處理到量程范圍內的[4]，送入ADT-620的模擬輸入通道。信號通過ADT-620的兩個ADG508F多路調制器里連接到A/D電路上。

3.3 開關量信號采集與轉換

供輸彈機的多路狀態和控制信號是開關量，這些信號以0 V或24 V的電壓形式呈現。為了防止大電壓對數字采集卡CDT2000的損壞，這些開關量信號通過專用電纜接入信號調理設備的開關量調理板，通過專用的光耦隔離電路，隔離緩沖后，轉換為TTL電平，得到5 V以內的電壓值，送到采集卡CDT2000的數字量IO接口，這些接口可以直接感知開關量的閉合。

4 軟件設計

檢測系統的軟件在windows XP操作系統的上采用Visual C++開發工具，擁有簡潔、友好的人機界面。軟件采用面向對象的程序語言來設計，總體分為硬件驅動模塊和故障檢測定位模塊。類和對象的引入，將這兩個模塊各自封裝，形成硬件操作類和故障檢測類。

系統啟動，上電自檢，加載硬件驅動文件。對數據采集卡的硬件操作，主要涉及端口地址，動態鏈接庫等資源的使用問題。根據盛博科技已經提供硬件驅動文件及對應的動態鏈接庫文件和讀寫操作的參照程序實例，將硬件操作封裝在最底層，設計硬件操作類，流程圖如圖3所示。數據采集卡初始化成功后，啟動A/D轉換，設定模擬輸入通道，將A/D的值保存到內存中，為故障檢測模塊提供基礎數據。

圖3 數據采集流程圖Fig.3 Flow chart of the data acquisition system

故障判斷定位模塊是軟件設計的核心，這部分設計的是否合理，直接影響故障檢測系統的總體性能。故障診斷就是根據關鍵信號來定位故障，因此，故障檢測必須和供輸彈機的工作過程同步，采用動態檢測方法。即供輸彈機發出這些同步信號時，故障檢測才有意義。消息映射是Visual C++開發程序的基本特征[1]，故障檢測等其他操作，作為消息的形式映射到消息隊列中，數據采集處理以定時查詢消息方式，并配合采集卡上的硬件時鐘和信號響應時間來設計。在毫秒級的時間內，可以精確完成多路數據的采集、轉換和讀取。此模塊的功能是檢測供輸彈供電電源信號，工作方式信號（自動，單步輸彈等5種信號，只能1個有效），使能，返回等現場狀態信號和控制箱的控制信號，流程圖如圖4所示。除電源信號外，其余信號呈現高低電平的形式，通過讀取數字采集卡CDT2000IO口的值來判斷。

圖4 故障檢測流程圖Fig.4 Flow chart of fault defection module

5 系統測試與結果分析

設計完成后，模擬供輸彈機的工作過程，對故障檢測系統進行測試。把處理轉換后的模擬電壓，開關量信號分別接入相應通道，供軟件系統讀取分析。如圖5所示，當某檢測對象出現異常時，將在相應的圖標顯示紅色，并在列表框中顯示故障的原因。實驗結果表明，檢測的設計與技術要求基本吻合。

圖5 測試結果圖Fig.5 Testing result diagram

6 結束語

自基于PC104總線技術和Visual C++開發平臺研制的便攜式故障檢測系統，綜合利用了這兩項技術的優點，提高了故障檢測的準確性、可靠性、穩定性。該系統采用PC104CPU作為控制器，具有體積小，成本低和易擴展的優點。軟件設計中類與對象的引入，使系統具有良好的穩定性，安全性和擴展性。試驗表明，該系統具有處理速度快、檢測精度高的特點，可較好地滿足某型火炮供輸彈故障檢測的要求，對武器的作戰效能提供了有力的保證。

[1]劉曉華.精通MFC[M].北京：電子工業出版社，2004.

[2]馬福球，陳運生，朵英賢.火炮與自動武器[M].北京：北京理工大學出版社，2003.

[3]王紅玲.火炮自動供輸彈系統故障診斷技術的研究[D].山西：中北大學，2010.

[4]閆淑群，母勇民，羅宇輝，等.基于PC104總線的導彈陣地檢測系統研究[J].彈箭與制導學報，2010，30（4）:214-216.YAN Shu-qun， MU Yong-min， LUO Yu-hui，etal.Investigation of missile position testing system based on PC104 bus[J].Journal of Projectiles Rockets Missiles and Guidance， 2010，30（4）:214-216.

[5]郝秀平，呂盛林，李金新.某火炮綜合故障檢測系統研究[J].火炮發射與控制學報，2010（2）:57-60.HAO Xiu-ping， LV Sheng-lin， LI Jin-xin.Reseach on a artillery synthetic breakdown detection system[J].Journal of Gun Launch&Control，2010（2）:57-60.