張振山,李培富,李 挺

(裝甲兵工程學(xué)院 兵器工程系，北京 100072)

裝甲車輛自動(dòng)裝彈機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)電一體化系統(tǒng)，在部隊(duì)使用中故障率較高[1]。目前的故障檢測(cè)設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大，智能化程度不高。因此，故障檢測(cè)的效率在很大程度上依賴于維修檢測(cè)人員的技術(shù)水平，存在檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)、故障定位錯(cuò)誤率高的問題，影響了裝甲車輛的作戰(zhàn)性能，長(zhǎng)期以來一直是困擾部隊(duì)使用的難題。本文介紹了一種使用方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠進(jìn)行智能診斷的裝彈機(jī)故障檢測(cè)系統(tǒng)。

1 工作原理

檢測(cè)系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，如圖1所示。下位機(jī)包括信號(hào)采集模塊、數(shù)據(jù)通信、電源管理模塊、單片機(jī)和報(bào)警指示組成。

該系統(tǒng)采用高集成度的AT89C52單片機(jī)，內(nèi)部集成了豐富的功能模塊資源。對(duì)裝彈機(jī)進(jìn)行故障檢測(cè)時(shí)，下位機(jī)檢測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)采集接口插入裝彈機(jī)數(shù)據(jù)接口，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)來到，系統(tǒng)開始數(shù)據(jù)采集，16路模擬量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器MAX197轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，存入單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器中。64路開關(guān)量信號(hào)經(jīng)光耦隔離后輸入采集系統(tǒng)，根據(jù)上位機(jī)終端指令，下位機(jī)終端通過PCI接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，上位機(jī)讀取存儲(chǔ)器中采集的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)終端自檢和自動(dòng)裝彈機(jī)故障的檢測(cè)。一次自動(dòng)裝彈機(jī)工作周期后，單片機(jī)啟動(dòng)中斷，關(guān)閉A/D轉(zhuǎn)換器和電源電路，系統(tǒng)進(jìn)入省電待機(jī)模式，系統(tǒng)完成了一次故障檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集。采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，進(jìn)行故障的推理，最后實(shí)現(xiàn)故障的定位。采用這種方式可以讓不同裝甲車輛共享一套計(jì)算機(jī)檢測(cè)終端，成本低，通用性高，也便于進(jìn)行維護(hù)和備件管理，打印和報(bào)表等[2]。

自動(dòng)裝彈機(jī)智能故障檢測(cè)系統(tǒng)是集信號(hào)采集、工況分析、狀態(tài)顯示以及故障診斷為一體的多任務(wù)信息處理系統(tǒng)。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)主要模擬自動(dòng)裝填系統(tǒng)各部件外部開關(guān)控制信號(hào)的動(dòng)作，采集電路檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)傳輸給上位計(jì)算機(jī)[3]，實(shí)現(xiàn)控制計(jì)算機(jī)和硬件電路的通信。

2.1 電源電路

開關(guān)量輸入模塊所需電壓為24 V，單片機(jī)及大多數(shù)芯片工作電壓為+12 V，模擬信號(hào)采集模塊核心芯片MAX197的工作電壓為+5 V。CAN收發(fā)器和微控制器及其外圍電路的工作電壓分別為+5 V和+3.3 V，而外部供電為車載電源的+24 V和USB電源的+5 V，因此設(shè)計(jì)了一種DC-DC電源轉(zhuǎn)換器(如圖2)，采用LM2576 LDO線性穩(wěn)壓電源芯片完成從車載提供的+24 V電壓到+5 V電壓的轉(zhuǎn)換。

Z3為防反接保護(hù)二極管，保護(hù)整個(gè)硬件電路,穩(wěn)定輸入端的電壓，防止出現(xiàn)較大的擾動(dòng)，起到保護(hù)LM2576的作用；Cl1和C13分別為輸入端的低頻濾波和高頻濾波；L3使輸出電壓變得平滑。

2.2 數(shù)據(jù)輸入模塊

此系統(tǒng)采集64路開關(guān)輸入量，經(jīng)16個(gè)光電耦合器TLP521-4隔離，然后輸入到8片8路同相三態(tài)雙向總線收發(fā)器74LS245，8片74LS245的使能信號(hào)由譯碼器74LS138的8個(gè)位輸出引腳提供。輸入電路采集程控盒、旋轉(zhuǎn)傳感器、裝彈操縱臺(tái)、提升機(jī)電磁鐵、拋殼機(jī)構(gòu)電磁鐵、旋轉(zhuǎn)輸彈機(jī)電磁鐵的電平信號(hào)，經(jīng)光耦隔離變換后，經(jīng)并行數(shù)據(jù)總線傳輸至主機(jī)電路。輸入電路的設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

2.3 CAN接口電路

本設(shè)計(jì)采用分立器件設(shè)計(jì)CAN總線通信模塊電路，選用Phillips公司的SJA1000 CAN總線控制芯片，以SJA1000構(gòu)建CAN通信模塊具有方便、簡(jiǎn)單、可靠性較強(qiáng)和系統(tǒng)成本低廉的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)過簡(jiǎn)單總線連接的SJA1000可完成CAN總線的物理和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，電路圖如圖4所示。

2.4 抗干擾設(shè)計(jì)

裝甲車輛自動(dòng)裝彈機(jī)工作環(huán)境較為惡劣，既有外部其他設(shè)備的電磁干擾，又有內(nèi)部如發(fā)動(dòng)機(jī)、繼電器等工作時(shí)產(chǎn)生的干擾。故障檢測(cè)系統(tǒng)需要與裝彈機(jī)電氣部件連接通信，而如果讓數(shù)據(jù)采集模塊直接與裝彈機(jī)信號(hào)相連，會(huì)產(chǎn)生許多意想不到的問題，比如引起電源的波動(dòng)，產(chǎn)生干擾的信號(hào)等。通常解決此類問題的有效辦法就是使用光耦進(jìn)行電氣隔離。本設(shè)計(jì)中選用了TLP521-4高速光耦，能夠同時(shí)進(jìn)行4路信號(hào)轉(zhuǎn)換，性能穩(wěn)定。在處理器復(fù)位端設(shè)計(jì)了看門狗芯片電路，確保系統(tǒng)在受到強(qiáng)烈的干擾的情況下可以正常復(fù)位。另外，采用了軟件陷阱技術(shù)，用引導(dǎo)指令強(qiáng)行將捕獲到的亂飛程序引向復(fù)位入口地址。當(dāng)程序計(jì)數(shù)器失控，造成程序飛出而進(jìn)入非程序區(qū)時(shí)，在非程序區(qū)設(shè)置攔截措施，使程序進(jìn)入陷阱，然后強(qiáng)迫程序進(jìn)入初始狀態(tài)。

實(shí)際PCB板印制時(shí)，系統(tǒng)中的模擬地和數(shù)字地在共地時(shí)采用了磁珠進(jìn)行連接，與直接用導(dǎo)線連接兩個(gè)地相比,采用磁珠可以有效抑制數(shù)字電路的開關(guān)噪聲對(duì)模擬信號(hào)的影響[4]。

3 軟件開發(fā)

本系統(tǒng)軟件包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。上位機(jī)軟件基于VB開發(fā)，操作系統(tǒng)采用WinXP。下位機(jī)軟件為嵌入式系統(tǒng)控制軟件，采用C語言開發(fā)，通過KeilC51開發(fā)環(huán)境進(jìn)行。

上位機(jī)軟件軟件完成系統(tǒng)自檢和自動(dòng)裝彈機(jī)故障檢測(cè)，主要包括輸彈機(jī)、提升機(jī)、推彈機(jī)和控制盒的故障檢測(cè)以及檢測(cè)信息錄入、報(bào)表生成等模塊[5]。

下位機(jī)軟件包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)傳輸、抗干擾等模塊的程序設(shè)計(jì)。上位機(jī)軟件與下位機(jī)軟件信息交互采用CAN2.0B和RS232通信協(xié)議，波特率為1 Mbps，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，2位標(biāo)識(shí)碼，無奇偶校驗(yàn)。上位機(jī)發(fā)起通信，下位機(jī)根據(jù)控制指令進(jìn)行上傳數(shù)據(jù)和清理存儲(chǔ)等操作。

4 測(cè)試與分析

以自動(dòng)裝彈機(jī)程序控制盒故障檢測(cè)為例對(duì)系統(tǒng)工作情況進(jìn)行說明。程控盒檢測(cè)主要用于對(duì)裝彈機(jī)控制時(shí)序的檢測(cè)，被檢測(cè)量包括繼電器開關(guān)、行程開關(guān)、晶體二極管及邏輯電路。它可以進(jìn)行檢測(cè)部件電氣開關(guān)的通斷設(shè)置。在進(jìn)行故障測(cè)試時(shí)，上位機(jī)軟件發(fā)起CAN命令字，存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)通過CAN bus傳輸至上位機(jī)，此時(shí)上位機(jī)完成對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的讀取。在測(cè)試結(jié)果區(qū)內(nèi)顯示當(dāng)前故障狀態(tài)、故障部位和測(cè)試結(jié)果等信息。使用VB編寫的系統(tǒng)界面如圖5所示。進(jìn)行功能測(cè)試時(shí)，測(cè)試結(jié)果區(qū)內(nèi)顯示自動(dòng)裝彈測(cè)試正常、半自動(dòng)裝彈測(cè)試正常、靜態(tài)測(cè)試正常等信息，為正常狀態(tài)。

5 結(jié)束語

本文主要針對(duì)目前自動(dòng)裝彈機(jī)故障檢測(cè)問題，基于輕便智能化的需求，設(shè)計(jì)了一種智能故障檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)自動(dòng)裝彈機(jī)主要電氣部件的綜合測(cè)試。經(jīng)過多次驗(yàn)證表明：所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)不僅能快速采集裝彈機(jī)控制信號(hào)，進(jìn)行裝彈機(jī)功能檢測(cè)，而且能夠確定裝彈機(jī)故障部位，實(shí)現(xiàn)了智能診斷，滿足了檢測(cè)需求。

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