某陀螺地平儀自檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

邱曉天,呂克洪,張豐言,吳曉艷

(1.國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410073;

2.國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410073;

3.中國(guó)人民解放軍 71687部隊(duì) ,河南新鄉(xiāng) 453000;4.中國(guó)人民解放軍 61330部隊(duì),河南新鄉(xiāng) 453000）

0 引 言

某陀螺地平儀平均無(wú)故障時(shí)間較短,故障率較高,需要經(jīng)常測(cè)試與維護(hù).由于該陀螺地平儀沒(méi)有專門的測(cè)試接口,外部測(cè)試設(shè)備難以獲取其信息,測(cè)試較為困難,測(cè)試結(jié)果也不準(zhǔn)確.為解決該問(wèn)題,一種可行的方法是采用自檢測(cè)技術(shù).自檢測(cè)技術(shù)是將測(cè)試電路設(shè)計(jì)在設(shè)備內(nèi)部,由設(shè)備自身完成測(cè)試與檢測(cè).近年來(lái),由于集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,自檢測(cè)技術(shù)發(fā)展較快,并在很多產(chǎn)品中得到成功應(yīng)用[1-4].因此,本文擬采用自檢測(cè)技術(shù),針對(duì)某陀螺地平儀的功能與結(jié)構(gòu),進(jìn)行其自檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì),然后分別設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)其硬件和軟件.

1 某陀螺地平儀故障分析

某陀螺地平儀的基本功能為:利用陀螺儀的定軸性和擺式修正機(jī)構(gòu)對(duì)地垂線的修正,在飛機(jī)上建立一個(gè)精確而穩(wěn)定的水平基準(zhǔn),根據(jù)載體與該基準(zhǔn)的相對(duì)姿態(tài)變化,輸出載體的俯仰和傾斜姿態(tài)角.其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.

經(jīng)分析,該陀螺地平儀故障情況如表1所示.

表1 陀螺地平儀故障情況表Tab.1 Failu re mode of gyroscope

2 自檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

從上述故障情況分析結(jié)果可以看出,需要對(duì) 28V直流電源、靜態(tài)變流器、陀螺定軸性、26 V 400 Hz電源、同步發(fā)送器、快速扶正機(jī)構(gòu)檢測(cè)、修正機(jī)構(gòu)檢測(cè)等進(jìn)行檢測(cè).

由于陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),根據(jù)動(dòng)量矩原理有

由于本地平儀結(jié)構(gòu)緊湊,對(duì)陀螺轉(zhuǎn)速直接測(cè)試極為困難.由陀螺電機(jī)的工作特性可知,在陀螺電機(jī)的電壓及負(fù)載恒定的情況下,陀螺電機(jī)的工作電流可以有效反應(yīng)其轉(zhuǎn)速特性,故采用電流檢測(cè)法檢測(cè)陀螺的工作狀態(tài).各部分的檢測(cè)方案如圖2所示.

3 自檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 自檢測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

自檢測(cè)系統(tǒng)要求將檢測(cè)電路嵌入到陀螺地平儀中,并與原設(shè)備硬件有機(jī)結(jié)合.因此,本自檢測(cè)系統(tǒng)采用集成化、嵌入性原則設(shè)計(jì),盡量使用比較少的硬件資源實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能.共包括 3個(gè)模塊:機(jī)內(nèi)測(cè)試模塊、機(jī)內(nèi)故障與指示模塊、計(jì)算機(jī)監(jiān)控模塊,如圖3所示.

1)機(jī)內(nèi)測(cè)試模塊是在原陀螺地平儀的基礎(chǔ)上,選擇適當(dāng)?shù)臏y(cè)點(diǎn),通過(guò)加裝傳感器和數(shù)據(jù)采集電路,并經(jīng)一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)而成.該模塊的功能是將地平儀的關(guān)鍵工作參數(shù)進(jìn)行采樣,并通過(guò) AD轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī),以供機(jī)內(nèi)故障診斷模塊分析.

2)機(jī)內(nèi)故障診斷與指示模塊由單片機(jī)、數(shù)碼管以及相應(yīng)的外圍電路組成,其功能是將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行故障診斷、降虛警等分析處理,最后將診斷結(jié)果通過(guò)數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示出來(lái).

3)計(jì)算機(jī)監(jiān)控模塊是針對(duì)機(jī)內(nèi)測(cè)試與自診斷模塊存儲(chǔ)空間不足,故障理解不直觀等缺陷,專門開(kāi)發(fā)的外部計(jì)算機(jī)軟件模塊.它通過(guò) RS232數(shù)據(jù)接口與外部計(jì)算機(jī)相連.在外部計(jì)算機(jī)中進(jìn)一步數(shù)據(jù)處理和故障分析以及降低虛警處理,然后通過(guò)可視化的圖形界面將故障準(zhǔn)確定位至各電路模塊,并根據(jù)故障規(guī)則對(duì)所發(fā)生故障進(jìn)行解釋和說(shuō)明.

3.2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

自檢測(cè)系統(tǒng)的硬件主要包括:信號(hào)轉(zhuǎn)換電路、單片機(jī)、串口電路、數(shù)碼管等,其結(jié)構(gòu)如圖4所示.其中單片機(jī)是自檢測(cè)系統(tǒng)的核心,其功能是實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、故障判斷、數(shù)據(jù)輸出等功能.由于陀螺地平儀內(nèi)部空間極為緊湊,同時(shí)考慮電路板上元件的散熱問(wèn)題,單片機(jī)在硬件選型上需選用功能較強(qiáng)、尺寸小、高密度、發(fā)熱量小的元件,在電路設(shè)計(jì)上應(yīng)力求簡(jiǎn)潔.因此,選用了 ADUC812單片機(jī)[5].該單片機(jī)帶有嵌入式閃速 MCU和多通道 12位 A/D轉(zhuǎn)換器,體積小,功能較強(qiáng),比較適合本自檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì).信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的功能是將各參數(shù)測(cè)點(diǎn)的模擬電壓信號(hào)或數(shù)字電平信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和調(diào)制,使之能夠滿足單片機(jī)各模擬端口和數(shù)字端口的輸入需求.譯碼電路及數(shù)碼管是將故障檢測(cè)結(jié)果通過(guò)不同的數(shù)字或字母符號(hào)在數(shù)碼管上顯示出來(lái).串口電路主要將單片機(jī)檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī).

3.3 自檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該自檢測(cè)系統(tǒng)軟件需要實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集與處理、故障檢測(cè)與判斷、故障指示和數(shù)據(jù)發(fā)送等功能.根據(jù)該要求,利用匯編語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)了自檢測(cè)系統(tǒng),其軟件結(jié)構(gòu)原理如圖5所示.

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

該自檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后,在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行了試用與驗(yàn)證.為驗(yàn)證其故障檢測(cè)功能,采用故障模擬方式注入了故障.其中電源故障采用斷開(kāi)或者拉偏方式注入,陀螺故障采用減少陀螺電源功率以減少轉(zhuǎn)速方式注入,同步器故障采用調(diào)整同步器電路方式注入.通過(guò)試驗(yàn),所有注入的陀螺地平儀故障均由自檢測(cè)系統(tǒng)正確檢測(cè)出,并在所設(shè)計(jì)的數(shù)碼管上以故障代碼方式正確顯示.

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)某陀螺地平儀由于測(cè)試接口不足導(dǎo)致的外部檢測(cè)困難,采用 ADUC812單片機(jī)等,設(shè)計(jì)了集成化、嵌入式的自檢測(cè)系統(tǒng).該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了與功能系統(tǒng)的一體化設(shè)計(jì),通過(guò)嵌入在功能系統(tǒng)內(nèi)部的軟硬件資源,可以實(shí)現(xiàn)陀螺地平儀的主要故障檢測(cè).該系統(tǒng)在實(shí)際中進(jìn)行了使用,結(jié)果表明工作穩(wěn)定,使用簡(jiǎn)便,檢測(cè)結(jié)果判讀直觀,具有一定的實(shí)際使用價(jià)值.

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