| 标题 | 便携式发控装置电气调试系统设计 |
| 范文 | 潘勃+卢选民+苏龙+王剑亮 摘 要： 为了模拟飞机、两型发射架及导弹的电气信号特征，实现凉性发射装置及其配套发控盒研制过程中调试、系统联试功能一体化，设计开发了某型便捷式发控装置电气调试系统；介绍了该系统的总体设计、硬件配置、适配器的设计、软件工作流程等；经测试，该系统安全、可靠，完全满足设计要求。 关键词： 电气调试系统； 便捷式发控装置； 适配器； 模块化设计 中图分类号： TN964?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）07?0043?03 Design of electric debugging system for portable electropult control device PAN Bo， LU Xuan?min， SU Long， WANG Jian?liang （School of Electronic and Information， Northwestern Polytechnical University， Xian 710129， China） Abstract： To simulate aircraft， two types of launchers and electrical signal characteristics of missiles， and achieve the integration of debugging， system testing and commissioning in the development process of cool launcher and its supporting control box， a debugging system for certain type of portable electropult is designed and developed. The overall system design， hardware configuration， the adapter design and software workflows are introduced； Test result shows that the system is safe， reliable， and can fully meet the design requirements. Keywords： electrical debugging system； portable electropult； adapter； modular design 0 引 言 现代战争是飞机和导弹的战争，在执行任务的时候，其功能的有效性和准确性尤为重要。如果在执行任务的过程中，导弹或飞机出现故障，将会直接导致任务的失败。以往的电气调试系统过于庞大，不方便随时使用。为了解决此类问题，本文设计开发了便捷式发控装置电气调试系统。 便携式发控装置[1]电气调试系统可以模拟飞机、两型发射架及导弹的电气信号特征，是用于凉性发射装置[2]及其配套发控盒研制过程中集调试、系统联试功能于一体的控制台。为外场方便快速地进行系统测试、故障定位和隔离提供保障，还能够收集发射装置的外场试验数据。其主要功能如下： （1） 具有手动测试、自检测（BIT）功能和调试功能； （2） 人机交互界面[3]； （3） 具有扬声系统，音量可调； （4） 具有发控盒及发射装置的软件烧写应用工具； （5） 调试系统引入TMS320F240微处理器[4]仿真器，能对发控盒软硬件联合仿真和软件在线加载； （6） 能够模拟飞机信号和导弹信号； （7） 调试系统输出信号可调控，能够完成对两型发射装置、两型发控盒的功能和性能的调试及测试； （8） 系统自检模块：测试系统具有自检[5]功能； （9） 系统校准[6]模块：对系统的硬件设备校准。 1 电气调试系统的总体设计 便携式发控装置电气调试系统由工控机组合、适配调理电路、测试接口及电缆等附件组成。工控机组合由1553B卡[7]、429卡、AD卡、DA卡、I/O卡、工控机及显示器组成。其中，1553B卡用于被测产品的1553B通信；429卡用于被测产品的429发射及接收；AD卡用于采集被测产品的电压信号；DA卡提供被测产品需要的电压信号；I/O卡用于采集被测产品的DI信号，产生被测产品的需要的DO控制信号以及电源加电等；工控机及显示器提供设备软硬件工作平台。 调理控制组合内有电源模块、继电器及负载、信号调理板及耦合器。其中负载为功率电阻，由继电器切换负载到供电接口，模拟产品供电负载，测试供电通道带载工作状态；电源模块提供被测产品的工作电源；继电器用于电源与信号的通断控制；耦合器用于1553B卡与被测产品之间的耦合；信号调理板实现AD通道、DA通道及I/O通道的信号调理与控制，用于同被测产品的信号匹配。 接口适配器提供与被测产品、外接供电及校准的接口，包括PL10模拟口、PL8B模拟口、载机模拟口、校准口、电源接口。 便捷式发控装置电气系统组成图如图1所示。 图1 测试系统组成 2 适配器的设计 电气调试系统所用的适配器是被测产品与测试设备间接口信号的转换处理模块，通过适配器可使测试产品与工控机的标准信号处理通道相接，主要包含有电平变换、供电控制、模拟加载等电路，以及适配器自用的电源模块。对于8个被测项的8个接线关系的适配器采用自研，根据各个板卡的接口定义和测试要求设计。 信号调理用来匹配计算机接口卡（模块）和被测产品间的电气信号和控制，如通道信号变换、模拟信号源注入、抗干扰隔离、测量切换控制等。 系统中需要设计专用的信号调理单元，进行信号的阻抗匹配、电压匹配和信号的隔离处理接口匹配电路。 （1） A/D信号调理的处理方法 对于电压变化范围处于A/D转换卡电压适应范围内且具有较好匹配度的模拟信信号无需进行电平匹配变换，直接送往A/D卡输入通道。 对于电压变化范围超出A/D转换卡电压适应范围或虽处于A/D转换卡电压适应范围内但匹配度相差较大的模拟信号需进行量程匹配或迁移调节，之后方可送往A/D卡输入通道，如被测产品工作电压、电源消耗电流、纹波测量等；图2（a）、图2（b）是典型的模拟信号变换电路结构。其中图2（a）结构适用于被测信号具有较大内阻；量程变换需缩小或放大；要求具有迁移变换的场合；要求具有零位补偿的场合。图2（b）结构适用于内阻较小、幅度需要衰减的信号情形。 为保证模拟信号的数据采集精度，信号变换电路在器件选择时应注意器件的热稳定性指标和漂移指标满足设计要求。信号的补偿和修正从硬件和软件两个层面进行。 图2 模拟信号变换电路 （2） DI/DO信号的处理方法 产品测控用DI/DO通道，凡属于TTL电平的DI信号无需进行电平转换，经过施密特整形和极性变换后送往DI接口卡，或直接送往DI接口卡。有隔离要求的开关量采集、非TTL电平的开关量信号，均需进行转换处理。 根据开关信号的电平幅度、信号内阻、有无隔离要求等特点决定变换电路的具体结构型式。图3是所采用的转换电路。 图3 DI/DO开关量电平变换电路 （3） 二型架18、19、21脚，发射架20、21、28脚，脐带2、12脚，接口表7脚信号的模拟 二型架18、19脚为-20 V～+20 V、21脚为11.5 V，发射架20、21脚为-20～+20 V、28脚为11.5 V，脐带2脚为（92.5±2.5） V DC、12脚为截获>10 V，未截获<1 V，接口表7脚为0～15 Vp-p为程控可调直流电压信号。故该部分电路采用相同结构，即由D/A输出的电压信号作为程控信号，将该信号通过电压放大后输出，因信号幅值要求不同，对于二型架18、19脚，发射架20、21脚采用-5～+5 V输出方式，对于二型架21脚，发射架28脚，脐带2、12脚，接口表7脚采用0～10 V输出，放大电路采用同相放大非对称供电方式。 （4） 接口表3、4、5脚信号的模拟 该类信号均为固定11.5 V的信号加上可变信号组合的信号。其中接口表3脚为[-10sin E+]11.5 V，4脚为[10cosEsinAz+]11.5 V，5脚为[10sinθ+]11.5 V。这些信号的模拟可采用如下方法：先从D/A中产生该可变信号，然后将其与直流11.5 V一同接入加法器，最终即可得到该类信号。其中3脚采用-5～+5 V输出方式，4、5脚采用0～+10 V输出方式。 3 电气调试系统的软件设计 为保证软件的可靠性和实时性，操作系统选用Windows 2000，软件开发平台[8]采用Visual C++ 6.0[9]。为节省系统存储空间，在系统安装时对其进行裁剪保留满足功能需要的模块，这样也有利于提高系统运行的可靠性。 测控软件的设计按照功能要求划分逻辑层，包括界面层、业务层和驱动层。信息交换原则上在邻近层间进行。界面层完成人机交互，调度主要流程，并和业务层交换信息。业务层包含了用于实现软件功能的业务规则，包括时间条件、状态条件和执行步骤等。驱动层封装了对底层数据的操作，由业务层调用。驱动设计尽可能面向硬件板卡来设计接口。尽量不涉及业务层的信息，设计目标是稳定、高效和相对独立性。 软件结构示意如图4所示。 图4 软件结构示意图 软件启动时，初始化系统，对调试系统进行系统自检，如果无故障，则系统自动读取硬件资源；用户通过流程界面，选择测试类型，即1553单独测试还是弹、架测试；在调试的过程中，调试过程窗口会对调试流程进行实时监视，对调试的实时数据进行显示，可以更加直观地观察整个过程和串口数据情况，并且会对历史调试过程进行保存，方便用户对历史测试进行观察；在测试完成后，会自动生成报表，测试结果会以Word形式进行保存[10]。调试台的调试流程图如图5所示。 图5 便携式发控装置电气调试系统软件流程图 4 结 语 本文中的便捷式发控装置电气调试系统，自动化程度高，可全程进行自动测试。经测试，该系统安全、可靠、适应性强，操作简单方便，具有良好的扩展性，便于系统的软、硬件功能扩展，对现代军事的发展具有重要的意义。 参考文献 [1] 赵亚英，袁运平.电气控制系统设计安装与调试[M].北京：科学出版社，2013. [2] 许斌，刘晓龙.PCB自动测试通用适配器设计技术[J].宇航计测技术，2005，25（5）：55?58. [3] 李晓路.嵌入式系统人机交互界面开发平台研究[D].烟台：烟台大学，2012. [4] 刘小虎，谢顺依.TMS320F240开发板的研制[J].微计算机信息，2003，19（8）：48?49. [5] 陈亚，刘文波，王昌金.自动测试系统自检方案设计[J].测控技术，2012，31（3）：112?114. [6] 孙宝江，沈士团，陈星.自动测试系统校准方法研究[J].宇航计测技术，2007，27（1）：30?34. [7] 闵晓华，陈绍炜，张涛.基于1553B总线的接口软件设计与实现[J].计算机工程与科学，2009，31（1）：130?133. [8] BRUEGGE Bernd，DUTOIT Allen H.面向对象软件工程[M].叶俊民，汪望珠，译.3版.北京：清华大学出版社，2011. [9] 陈天华.面向对象程序设计与Visual C++ 6.0教程[M].北京：清华大学出版社，2006. [10] 熊瑜容，柴毅，王淑娟，等.基于VC++的Word文档自动生成技术[J].计算机时代，2010（1）：52?54. 信号调理用来匹配计算机接口卡（模块）和被测产品间的电气信号和控制，如通道信号变换、模拟信号源注入、抗干扰隔离、测量切换控制等。 系统中需要设计专用的信号调理单元，进行信号的阻抗匹配、电压匹配和信号的隔离处理接口匹配电路。 （1） A/D信号调理的处理方法 对于电压变化范围处于A/D转换卡电压适应范围内且具有较好匹配度的模拟信信号无需进行电平匹配变换，直接送往A/D卡输入通道。 对于电压变化范围超出A/D转换卡电压适应范围或虽处于A/D转换卡电压适应范围内但匹配度相差较大的模拟信号需进行量程匹配或迁移调节，之后方可送往A/D卡输入通道，如被测产品工作电压、电源消耗电流、纹波测量等；图2（a）、图2（b）是典型的模拟信号变换电路结构。其中图2（a）结构适用于被测信号具有较大内阻；量程变换需缩小或放大；要求具有迁移变换的场合；要求具有零位补偿的场合。图2（b）结构适用于内阻较小、幅度需要衰减的信号情形。 为保证模拟信号的数据采集精度，信号变换电路在器件选择时应注意器件的热稳定性指标和漂移指标满足设计要求。信号的补偿和修正从硬件和软件两个层面进行。 图2 模拟信号变换电路 （2） DI/DO信号的处理方法 产品测控用DI/DO通道，凡属于TTL电平的DI信号无需进行电平转换，经过施密特整形和极性变换后送往DI接口卡，或直接送往DI接口卡。有隔离要求的开关量采集、非TTL电平的开关量信号，均需进行转换处理。 根据开关信号的电平幅度、信号内阻、有无隔离要求等特点决定变换电路的具体结构型式。图3是所采用的转换电路。 图3 DI/DO开关量电平变换电路 （3） 二型架18、19、21脚，发射架20、21、28脚，脐带2、12脚，接口表7脚信号的模拟 二型架18、19脚为-20 V～+20 V、21脚为11.5 V，发射架20、21脚为-20～+20 V、28脚为11.5 V，脐带2脚为（92.5±2.5） V DC、12脚为截获>10 V，未截获<1 V，接口表7脚为0～15 Vp-p为程控可调直流电压信号。故该部分电路采用相同结构，即由D/A输出的电压信号作为程控信号，将该信号通过电压放大后输出，因信号幅值要求不同，对于二型架18、19脚，发射架20、21脚采用-5～+5 V输出方式，对于二型架21脚，发射架28脚，脐带2、12脚，接口表7脚采用0～10 V输出，放大电路采用同相放大非对称供电方式。 （4） 接口表3、4、5脚信号的模拟 该类信号均为固定11.5 V的信号加上可变信号组合的信号。其中接口表3脚为[-10sin E+]11.5 V，4脚为[10cosEsinAz+]11.5 V，5脚为[10sinθ+]11.5 V。这些信号的模拟可采用如下方法：先从D/A中产生该可变信号，然后将其与直流11.5 V一同接入加法器，最终即可得到该类信号。其中3脚采用-5～+5 V输出方式，4、5脚采用0～+10 V输出方式。 3 电气调试系统的软件设计 为保证软件的可靠性和实时性，操作系统选用Windows 2000，软件开发平台[8]采用Visual C++ 6.0[9]。为节省系统存储空间，在系统安装时对其进行裁剪保留满足功能需要的模块，这样也有利于提高系统运行的可靠性。 测控软件的设计按照功能要求划分逻辑层，包括界面层、业务层和驱动层。信息交换原则上在邻近层间进行。界面层完成人机交互，调度主要流程，并和业务层交换信息。业务层包含了用于实现软件功能的业务规则，包括时间条件、状态条件和执行步骤等。驱动层封装了对底层数据的操作，由业务层调用。驱动设计尽可能面向硬件板卡来设计接口。尽量不涉及业务层的信息，设计目标是稳定、高效和相对独立性。 软件结构示意如图4所示。 图4 软件结构示意图 软件启动时，初始化系统，对调试系统进行系统自检，如果无故障，则系统自动读取硬件资源；用户通过流程界面，选择测试类型，即1553单独测试还是弹、架测试；在调试的过程中，调试过程窗口会对调试流程进行实时监视，对调试的实时数据进行显示，可以更加直观地观察整个过程和串口数据情况，并且会对历史调试过程进行保存，方便用户对历史测试进行观察；在测试完成后，会自动生成报表，测试结果会以Word形式进行保存[10]。调试台的调试流程图如图5所示。 图5 便携式发控装置电气调试系统软件流程图 4 结 语 本文中的便捷式发控装置电气调试系统，自动化程度高，可全程进行自动测试。经测试，该系统安全、可靠、适应性强，操作简单方便，具有良好的扩展性，便于系统的软、硬件功能扩展，对现代军事的发展具有重要的意义。 参考文献 [1] 赵亚英，袁运平.电气控制系统设计安装与调试[M].北京：科学出版社，2013. [2] 许斌，刘晓龙.PCB自动测试通用适配器设计技术[J].宇航计测技术，2005，25（5）：55?58. [3] 李晓路.嵌入式系统人机交互界面开发平台研究[D].烟台：烟台大学，2012. [4] 刘小虎，谢顺依.TMS320F240开发板的研制[J].微计算机信息，2003，19（8）：48?49. [5] 陈亚，刘文波，王昌金.自动测试系统自检方案设计[J].测控技术，2012，31（3）：112?114. [6] 孙宝江，沈士团，陈星.自动测试系统校准方法研究[J].宇航计测技术，2007，27（1）：30?34. [7] 闵晓华，陈绍炜，张涛.基于1553B总线的接口软件设计与实现[J].计算机工程与科学，2009，31（1）：130?133. [8] BRUEGGE Bernd，DUTOIT Allen H.面向对象软件工程[M].叶俊民，汪望珠，译.3版.北京：清华大学出版社，2011. [9] 陈天华.面向对象程序设计与Visual C++ 6.0教程[M].北京：清华大学出版社，2006. [10] 熊瑜容，柴毅，王淑娟，等.基于VC++的Word文档自动生成技术[J].计算机时代，2010（1）：52?54. 信号调理用来匹配计算机接口卡（模块）和被测产品间的电气信号和控制，如通道信号变换、模拟信号源注入、抗干扰隔离、测量切换控制等。 系统中需要设计专用的信号调理单元，进行信号的阻抗匹配、电压匹配和信号的隔离处理接口匹配电路。 （1） A/D信号调理的处理方法 对于电压变化范围处于A/D转换卡电压适应范围内且具有较好匹配度的模拟信信号无需进行电平匹配变换，直接送往A/D卡输入通道。 对于电压变化范围超出A/D转换卡电压适应范围或虽处于A/D转换卡电压适应范围内但匹配度相差较大的模拟信号需进行量程匹配或迁移调节，之后方可送往A/D卡输入通道，如被测产品工作电压、电源消耗电流、纹波测量等；图2（a）、图2（b）是典型的模拟信号变换电路结构。其中图2（a）结构适用于被测信号具有较大内阻；量程变换需缩小或放大；要求具有迁移变换的场合；要求具有零位补偿的场合。图2（b）结构适用于内阻较小、幅度需要衰减的信号情形。 为保证模拟信号的数据采集精度，信号变换电路在器件选择时应注意器件的热稳定性指标和漂移指标满足设计要求。信号的补偿和修正从硬件和软件两个层面进行。 图2 模拟信号变换电路 （2） DI/DO信号的处理方法 产品测控用DI/DO通道，凡属于TTL电平的DI信号无需进行电平转换，经过施密特整形和极性变换后送往DI接口卡，或直接送往DI接口卡。有隔离要求的开关量采集、非TTL电平的开关量信号，均需进行转换处理。 根据开关信号的电平幅度、信号内阻、有无隔离要求等特点决定变换电路的具体结构型式。图3是所采用的转换电路。 图3 DI/DO开关量电平变换电路 （3） 二型架18、19、21脚，发射架20、21、28脚，脐带2、12脚，接口表7脚信号的模拟 二型架18、19脚为-20 V～+20 V、21脚为11.5 V，发射架20、21脚为-20～+20 V、28脚为11.5 V，脐带2脚为（92.5±2.5） V DC、12脚为截获>10 V，未截获<1 V，接口表7脚为0～15 Vp-p为程控可调直流电压信号。故该部分电路采用相同结构，即由D/A输出的电压信号作为程控信号，将该信号通过电压放大后输出，因信号幅值要求不同，对于二型架18、19脚，发射架20、21脚采用-5～+5 V输出方式，对于二型架21脚，发射架28脚，脐带2、12脚，接口表7脚采用0～10 V输出，放大电路采用同相放大非对称供电方式。 （4） 接口表3、4、5脚信号的模拟 该类信号均为固定11.5 V的信号加上可变信号组合的信号。其中接口表3脚为[-10sin E+]11.5 V，4脚为[10cosEsinAz+]11.5 V，5脚为[10sinθ+]11.5 V。这些信号的模拟可采用如下方法：先从D/A中产生该可变信号，然后将其与直流11.5 V一同接入加法器，最终即可得到该类信号。其中3脚采用-5～+5 V输出方式，4、5脚采用0～+10 V输出方式。 3 电气调试系统的软件设计 为保证软件的可靠性和实时性，操作系统选用Windows 2000，软件开发平台[8]采用Visual C++ 6.0[9]。为节省系统存储空间，在系统安装时对其进行裁剪保留满足功能需要的模块，这样也有利于提高系统运行的可靠性。 测控软件的设计按照功能要求划分逻辑层，包括界面层、业务层和驱动层。信息交换原则上在邻近层间进行。界面层完成人机交互，调度主要流程，并和业务层交换信息。业务层包含了用于实现软件功能的业务规则，包括时间条件、状态条件和执行步骤等。驱动层封装了对底层数据的操作，由业务层调用。驱动设计尽可能面向硬件板卡来设计接口。尽量不涉及业务层的信息，设计目标是稳定、高效和相对独立性。 软件结构示意如图4所示。 图4 软件结构示意图 软件启动时，初始化系统，对调试系统进行系统自检，如果无故障，则系统自动读取硬件资源；用户通过流程界面，选择测试类型，即1553单独测试还是弹、架测试；在调试的过程中，调试过程窗口会对调试流程进行实时监视，对调试的实时数据进行显示，可以更加直观地观察整个过程和串口数据情况，并且会对历史调试过程进行保存，方便用户对历史测试进行观察；在测试完成后，会自动生成报表，测试结果会以Word形式进行保存[10]。调试台的调试流程图如图5所示。 图5 便携式发控装置电气调试系统软件流程图 4 结 语 本文中的便捷式发控装置电气调试系统，自动化程度高，可全程进行自动测试。经测试，该系统安全、可靠、适应性强，操作简单方便，具有良好的扩展性，便于系统的软、硬件功能扩展，对现代军事的发展具有重要的意义。 参考文献 [1] 赵亚英，袁运平.电气控制系统设计安装与调试[M].北京：科学出版社，2013. [2] 许斌，刘晓龙.PCB自动测试通用适配器设计技术[J].宇航计测技术，2005，25（5）：55?58. [3] 李晓路.嵌入式系统人机交互界面开发平台研究[D].烟台：烟台大学，2012. [4] 刘小虎，谢顺依.TMS320F240开发板的研制[J].微计算机信息，2003，19（8）：48?49. [5] 陈亚，刘文波，王昌金.自动测试系统自检方案设计[J].测控技术，2012，31（3）：112?114. [6] 孙宝江，沈士团，陈星.自动测试系统校准方法研究[J].宇航计测技术，2007，27（1）：30?34. [7] 闵晓华，陈绍炜，张涛.基于1553B总线的接口软件设计与实现[J].计算机工程与科学，2009，31（1）：130?133. [8] BRUEGGE Bernd，DUTOIT Allen H.面向对象软件工程[M].叶俊民，汪望珠，译.3版.北京：清华大学出版社，2011. [9] 陈天华.面向对象程序设计与Visual C++ 6.0教程[M].北京：清华大学出版社，2006. [10] 熊瑜容，柴毅，王淑娟，等.基于VC++的Word文档自动生成技术[J].计算机时代，2010（1）：52?54. |
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