中国指挥与控制学会会刊 
1 检测装置需求分析
针对我军现役某型火箭炮点火信号检测装置功能单一、精度不高、结果不直观等问题,本文设计一种磁吸式检测装置,实现与点火触头快速可靠对接,以提高火箭炮点火信号检测的稳定性。该检测装置应具有自动化程度高、体积小、重量轻、操作简单[4]、适合基层部队使用的特点,可有效解决日常训练和实弹射击前火箭炮的发火信号检测问题,并能准确、快速地判断各定向管发火信号状态,缩短火力准备和勤务保障的时间,有利于提高火箭炮的火力反应能力。
点火信号检测装置采用数字信号处理和计算机智能控制等技术[5],通过强磁力吸附在火箭炮点火触头上,采集发火时的端电压、回路电流、弹回路电阻及各管之间的时序间隔等信号,并通过无线组网技术经信息服务器分析处理后将检测信号上传到检测终端。磁吸式火箭炮点火信号检测装置不仅能够准确快速检测点火信号,而且操作过程简单方便、检测效率高,极大地提高了火箭炮的作战效能。
2 检测装置总体设计
检测装置由检测终端、信息服务器、几十个点火装置无线测量模块等组成。检测装置内部安装高度集成电路和单片机芯片,为保证其安装与工作状态的稳定,保护内部电路不受外界干扰,采用磁吸式设计与点火触头快速对接,可实现牢固、稳定安装,其特点是制作成本低廉、操作简单、节约时间、能提高检测速度和效率。检测装置主要技术指标见表1 所示。
表1 检测装置主要技术指标 |
| 指标名称 | 指标内容 |
|---|---|
| 测量精度 | 误差小于5% |
| 采样频率 | 1 KHz |
| 连续工作时间 | 大于24 h |
| 工作环境 | -40 ℃~55 ℃ |
该检测装置采用模块化、集成化、自动化设计理念,通过设计一种磁吸式测量模块与火箭炮点火触头快速对接构成检测回路,采集点火信号并通过无线网络传到检测终端。终端软件具备对多种发射模式下几十管火箭弹发火信号进行同步检测、快速处理数据功能,能够实时显示各类信号参数及提示故障信息。整个检测装置设计一人即可完成操作,可实现野战条件下对火箭炮发火系统关键技术参数快速检测。点火信号检测是在火箭炮发射前完成的,目的在于检查火箭炮各定向管的状态。因此,为保证火箭弹发射的安全性,严禁在已装弹的情况下进行火箭炮发射点火信号检测。使用时,按照模块自检组网,统一设置时间零点,选择检测模式,检测信号采集和处理等顺序进行。发火机根据检测需求选择单、连发及选择相应弹数、管号并进行发射操作。检测装置技术指标如表1 所示。检测装置组网如图1 所示。
2.1 信号检测模块原理设计
测量模块主要采集点火回路电阻及点火时提供的电压、电流和脉宽等信号,主要由中央处理器、电流测量传感器、电压测量传感器、回路电阻测量、脉冲测量、电流量程控制、信号接口电路、无线模块以及液晶、键盘、稳压等组成,使用锂电池供电,并具有电量测试功能。原理框图如图2 所示。
2.2 回路电阻检测原理
按照火箭炮点火信号检测流程要求,在进行点火信号检测之前要先进行点火回路电阻检测,因为电阻检测没有时序要求。但是对于通信、逻辑、时序控制具有严格要求的检测系统来说,回路电阻值必须在标准范围内。如果回路电阻不符合要求,将会导致通信错误或时序出现紊乱。因此,对于回路电阻的测量精度要求很高。该检测装置所要检测回路电阻值在3 Ω左右,属于小电阻。本文采用电流电压法对回路电阻检测的原理进行分析。电流电压法应用最为广泛,基本原理如图3 所示。
在测量电压U0一定的条件下,采样电阻两端的电压与回路中的电流成正比,R1为限流电阻,Rx为被测线路的等效电阻,Rs为采样电阻。由回路电流法可得
U=
其中,测量电压U0为稳定电压源的输出值,限流电阻R1和采样电阻Rs均为已知的固定值,因此,由上式就可求得被测线路等效电阻Rx的值为
Rx= -R1-Rs
电流电压法测量电阻方法通常有恒流法和恒压法。为了保证测量精度,采用恒流源的方法测量小电阻。恒流法回路电阻测量原理如图4 所示。由于被测电阻的自热效应,I0不能太大,本系统综合考虑取20 mA,为了避免恒流源的端电压太低而退出恒流区,设串入电阻R1和RS,只要精确测量出Rx的端电压Ux,则可求得Rx的值[6]。
在检测回路电阻时,启动回路电阻检测程序后,先确定回路电阻检测回路导通,恒流源电路接入,关闭点火检测电路,取点火回路中标准电阻两端电压进行转换,连续测量5次后结束信号采集,然后进行采集信号判断,如已采集5次,则中断采集程序[7]。采集停止后开始调用电阻计算程序,经过分析计算得出检测回路的电阻值。
2.3 点火信号测量电路设计
点火信号测量电路可以实现大电流点火信号测量以及导通电阻值测量功能,该电路由继电器、通用型运算放大器、高功率精密采样电阻、高精度电压基准源以及二极管等元器件组成。继电器用于功能切换,当断电时将采样电阻接入电路中,点火电流信号可直接流过该电阻并产生电压差。该压差通过电阻分压后送入运放正向输入端,在运放输出端产生一个等幅同相的信号。该信号直接接入ADC1引脚并由片载ADC将该模拟电压信号转换成CPU可识别的数字信号。当继电器端子通电时,将2.5 V基准电压源接入电路中,被测电阻接入端子中即可形成电流回路,通过检测电阻上的电压降即可获知被测电阻的准确阻值。该电压差信号通过运放跟随后送入ADC2引脚,由片载ADC将该模拟电压信号转换成CPU可识别的数字信号。该电路的输出保护由三对钳位二极管组成,在信号输入线以及基准电压输出线上分别接入钳位二极管,无论出现何种异常输入情况,该二极管可以将被接线电压钳位在-0.6 V至3.9 V之间,保护后端电路不被异常电压烧毁。点火信号测量电路如图5 所示。
2.4 点火信号检测模块结构设计
为实现在野战条件下在点火触头位置快速安装检测模块,采用磁吸式结构设计。测量模块整体外观采用“凸”字形结构设计,主要由点火触头固定座、U型深槽、环形磁铁仓、锥形触点接触槽、锂电池仓、电路板、显示屏等组成。测量模块正面为显示界面,内嵌电路板,背面是L型长方体的固定座,固定座采用具有耐高温耐磨、质量轻、韧性好的聚酰亚胺材料。测量模块整体外观结构示意图如图6 所示。
在点火触头固定座上半部分环形深槽内放置一环形磁铁,磁铁材质采用粘结钕铁硼磁铁,该磁铁具有磁性强、各方向分布均匀、强度高耐腐蚀等特点。检测时,锥形触点接触槽与点火触头尖部形成紧密贴合构成正极,负极与火箭炮定向管尾部点火触头固定座侧面相接,测量模块通过强磁力与点火触头迅速对接构成检测回路。
2.5 终端软件设计
1)系统登录模块。包括核验登录身份和区分操作界面,主要用于核验登录身份的合法性。
2)点火信号检测模块。包括网络通信设置、检测模式选择、检测信号处理、检测记录管理和诊断故障信号,主要用于点火信号检测和信号处理。
3)系统管理模块。包括检测系统自检、系统统一授时、系统通信管理、数据库管理和安全权限管理,主要用于系统数据的管理。
4)使用帮助模块。包括检测流程规范、按键操作提示和软件操作说明,用于给用户操作系统时提供帮助。终端检测软件程序运行流程如图8 所示。
当系统登录进入主界面之后,检测系统完成自检、统一授时[10]等一系列步骤,为点火信号检测作准备。检测过程中,测量模块与信息服务器进行无线交互,终端检测软件设置各检测模块的时间零点,而后选择不同检测模式,例如顺序检测、随机产生发射顺序检测及单连发混合发射检测等,发火机根据检测需求选择单、连发及相应弹数、管号并进行发射操作。几十个点火检测模块自动采集点火信号,将采集的信号按照一定时序发送至检测终端。检测终端采集相关信号并进行处理分析,调用故障知识库中的准则判断检测结果,并提示故障信息和诊断建议,并能进行数据查询、分析生成检测报告。
3 实验验证与数据分析
根据检测信号类型,结合检测装置功能特点及检测精度要求,对点火信号进行验证和分析,主要是验证端电压、回路电流、回路电阻以及时序间隔等检测信号的精度是否满足设计要求。在这里主要对回路电阻信号、点火电流信号和时序间隔信号进行实验和数据分析。
3.1 回路电阻信号测量实验
将标准电阻两端用导线与测量模块输入端外接线相接,而后将测量模块调至回路电阻检测功能界面。实验中分别采用阻值为3.00 Ω、6.20 Ω和9.10 Ω的标准电阻,精度都为1%,每个标准电阻重复测量5次。检测结果如表2 所示。
表2 回路电阻检测值 |
| 序号 | 标准电阻值/ Ω | 测量模块检测值/ Ω | 测量误差 | |
|---|---|---|---|---|
| Ω | % | |||
| 1 | 2.97 | 0.02 | 0.6 | |
| 2 | 2.96 | 0.03 | 1 | |
| 3 | 3.00 | 2.95 | 0.04 | 1.3 |
| 4 | 2.93 | 0.06 | 2.0 | |
| 5 | 2.98 | 0.01 | 0.3 | |
| 6 | 6.17 | 0.03 | 0.5 | |
| 7 | 6.16 | 0.04 | 0.6 | |
| 8 | 6.20 | 6.25 | 0.05 | 0.8 |
| 9 | 6.18 | 0.02 | 0.3 | |
| 10 | 6.26 | 0.06 | 1.0 | |
| 11 | 9.06 | 0.04 | 0.4 | |
| 12 | 9.12 | 0.02 | 0.2 | |
| 13 | 9.10 | 9.13 | 0.03 | 0.3 |
| 14 | 9.02 | 0.08 | 0.8 | |
| 15 | 9.15 | 0.05 | 0.5 | |
实验结果分析表明:使用点火测量模块中回路电阻测量功能对外接标准电阻进行功能和精度测量实验,经不同阻值和多次实验,测量弹回路电阻测量功能准确可靠,测量的电阻误差都在2%以内,测量精度达到系统设计指标要求。
3.2 点火电流信号测量实验
实验中采用功率较大的恒流源模块输出检测信号,先调整恒流源模块,输出2.5 A的恒流,将输出的恒流信号分别接入测量端,并将测量模块调至相对应功能界面。当测量模块工作正常时,接通恒流输出模块,待测量模块检测到信号并输出结果后,迅速关闭恒流源,记录检测结果,而后重复此过程,共进行6组测量,检测结果值如表3 所示。
表3 点火电流检测值 |
| 序号 | 恒流模块输出值/ A | 点火测量模块 检测值/A | 测量误差 | |
|---|---|---|---|---|
| A | % | |||
| 1 | 2.50 | 2.48 | 0.02 | 0.8 |
| 2 | 2.53 | 0.03 | 1.2 | |
| 3 | 2.46 | 0.04 | 1.6 | |
| 4 | 2.47 | 0.03 | 1.2 | |
| 5 | 2.45 | 0.05 | 2.0 | |
| 6 | 2.46 | 0.04 | 1.6 | |
实验结果分析表明:使用测量模块的点火电流测量功能对恒流源输出的电流进行功能和精度测量实验,经多次实验发现,测量模块测量的点火电流信号比较稳定,测量的电流误差都在2%以内。
3.3 时序间隔信号测量实验
选用一种高精度示波器对测量模块的时序间隔信号测量功能进行测试,实验时设置一台信号发生器模拟火箭炮点火电流脉冲信号(脉冲宽度为450 ms),接入点火回路电阻及点火信号测量模块,并从该测量模块时序测量电路输出端引出输出信号接入示波器,共进行6组测量,通过对比分析测量模块测量的点火信号脉冲与示波器测量的结果,验证了该检测装置时序测量功能及精度。检测结果值如表4 所示。
表4 时序间隔检测值 |
| 序号 | 信号发生器输 出值/ms | 示波器测量 值/ms | 点火测量模块 检测值/ms | 测量误差 | |
|---|---|---|---|---|---|
| ms | % | ||||
| 1 | 450 | 450 | 455 | 5 | 1.1 |
| 2 | 451 | 456 | 6 | 1.3 | |
| 3 | 450 | 459 | 9 | 2.0 | |
| 4 | 449 | 440 | 10 | 2.2 | |
| 5 | 450 | 442 | 8 | 1.7 | |
| 6 | 450 | 456 | 6 | 1.3 | |
实验结果分析表明:点火测量模块测得的时序间隔信号与示波器显示的值相差不大,误差值控制在3%以内,较好地验证了该检测装置的时序间隔信号检测功能且其测量精度能够满足设计指标要求。
4 结束语
本文设计了一种一体化无线组网自动快速的检测方法。在火箭炮点火装置检测位上采用磁吸方式便捷快速构成检测回路,系统采用多通道同步比较捕获、多信号同步触发等方式,实现多信号不同性质参数同步采集的要求,满足野战条件下技术勤务快速保障需求[11],最大程度地保证火箭炮作战效能的发挥。