季威， 權(quán)清達(dá)

（陸軍裝甲兵學(xué)院 a.兵器工程系；b.機械工程系,北京 100072）

0 引言

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步使得武器裝備智能化程度不斷提高，但也會帶來一些不良影響。例如，官兵操作武器裝備更加便捷，但同時裝備的可靠性、維修性和測試性有一定程度的下降[1-2]，這將會影響部隊的實戰(zhàn)化作戰(zhàn)演練。

近幾年，部隊官兵經(jīng)常反映某新型坦克自動裝彈機在使用中經(jīng)常出現(xiàn)故障。這不但影響了部隊的作戰(zhàn)訓(xùn)練，還存在一定的安全風(fēng)險。針對此種情況，國內(nèi)多家相關(guān)研究機構(gòu)進(jìn)行了科研攻關(guān)，設(shè)計了維修檢測設(shè)備。但是，這些檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修訓(xùn)練難度較大，不能適應(yīng)部隊實戰(zhàn)化訓(xùn)練要求。某新型坦克自動裝彈機是一種機電一體化的綜合系統(tǒng)[3]，根據(jù)其工作原理設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單、攜行方便的故障注入器。

1 總體設(shè)計思路

1.1 設(shè)計思路

自動裝彈機根據(jù)操作命令實現(xiàn)各個動作程序，主要是通過自動裝彈機的旋轉(zhuǎn)輸彈機、開窗機構(gòu)、火炮閉鎖器、拋殼機構(gòu)、提升機構(gòu)、推彈機等各個執(zhí)行機構(gòu)輸出到程控箱的各種狀態(tài)信號和程控箱輸入到各個執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動信號之間相互傳遞作用完成的[4]。通過研究自動裝彈機各個執(zhí)行機構(gòu)動作過程以及收集整理部隊典型故障信息，發(fā)現(xiàn)自動裝彈機的典型故障常常表現(xiàn)在各執(zhí)行部件的微動開關(guān)錯位、關(guān)鍵部件失效、部件卡滯導(dǎo)致運動不暢等方面，因此，故障仿真注入也需要從這方面下手，通過模擬開關(guān)失效、電機或電磁鐵動作異常，將故障注入信號送入自動裝彈機系統(tǒng)中，實現(xiàn)故障仿真注入。同時，在設(shè)計過程中，不能改變自動裝彈機的結(jié)構(gòu)、不能影響自動裝彈機的性能，具有易操作、小型化的特點[5]。

1.2 實現(xiàn)方案

某新型坦克自動裝彈機各機構(gòu)是在程控箱輸出驅(qū)動信號的作用下響應(yīng)，執(zhí)行各動作程序，程控箱則是在采集各機構(gòu)的信息后按照程序輸出驅(qū)動信號，程控箱控制單元的程序軟件的作用就是按照一定的邏輯、時序，來控制信號傳遞。通過修改程控箱控制單元中軟件源代碼，可以使程序變異，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生故障，也就是依靠破壞信號的傳遞流程，來實現(xiàn)故障注入。所以，借鑒軟件故障注入的思想[6]，在自動裝彈機各個執(zhí)行機構(gòu)與程控箱之間置入一個使用硬件結(jié)構(gòu)的故障注入器，按照一定的故障注入邏輯、程序來對某新型坦克自動裝彈機的信號進(jìn)行控制，來實現(xiàn)故障仿真注入。如圖1所示，故障注入器采用模塊化設(shè)計，由主控模塊、輸入模塊、輸出模塊以及輔助模塊組成。

圖1 故障注入器結(jié)構(gòu)與位置示意圖

故障注入模型是故障注入器能否正常進(jìn)行故障注入的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7]。通過對新型坦克自動裝彈機進(jìn)行故障分析、故障建模，抽象、歸納出故障注入器能夠訪問的描述模型，進(jìn)而收集整理出典型故障模型信息集合，寫入PC機終端軟件中。

2 故障注入器原理分析

2.1 自動裝彈機典型故障分析

以提升機構(gòu)提升到位后運動不停止的故障為例進(jìn)行研究。正常情況下，當(dāng)提升機構(gòu)提升到位時，輸出TS-K1信號至程控箱，隨后，提升機構(gòu)電磁鐵閉鎖，程控箱輸出C1信號至提升機構(gòu)，電機停止工作[8]，開始進(jìn)行下一步動作。如果發(fā)生故障，可能有5種原因：一是提升機構(gòu)微動開關(guān)K1故障導(dǎo)致提升彈丸到位后沒有向程控箱輸出TS-K1信號；二是提升機構(gòu)電磁鐵故障導(dǎo)致沒有閉鎖；三是提升機構(gòu)開關(guān)盒內(nèi)的仿形輪錯位、損壞或分度盤松動、錯位導(dǎo)致的故障；四是程控箱本身故障沒有接收到TS-K1信號或者是沒有輸出信號；五是電纜故障導(dǎo)致信號無法傳遞。

2.2 典型故障建模

結(jié)合上述故障原因，進(jìn)行故障分析建模如下：微動開關(guān)K1故障、提升機電磁鐵沒有閉鎖、仿形輪或分度盤故障實際上就是中斷了TS-K1信號的正常傳遞，程控箱故障就是中斷了C1信號的正常傳遞，電纜故障同樣也是中斷了這些信號的正常傳遞。因此，通過控制TS-K1和C1信號通斷即可實現(xiàn)故障仿真注入，如圖2所示。其他典型故障注入模型同理，由于篇幅原因，在這里不逐一贅述，將自動裝彈機各典型故障模型分析結(jié)果進(jìn)行匯總整理，寫入PC機終端軟件中。

2.3 原理分析

故障注入器安裝在程控箱與各執(zhí)行機構(gòu)之間，將實時監(jiān)控自動裝彈機程控箱和各執(zhí)行機構(gòu)的狀態(tài)信號，作為其輸入信號；它能模擬出這些狀態(tài)信號，根據(jù)對應(yīng)的控制命令，輸送到自動裝彈機程控箱，它也可模擬程控箱輸出的驅(qū)動信號，根據(jù)對應(yīng)的控制命令，輸送到自動裝彈機各個執(zhí)行機構(gòu)，故障注入器將這兩類信號作為輸出信號。

故障注入模型數(shù)據(jù)庫存放在故障仿真注入管理軟件中，安裝在PC機終端，軟件能夠?qū)崟r監(jiān)測、顯示故障注入器采集的各種狀態(tài)信號，根據(jù)故障注入策略，由通信總線將對應(yīng)的控制命令傳送到故障注入器，再通過控制故障注入器輸出不同的控制信號給自動裝彈機各機構(gòu)或者程控箱，來實現(xiàn)故障仿真注入。

3 主要模塊設(shè)計

3.1 主控模塊（MPU）選型

選用單片機作為主控模塊的微處理器，主要考慮單片機具有響應(yīng)速度快、控制精度高、芯片集成模塊多、控制操作靈活、外圍電路簡單、體積小、成本低的特點[9]。主控模塊選用ST公司32位高性能嵌入式產(chǎn)品STM32F407ZE。它具有114個可編程I/O端口，144個引腳，可靠性和抗干擾能力高，其尺寸完全滿足小型化的設(shè)計要求。

3.2 輸入模塊

為避免自動裝彈機對故障注入器的干擾，同時降低主控模塊的功耗，信號輸入模塊主要采用光電隔離技術(shù)實現(xiàn)信號的實時采集[10]，如圖3所示。自動裝彈機各執(zhí)行機構(gòu)輸出的狀態(tài)信號送入光電耦合器發(fā)光二極管的負(fù)極，當(dāng)狀態(tài)信號為低電平時，發(fā)光二級管導(dǎo)通驅(qū)動光敏三級管導(dǎo)通，MPU相應(yīng)的I/O端口采集高電平；當(dāng)狀態(tài)信號為懸空時，發(fā)光二極管無法驅(qū)動光敏三級管導(dǎo)通，MPU相應(yīng)的I/O端口采集懸空。MPU通過運算判斷I/O端口不同輸入狀態(tài)，確定自動裝彈機各執(zhí)行機構(gòu)的工作狀態(tài)，并實時發(fā)送到PC機終端。

3.3 輸出模塊

圖2 故障注入器模型圖

圖3 輸入模塊原理圖

圖4 輸出模塊原理圖

輸出模塊主要采用繼電器驅(qū)動隔離技術(shù)[11]實現(xiàn)故障注入器對自動裝彈機程控箱輸出驅(qū)動信號的控制，以及模擬各執(zhí)行機構(gòu)輸出狀態(tài)信號的通斷情況，并送入程控箱，如圖4所示。故障注入器的控制模塊接收PC機終端管理軟件的工作指令，按照內(nèi)部控制策略驅(qū)動相關(guān)I/O端口輸出相應(yīng)的TTL電平，當(dāng)為高電平時，三極管導(dǎo)通，繼電器或接觸器線圈通電，開關(guān)閉合，將自動裝彈機程控箱輸出的驅(qū)動信號送入各執(zhí)行機構(gòu)，或者將模擬各執(zhí)行機構(gòu)輸出的狀態(tài)信號送入程控箱；當(dāng)為低電平時，繼電器或接觸器開關(guān)斷開，程控箱輸出的驅(qū)動信號無法送入各執(zhí)行機構(gòu)，或者各執(zhí)行機構(gòu)輸出的狀態(tài)信號無法送入程控箱。

3.4 輔助模塊

輔助模塊主要包括通信電路和供電電路。根據(jù)系統(tǒng)原理，通信電路構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)的RS-232和RS-485總線接口，根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境選擇適合的通信接口，在通信距離近、電磁干擾小的應(yīng)用場合，采用RS-232串行通信方式；在通信距離較遠(yuǎn)、電磁環(huán)境復(fù)雜的應(yīng)用場合，則采用RS-485串行通信方式[12]，進(jìn)而實現(xiàn)故障注入器與自動裝彈機各機構(gòu)的數(shù)據(jù)通聯(lián)。

根據(jù)故障注入器中各個模塊的要求，故障注入器所需+24 V供電來自自動裝彈機程控箱，主控模塊、通信電路中主要芯片需要+5 V直流供電，信號輸出模塊中給自動裝彈機各機構(gòu)輸入的電壓信號為+24 V。為避免自動裝彈機對故障注入器的干擾，實現(xiàn)小型化的設(shè)計目的，故障注入器的供電電路主要采用商品化的輸入/輸出隔離的DC/DC電源模塊[13]，將自動裝彈機+24 V供電轉(zhuǎn)換為多路隔離的+5 V穩(wěn)壓電源，并且對輸入、輸出設(shè)計濾波電路，對數(shù)字芯片設(shè)計去耦電容，有效地消除電源線和地線之間的電壓尖峰與毛刺干擾信號，減少通過電源線和地線耦合引起的干擾。同時，設(shè)計由二極管組成的電源保護電路，防止反接電源對故障注入器造成不可預(yù)知的損壞。

4 結(jié)語

通過靜態(tài)測試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)測試、實裝測試，驗證了故障注入器的有效性和可行性，驗證了故障注入器與上位機之間通訊的實時性與可靠性，工作的準(zhǔn)確性，驗證了系統(tǒng)樣機工作中的一系列關(guān)鍵技術(shù)。測試結(jié)果表明：故障注入器的工作可靠，安裝使用簡單，攜帶方便，完全滿足任務(wù)書設(shè)計指標(biāo)要求，滿足在實戰(zhàn)化條件下部隊?wèi)?yīng)用和使用要求。

（責(zé)任編輯 邵明濤）