基于CAN總線的某裝備控制系統(tǒng)慣性儀表測試方法改進(jìn)研究

摘 要：某型裝備飛行控制過程中，慣性儀表作為飛行姿態(tài)的敏感元件，其精度直接決定了該控制系統(tǒng)的控制品質(zhì)。因此，慣性儀表單元測試是該控制系統(tǒng)測試的一個(gè)核心內(nèi)容。由于設(shè)計(jì)等各方面因素導(dǎo)致現(xiàn)有的測試方法存在人工干預(yù)性強(qiáng)、環(huán)境噪聲大、測試時(shí)間長等問題。為此，在現(xiàn)有測試條件基礎(chǔ)上，本文基于CAN總線通訊技術(shù)提出一種針對該控制系統(tǒng)慣性儀表單元測試的改進(jìn)方案，并設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可行性。

關(guān)鍵詞：慣性儀表測試；CAN總線；改進(jìn)

中圖分類號：TP273

某型裝備控制系統(tǒng)慣性儀表測試作為該控制系統(tǒng)單元組件測試的重要組成部分，其測試過程相對復(fù)雜，人員參與多，測試用時(shí)較長?，F(xiàn)用的主要測試設(shè)備為陀螺測試儀，該儀器在設(shè)計(jì)過程中采用模擬電路，并采用機(jī)械式表頭，沒有設(shè)計(jì)相關(guān)程控接口，測試人員需要通過量程轉(zhuǎn)換開關(guān)改變量程來判讀數(shù)據(jù)，測試數(shù)據(jù)受人為因素影響大，不利于對于慣性儀表性能變化的跟蹤分析。CAN總線作為一種通用工業(yè)總線，具備較好的總線糾錯能力和控制能力，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車等大型設(shè)備的控制中。為此本文在原有測試設(shè)備和測試方法的基礎(chǔ)上，利用CAN總線通訊技術(shù)，對該設(shè)備及其它相關(guān)設(shè)備進(jìn)行程控化改進(jìn)，提出針對該慣性儀表的自動化、智能化測試方法研究方案。

1 系統(tǒng)的硬件組成及設(shè)計(jì)

根據(jù)慣性儀表單元測試說明書以及相關(guān)測試內(nèi)容的要求，整個(gè)系統(tǒng)的硬件可由以下幾部分組成：CAN總線通訊節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換板，信號控制與隔離電路三部分組成。其系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖1所示。

1.1 CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。CAN總線節(jié)點(diǎn)，作為系統(tǒng)測試指令信號發(fā)送以及測試數(shù)據(jù)接收的通訊組件，是系統(tǒng)完成相關(guān)測試任務(wù)，實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備之間協(xié)調(diào)控制、測試的重要組成部分。在硬件上實(shí)現(xiàn)CAN總線節(jié)點(diǎn)的方法有很多，由于本文是對原有慣性儀表測試方法的改進(jìn)，結(jié)合實(shí)現(xiàn)難度和可靠性等因素，本文采用P89V51RD2單片機(jī)讀寫SJA1000CAN總線控制器，ATM1050CAN總線收發(fā)器驅(qū)動方式，構(gòu)成CAN總線節(jié)點(diǎn)。其基本硬件組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.2 信號控制與隔離電路。由于原有設(shè)備不具備遠(yuǎn)程程控能力，采用人工按鍵操作控制，為此需要對原有測試設(shè)備進(jìn)行簡單程控接口改進(jìn)，為了盡可能的保持原有設(shè)備的獨(dú)立性，本文在設(shè)計(jì)過程中通過外加信號控制與隔離電路的方式實(shí)現(xiàn)對于原有設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，具體方法為利用CAN節(jié)點(diǎn)使單片機(jī)數(shù)字信號通過光耦放大電路控制繼電器矩陣操作實(shí)現(xiàn)對原有按鍵，旋鈕的選擇，從而程控測試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)測試過程。其基本組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3 信號采集。陀螺測試設(shè)備的輸出均為模擬輸出，為了獲得其測試數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制測試需要對其進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)換，為此設(shè)計(jì)使用外部AD轉(zhuǎn)換電路，以實(shí)現(xiàn)模擬輸出量向數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。本文采用C8051F330D單片機(jī)中的12位高精度AD轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)對輸出量的AD變換，并利用單片機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲，實(shí)現(xiàn)測試設(shè)備離線和在線測試。其過程為利用測試設(shè)備的表頭輸入信號作為AD變換的輸入信號獲得相應(yīng)數(shù)字信號，單片機(jī)利用表頭的放大系數(shù)計(jì)算后獲得真實(shí)的測試輸出量，繼而產(chǎn)生總線請求信號，將測試結(jié)果向程控計(jì)算機(jī)發(fā)送。其基本結(jié)構(gòu)如圖4所示。

2 系統(tǒng)軟件組成

系統(tǒng)的軟件主要包括：上位機(jī)應(yīng)用程序，下位機(jī)的驅(qū)動程序兩部分組成。其中上位機(jī)應(yīng)用程序基于VC6.0語言開發(fā)，其主要功能為完成測試的流程控制，數(shù)據(jù)的分析、存儲、實(shí)時(shí)顯示、打印，進(jìn)一步擴(kuò)展可以實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的動態(tài)管理，分析慣性儀表全壽命期間的性能變化規(guī)律；下位機(jī)驅(qū)動程序，主要是基于C語言的單片機(jī)編程，其基本功能為實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)的程序驅(qū)動，AD轉(zhuǎn)換控制，數(shù)據(jù)的發(fā)送和簡單處理。

2.1 上位機(jī)應(yīng)用程序。上位機(jī)應(yīng)用程序主要是根據(jù)測試規(guī)程，形成相關(guān)的控制指令，下發(fā)控制相關(guān)測試設(shè)備，繼而實(shí)現(xiàn)對于測試的流程控制。其工作過程為：首先根據(jù)測試規(guī)程分析形成相關(guān)測試設(shè)備的繼電器矩陣控制編碼、設(shè)備代碼、指令碼，此項(xiàng)內(nèi)容主要是在程序設(shè)計(jì)時(shí)通過協(xié)議完成。指令經(jīng)過總線識別后控制相關(guān)設(shè)備工作，相關(guān)設(shè)備工作后，設(shè)備的工作狀態(tài)和測試數(shù)據(jù)通過總線回發(fā)至程控計(jì)算機(jī)，上位機(jī)應(yīng)用程序在接到相關(guān)數(shù)據(jù)并進(jìn)行相關(guān)分析后，分類對數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出顯示、存儲或報(bào)警。如數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常應(yīng)查詢故障數(shù)據(jù)庫給出可能故障。從而實(shí)現(xiàn)陀螺測試的自動化、智能化。其主要工作流程如圖5所示。

2.2 下位機(jī)驅(qū)動程序。下位機(jī)驅(qū)動程序主要由CAN總線驅(qū)動程序、信號控制程序、數(shù)據(jù)信號的AD控制程序三部分組成。其主要工作原理是根據(jù)CAN2.0b總線協(xié)議和SJA1000工作手冊相關(guān)指標(biāo)要求，完成對于SJA1000的控制和總線對于數(shù)據(jù)的收發(fā)。信號控制程序是利用從總線獲得的指令碼根據(jù)系統(tǒng)控制協(xié)議，控制I/O輸出矩陣驅(qū)動光耦電路從而實(shí)現(xiàn)對于測試設(shè)備的控制。AD轉(zhuǎn)換控制主要完成AD轉(zhuǎn)換的時(shí)間、方式等設(shè)置，以及數(shù)據(jù)的最終整理和發(fā)送請求。由于在系統(tǒng)中下位機(jī)驅(qū)動程序包含兩類單片機(jī)，因此在兩類單片機(jī)之間還需要編寫UART通訊應(yīng)用程序完成數(shù)據(jù)和指令的傳遞。其下位機(jī)驅(qū)動程序主要工作流程如圖6所示。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方案的可行性，設(shè)計(jì)了CAN總線通訊實(shí)驗(yàn)和繼電器矩陣控制兩個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.1 CAN總線通訊實(shí)驗(yàn)。在本文設(shè)計(jì)方案中，一個(gè)重要環(huán)節(jié)是通過程控計(jì)算機(jī)自動控制測試設(shè)備，因此CAN總線通訊中誤碼率成為系統(tǒng)可靠性的一個(gè)重要方面，為了有效驗(yàn)證本文方法的可行性，故設(shè)計(jì)了CAN總線通訊實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方法為將所有CAN節(jié)點(diǎn)連接后，按照設(shè)計(jì)方案協(xié)議，順序和隨機(jī)發(fā)送正確和錯誤指令報(bào)文，在節(jié)點(diǎn)的接收端通過CAN總線轉(zhuǎn)接RS232實(shí)驗(yàn)盒將報(bào)文讀回程控計(jì)算機(jī)，判斷傳輸?shù)恼`碼率。實(shí)驗(yàn)條件：CAN節(jié)點(diǎn)連接數(shù)為3，總線帶寬1Mb/s。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果上看，CAN總線的通訊過程能夠保證指令碼的正確發(fā)送，由于下位機(jī)有指令校驗(yàn)程序，即接收指令應(yīng)同下位機(jī)規(guī)程指令順序編碼表相統(tǒng)一，故而能夠確保錯誤指令的準(zhǔn)確識別和對于設(shè)備的保護(hù)。

3.2 繼電器矩陣控制實(shí)驗(yàn)。繼電器控制實(shí)驗(yàn)主要是將總線同繼電器矩陣相連接后，測試程控計(jì)算機(jī)對繼電器矩陣的控制能力以及隔離放大電路的可靠性。實(shí)驗(yàn)分兩個(gè)方面：1、測試?yán)^電器矩陣的工作能力；2、隔離放大電路在環(huán)境和長時(shí)間使用條件下的工作能力。

測試?yán)^電器矩陣工作能力的實(shí)驗(yàn)，采用在每個(gè)繼電器矩陣節(jié)點(diǎn)上安裝發(fā)光二極管，通過控制特定節(jié)點(diǎn)上發(fā)光二極管的點(diǎn)亮來測試?yán)^電器矩陣的控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：利用報(bào)文可以實(shí)現(xiàn)對于繼電器節(jié)點(diǎn)的連續(xù)500次跑馬燈點(diǎn)亮，不出現(xiàn)錯誤。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在長時(shí)間控制中出現(xiàn)了繼電器不工作現(xiàn)象，但沒有發(fā)生誤工作現(xiàn)象。

隔離放大電路在環(huán)境和長時(shí)間使用條件下的工作能力實(shí)驗(yàn)，主要是在原有測試環(huán)境下，將繼電器矩陣連續(xù)通電工作2小時(shí)以上，未發(fā)生異常情況。

4 結(jié)束語

通過上述實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該方案在理論上的可行性，只需按照本方案對原測試設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，即可實(shí)現(xiàn)該控制系統(tǒng)慣性儀表的自動化、智能化單元測試。本文方案優(yōu)點(diǎn)在于：一是沒有從本質(zhì)上改變測試原理，測試人員不需要進(jìn)行專門的學(xué)習(xí)和訓(xùn)練；二是對于測試設(shè)備的改裝采用外接方法，保持了測試設(shè)備的獨(dú)立性，即脫離本方案原有測試方法也可同時(shí)使用；三是由于采用自動化測試技術(shù)和總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的遠(yuǎn)程測試，從而可以有效縮短測試時(shí)間，減少測試過程中環(huán)境對于人員的傷害。

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作者簡介：馬翔楠（1984.05-），男，河南偃師人，工程師，碩士研究生，研究方向：控制理論與控制工程；魏洪棟（1981-），男，江蘇徐州人，工程師，碩士研究生，研究方向：控制理論與控制工程。

作者單位：96411部隊(duì)，陜西寶雞 721013