基于PC/104脈沖高度表綜合檢測(cè)系統(tǒng)的研制

1 引言

高度表綜合檢測(cè)系統(tǒng)是國(guó)產(chǎn)和俄制軍用體制脈沖高度表的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)可對(duì)機(jī)載高度表系統(tǒng)（包括PB-21型高度表系統(tǒng)和雙座機(jī)WG-6高度表系統(tǒng)）進(jìn)行綜合性能檢查和調(diào)試，是飛機(jī)大修廠必備的檢測(cè)設(shè)備。它既可以將飛機(jī)上高度表系統(tǒng)的通電檢查轉(zhuǎn)移到實(shí)驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行，便于采用多種手段實(shí)施全方位系統(tǒng)測(cè)試；又可以對(duì)單個(gè)設(shè)備進(jìn)行定性檢查和排故，為部隊(duì)和工廠提供了方便的測(cè)試手段。

2 高度表綜合檢測(cè)系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

高度表綜合檢測(cè)系統(tǒng)以PC/104工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)PC機(jī)的地址總線和數(shù)據(jù)總線聯(lián)接不同功能的接口板進(jìn)行自動(dòng)與人工相結(jié)合的檢測(cè)完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程。檢測(cè)系統(tǒng)功能如方框圖1。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)功能方框圖

兩個(gè)高度表有許多檢測(cè)項(xiàng)目是相同或相近的，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)應(yīng)該放在РВ-21高度表檢測(cè)部分的設(shè)計(jì)上。兩個(gè)檢測(cè)設(shè)計(jì)中的有些部分可以復(fù)用，如速度/范圍模擬單元模塊和電壓測(cè)量的A/D模塊。在軟件設(shè)計(jì)中則分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)檢測(cè)界面，并根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目和測(cè)試流程的不同而編寫了檢測(cè)程序。檢測(cè)設(shè)計(jì)方面，在完成所有單項(xiàng)檢測(cè)的基礎(chǔ)上增加了多個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的連續(xù)檢測(cè)，并對(duì)檢測(cè)結(jié)果提供了保存、查閱和打印等功能。

3 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)的組成及功能

檢測(cè)儀硬件部分主要由PC/104核心控制系統(tǒng)、串并行碼轉(zhuǎn)換單元、檢驗(yàn)組合單元、速率/范圍模擬單元、電壓測(cè)量單元等幾部分組成。

串并行碼轉(zhuǎn)換單元功能主要是將來(lái)自PB-21高度表的32位串行碼（或者是由檢驗(yàn)組合單元產(chǎn)生的32位模擬串行碼）轉(zhuǎn)換城并行的二進(jìn)制碼，一路經(jīng)PC/104處理后，送入顯示單元顯示，另一路送檢查碼位電平的檢查孔做人工檢查。

檢驗(yàn)組合單元由串行碼模擬電路和譯碼電路兩部分組成，串行碼模擬電路的功用是模擬PB-21高度表工作時(shí)產(chǎn)生的32位串行碼，譯碼電路的功用是把從串并行碼轉(zhuǎn)換單元過(guò)來(lái)的并行二進(jìn)制“地址”碼送到地址信號(hào)譯碼器形成地址信號(hào)。

速率/范圍模擬單元主要用于模擬PB-21高度表（或WG-6高度表）輸出測(cè)距脈沖延遲變化的速率和高度范圍。

電壓測(cè)量單元的功能主要是將被測(cè)電壓信號(hào)取樣后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)轉(zhuǎn)換后，數(shù)據(jù)由PC-104總線送入PC/104控制系統(tǒng)，經(jīng)相應(yīng)優(yōu)化處理，送到顯示單元按數(shù)字方式直接顯示。

3.2 串并行碼轉(zhuǎn)換的CPLD實(shí)現(xiàn)

串并行碼轉(zhuǎn)換單元電路主要是將來(lái)自РВ-21高度表或者是由綜合檢測(cè)儀產(chǎn)生的32位雙極性串行碼轉(zhuǎn)換成并行的二進(jìn)制碼，串并行碼轉(zhuǎn)換單元電路包括節(jié)拍脈沖產(chǎn)生模塊、碼型變換模塊、分頻模塊、進(jìn)位脈沖和清零脈沖進(jìn)提取模塊、移位寄存器和存儲(chǔ)寄存器等幾部分。如圖4所示，32位雙極性碼經(jīng)電路濾波成單極性碼a碼和b碼后，a碼和b碼相或形成50KHz的連續(xù)節(jié)拍脈沖。在節(jié)拍脈沖的觸發(fā)下依次將輸入數(shù)據(jù)送入移位寄存器，在進(jìn)位脈沖的觸發(fā)下數(shù)據(jù)經(jīng)移位寄存器存放至存儲(chǔ)寄存器中，然后數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)總線送入PC/104處理后到顯示單元顯示。

圖2 串并轉(zhuǎn)換單元設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

其中jpmc（節(jié)拍脈沖）和fzmc（輔助脈沖）在“進(jìn)位脈沖和清零脈沖提取模塊”中將4位間歇期用8位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)的第5位形成jwmc（進(jìn)位脈沖）、第8位形成qlmc（清零脈沖）。在jpmc觸發(fā)下將32位串行數(shù)據(jù)依次送入移位寄存器中，而后在jwmc觸發(fā)下將移位寄存器中的數(shù)據(jù)一次并行送入存儲(chǔ)寄存器中，形成32位并行碼。最后在jpmc和qlmc觸發(fā)下將“移位寄存器”清零，等候下一個(gè)32位數(shù)據(jù)的輸入。圖3顯示了串并碼轉(zhuǎn)換仿真波形。

3.3速率/范圍模擬單元的設(shè)計(jì)

調(diào)整范圍實(shí)現(xiàn)高度表測(cè)距范圍程控距離調(diào)整。對(duì)速率進(jìn)行模擬時(shí)，采用可編程器件和數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生頻率可調(diào)的三角波電壓發(fā)生器，通過(guò)調(diào)整三角波的頻率，就可調(diào)整測(cè)距脈沖延遲變化的速率。速率和范圍模擬電路設(shè)計(jì)中共用了一個(gè)D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器件（美國(guó)AD公司的AD569）。圖4為控制電路的設(shè)計(jì)框圖。整個(gè)控制電路的設(shè)計(jì)思想主要是把模擬信號(hào)設(shè)計(jì)數(shù)字化。

圖3 串并碼轉(zhuǎn)換仿真圖

圖4 控制電路的設(shè)計(jì)框圖

電路進(jìn)行范圍模擬時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換電路接收計(jì)算機(jī)16位程控?cái)?shù)據(jù)輸入；進(jìn)行速率模擬時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換電路接收計(jì)數(shù)器16位數(shù)據(jù)輸入。

3.4電壓測(cè)量單元的設(shè)計(jì)

電壓測(cè)量單元主要用于完成對(duì)PB-21高度表（或WG-6高度表）規(guī)定需檢測(cè)電壓的測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)及時(shí)準(zhǔn)確的返回給PC/104核心控制系統(tǒng)，經(jīng)PC/104處理后，送入顯示單元實(shí)時(shí)顯示。電壓測(cè)量單元。圖5為電壓測(cè)量原理圖。

圖5 電壓測(cè)量原理圖

以測(cè)量交流115V電壓為例，對(duì)測(cè)量流程做簡(jiǎn)要說(shuō)明。當(dāng)對(duì)交流115V電壓進(jìn)行測(cè)量時(shí)，首先由計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，控制繼電器組把115V電壓接入測(cè)量電路，然后，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行交直流判斷，并發(fā)出接通交流開關(guān)指令，交流115V電壓被接入交流取樣電路，取樣后的交流電壓被送入交直流轉(zhuǎn)換電路完成交直轉(zhuǎn)換和濾波，轉(zhuǎn)換后的直流電壓送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)PC-104總線接口送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行修正和處理，最后送到顯示單元實(shí)時(shí)顯示。

4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采用Borland公司C++Builder 6.0軟件開發(fā)環(huán)境，在面向?qū)ο蟮拈_發(fā)思想下，著重強(qiáng)化軟件的可靠性，有效性，智能性和自動(dòng)化的特點(diǎn)，并在覆蓋了大修檢測(cè)設(shè)備全部設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加了一些重要的輔助檢測(cè)功能，比如報(bào)表打印，操作權(quán)限機(jī)制，工藝參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)定義等。

4.1 人機(jī)交互部分

進(jìn)入調(diào)度主程序后，針對(duì)РВ-21高度表和WG-6高度表檢測(cè)而分別設(shè)計(jì)了兩個(gè)檢測(cè)界面。每個(gè)管理主程序大致可分為操作界面設(shè)計(jì)、狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)模塊、控制信號(hào)產(chǎn)生模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊、顯示管理模塊、硬件操作模塊等若干部分，具體組成見圖6所示。

圖6 檢測(cè)軟件結(jié)構(gòu)圖

按檢測(cè)要求，在每個(gè)主模塊下面設(shè)計(jì)功能選項(xiàng)。對(duì)軟件中的各個(gè)模塊進(jìn)行功能編寫，為每個(gè)模塊中的功能檢測(cè)項(xiàng)分配PC/104地址、數(shù)據(jù)端口，形成子程序。然后在主程序中采取調(diào)用子程序的方法完成整個(gè)軟件。

4.2多線程檢測(cè)設(shè)計(jì)

軟件編寫采用了多線程的結(jié)構(gòu)體系，讓外部檢測(cè)始終運(yùn)行，數(shù)據(jù)通過(guò)子線程的執(zhí)行來(lái)進(jìn)行測(cè)量、顯示。從TThread類繼承而來(lái)的新類TThreadReadMeter,并新建一個(gè)實(shí)例對(duì)象，然后編寫函數(shù)完成檢測(cè)РВ-21高度表傳來(lái)的32位串行碼（或16位并行碼）信息和РВ-21（或WG-6）高度表狀態(tài)信息實(shí)時(shí)顯示；同樣從TThread類繼承而來(lái)的新類TThreadReadVol,并新建一個(gè)實(shí)例對(duì)象，編寫函數(shù)完成對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目中對(duì)需測(cè)電壓信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)量和顯示，所以在檢測(cè)過(guò)程設(shè)計(jì)三個(gè)線程：

（1）主線程：提供友好的人機(jī)對(duì)話界面，響應(yīng)用戶的操作指令，集中顯示測(cè)量的各種信息；

（2）高度、狀態(tài)信息測(cè)量線程：通過(guò)數(shù)據(jù)接口板接收來(lái)自轉(zhuǎn)換后的高度表32位串行碼和16位并行碼以及狀態(tài)指令，將其按一定各式轉(zhuǎn)換成高度、狀態(tài)信息，并實(shí)時(shí)在操作面板上顯示；

（3）電壓、電流測(cè)量顯示檢測(cè)線程：在檢測(cè)中對(duì)各各需要測(cè)量的電壓信號(hào)實(shí)時(shí)測(cè)量并在操作面板上顯示。

4.3 接口設(shè)計(jì)

考慮到本檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)硬件訪問(wèn)的復(fù)雜度，本文采用了基本的C語(yǔ)言進(jìn)行對(duì)硬件的端口訪問(wèn)。這是因?yàn)檐浖袑?duì)硬件的操作僅止于對(duì)端口的讀寫，而沒(méi)有DMA，中斷等復(fù)雜的操作。所以只要地址正確，就可保證訪問(wèn)的安全性。讀寫I/O端口總線的程序如下：

寫I/O端口：端口地址為380，nData380為所要寫到端口的數(shù)據(jù)變量：

_Outp(0x380,nData380)；

讀I/O端口：端口地址為386，從端口所讀的數(shù)據(jù)賦給變量nData386：

_Inp(0x386,nData386)；

5 結(jié)束語(yǔ)

綜合檢測(cè)儀以PC/104嵌入式計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，采用PC-104總線技術(shù)使系統(tǒng)具有軟、硬件設(shè)計(jì)易于擴(kuò)展和易于升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。硬件電路中數(shù)字電路部分的設(shè)計(jì)采用VHDL語(yǔ)言和FPGA器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，降低了電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高了系統(tǒng)集成度和抗干擾能力。利用C++ Builder 6.0先進(jìn)的技術(shù)在完成單項(xiàng)單項(xiàng)檢測(cè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目的連續(xù)自動(dòng)檢測(cè)，提高了檢測(cè)的效率。

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