陈 诚，黄大山

（中国人民解放军32272 部队41 分队，四川德阳 618408）

0 引言

随着科学技术的不断进步，国内各种新技术更新加快，复杂程度不断提高。装备性能提高的同时也促进了综合保障系统的改进与更新，作为综合保障主要工作的测试与诊断也受到越来越多的重视。众所周知，无论是装甲车辆上的火炮还是机枪，要想对目标实施有效打击，影响命中精度的众多因素中，距离信息是至关重要的。传统的目测距离以及光学分划测距，往往由于所测距离与实际值差距较大，而使首发命中率降低。随着上世纪60 年代激光的问世，现在用激光测距仪测距已经成为各种装备的主要测距方式[1]。

激光电源计数器是激光测距仪的重要组成部分，一般由各种电源电路、高压充电及控制电路、逻辑计数电路、显示译码电路等组成，其作用主要是为各部提供电源，完成测距计数并译码显示[2]。

在国内各型装备中，激光测距系统均采用相同技术，应用广泛。但由于该系统技术含量高，系统构成相对复杂，在使用维修上遇到许多新问题。根据调研的情况来看，这些装备测距系统故障频繁，可靠性问题突出，常出现的激光测距故障包括：不测距、测距数据错误、测距数据随机性漂移，出现问题的原因主要集中于激光电源计数器各单板故障引起供电电压波动、控制信号不准、发送能量弱等[3-5]。目前，激光电源计数器的故障排除主要依赖于使用和维修人员的经验，不仅效率低，而且由于维修人员流动性大等特点，造成故障诊断知识积累困难，难以得到很好的继承和发展。

因此，需要开展激光电源计数器故障自动化检测方面技术的研究。根据激光测距系统的结构特点，在装备现场发生故障后，利用检测设备的自动化检测，包括对整个故障设备的部件级检测和设备内各单板的检测，通过严格的时序控制、模拟信号采集[6-7]、实时数据信号处理[8-9]、结果自动比对分析、快速显示所有故障代码及说明等，准确找到设备的故障点，完成激光电源计数器设备和单板故障的准确快速定位，给维修人员提供科学、快速、简洁的维修方案，使维修过程简单化，从而提高维修保障效率。

1 检测系统总体设计

激光电源计数器检测设备主要是为了检测该装备电源计数器部件以及此部件中的常规电源板、高压电源板、控制板、计数板。通过专用电缆连接电源计数器部件到适配器接口板，通过将各被测单板插入相应适配器接口板插座，通过检测仪界面上图形化导航选择相关检测模块，实现对被测部件或单板输入输出的I/O 信号、模拟电压信号、总线通信等信号的自动检测，软件自动判断部件及各单板接口信号、单板内部相关模块及相关器件、具体信号的技术指标等是否合格，为检测维修人员提供快速的检测手段。

检测设备主要由这些部分组成：显示及外设、通用底板、电源综合输出板、核心CPU 板、适配器接口板1—5（分别对应：激光电源计数器部件、常规电源板、高压电源板、控制板、计数板），检测设备组成如图1 所示。

图1 检测设备组成框图

2 核心CPU 板设计

CPU 核心模块构架中将通用CPU 模块（核心CPU 板实物如图2 所示，上层为X86 主板，也可选用其他型号具备ISA 总线接口的CPU 主板）嵌入到测试系统中，经扩展后作为整个测试系统的核心模块，其主要组成及功能如下：

图2 核心CPU 板实物图

外设接口：显示接口可接CRT 或彩色液晶屏；标准鼠标/键盘接口；并行打印机接口（或USB 打印接口）；以太网通信接口。

三总线体制：CPU 核心模块的数据总线DB（16 位）、地址总线AB（16 位）、控制总线CB（读、写、IOCS16、MEMCS16、BHE等）等经隔离驱动（实现绝缘）后直接联接通用底板，这种方式的执行速度快，CPU 直接对I/O 地址或外存储器地址进行操作。

3 综合控制板设计

综合控制板采用模块化设计，分为隔离驱动、时序控制、总线控制、AD/DA 等部分组成，综合控制板原理框图如图3 所示。

图3 综合控制板组成框图

嵌入式CPU 接口模块：嵌入式CPU 接口模块支持商用PC104 核心板卡（如X86 主板或具备ISA 总线接口的其它CPU主板）标准接口。

时序控制模块：将CPU 的地址总线、控制总线处理后生成片选等信号经隔离驱动后送通用底板，与适配器及被测板进行双向信息交互。

总线控制模块：产生I/O 输出，在CPU 核心模块中有大规模可编程器件CPLD/FPGA，通过自主设计编程，直接锁存CPU数据总线的信号经隔离驱动后直接输出到总线板。根据被测单板需要，输出信号可以是电平信号，也可以是脉冲信号；接收I/O输入信号，I/O 输入信号通过适配器隔离驱动后进入CPU 核心模块，经FPGA 与CPU 进行数据实时交互。I/O 信号有两种，一种是电平信号，另一种是脉冲信号，由可编程器件FPGA 对电平信号及脉冲信号的占空比和脉冲宽度进行测量后，与CPU 进行数据实时交互。

模拟信号输入：在CPU 核心模块中有8 路12 位A/D，可采集模拟信号。

模拟信号输出：由CPU 核心模块控制，产生多路12 位D/A，可直接输出模拟量信号到被测单板输入接口，控制被测模块。

4 通用底板设计

通用底板是固定安装在机箱内，其多个插座上可插入（不分位置）：综合控制板、电源板、多种适配器板，通用底板组成如图4 所示。

图4 通用底板组成框图

数据总线：主要是CPU 模块的16 位高速双向数据总线。

地址总线：主要是CPU 模块的多位高速地址总线输出。

控制总线：主要是CPU 读、写、地址有效等控制总线输出。

片选输出：主要是选中相关适配器的地址选通信号输出。

I/O 输出：在综合控制板中有大规模可编程器件CPLD，通过个性化设计，直接锁存CPU 数据总线的信号经隔离驱动后直接输出到底板，输出信号可以是电平信号，也可以是PWM 信号。

I/O 输入：在综合控制板中有大规模可编程器件CPLD，底板来的I/O 输入信号有两种，一种是常用的高低电平信号，这种信号经隔离驱动后交给CPLD，CPLD 在CPU 读取I/O 输入信号时实现与CPU 交互；另一种是周期性时钟或单一片选信号，这种信号经CPLD 测量时钟占空比和脉冲长度后，CPU 直接读取CPLD 测量的值。

数字地线：整个测试系统中的数字地。

多路电源：整个测试系统使用的电源、输出给多种适配器板电源、输出给被测产品的电源，主要包括多路＋5 V、±15 V、＋26 V等电源。

模拟地线：整个测试系统中的模拟地。

AD 输入信号：在CPU 核心板中有8 选1 的12 位A/D，可采集模拟电压和其他模拟信号。

5 电源板设计

电源主要包括：测试仪用的系统电源（＋5 V、＋15 V、－15 V，＋26 V）和输出给适配器及被测产品板使用的电源（＋26 VS、＋5 VS、＋15 VS、－15 VS）。这些电源主要由电源模块产生，其实现框图如图5 所示。

图5 电源板组成框图

6 各适配器接口板设计

电源计数器部件主要的功能是提供激光测距所需的高压、低压直流电源；产生测距过程中所需的控制信号、时序；对目标距离进行计算；将计算的目标距离值送至火控计算机；将计算的目标距离值送至左目镜显示器中。

常规电源板产生+5 V 电源、产生±6 V 电源、将控制板计算的目标距离的BCD 码转换为7 段码。

高压电源板为发射激光提供能量，为发射机组件中氙灯提供电能，另一方面为接收机的探测元件（雪崩管）提供偏压电源。

控制板由各种时序电路组成，为激光测距进行了时序控制。控制板部分主要包括氙灯电源充电控制电路、自动增益控制电路、雪崩管电压控制电路、出光检测电路、“首/末”逻辑、“正常/坑干扰”逻辑电路、计数器自检电路、整形电路、目标距离锁存控制等电路。

计数板由计数时钟振荡器、整形电路、自检电路、计数电路、存储电路及清零电路等组成，计数板的计数范围为200～9990 m，测距精度为±5 m。计数电路包括6 块54LS192 构成两套十进制计数器。奇数目标距离值累计在一套计数器里，偶数目标距离值累计在另一套计数器里。整形电路主要是对出光信号取样和回波信号进行整形。计数时钟振荡器，为保证测距精度不大于5 m，选用29.979 MHz 晶振，作为计数时钟。自检电路，控制板产生的ZJ信号对计数板的计数控制和储存控制进行检查。储存电路，两套计数电路在出光后开门计数，标准时钟15 MHz 加给计数器，每来一个放大信号就依次分别将计数值写入两套FIFO 电路里，在测程结束后计数机在读取FIFO 里的数值进行处理，奇数目标距离累计写入一套FIFO 里，而偶数目标距离数值累计写入另一套FIFO 里。清零电路，给出50～70 μs 脉宽，使计数电路及触发器清零，从而保证准确的测距。

根据以上计数器部件和各单板性能，设计了电源计数器各适配器板的功能框图（图6）。

图6 检测仪各适配器接口板组成框图

通用底板接口：适配器板与通用底板间的配对接插件，所有适配器板都相同。

信号隔离、驱动模块：适配器板与通用底板及被测单板间信号的隔离、保护、驱动功能，对电源类采用电容、电阻等处理；对I/O 信号采用串联小电阻进行保护处理；对地址、总线、脉冲等信号使用245 进行隔离和驱动处理；实现对适配器板的保护功能。

直流电压产生模块：在译码控制电路模块的控制下，将输入的+26 V 电源通过继电器选通输出给被测的常规电源板。

译码控制模块：对CPU 地址总线、I/O 读写信号进行实时处理，产生直流电压供给模块所需的继电器选通信号、54HC4511检测模块所需的数据总线锁存及读取数据的片选信号、电压信号调理模块所需的多个电压选通信号。

时序控制模块：主要由CPLD 实现，为VHDL 语言开发，提供电源计数器部件和各单板所需时序控制信号，锁存计数器部件和各单板反馈输出的数字信号，供CPU 读取分析。

模拟信号调理模块：模拟信号调理模块主要由AD7501 实现，多路电压输入，在选通信号控制下选择一路模拟信号进入反馈通信（VF），供综合控制板实时采集分析。

适配器板接口：适配器板与被测常规电源板插座相对应的配对接插件，每种适配器接口信号定义不同，接口插座插头不尽相同。

7 故障检测实现

7.1 检测仪实物组成

根据检测系统总体设计原理图，结合检测仪各单板功能，研制出激光电源计数器实物，如图7 所示。

图7 激光电源计数器实物

7.2 检测仪功能实现

7.2.1 系统自检

通过点击单操作区域系统自检功能按钮，程序将自动连续检测设备内所有电源，主要分为：

（1）系统电源：主要包括输入（＋5 V、＋15 V、－15 V）和输出电源（＋26 V、＋5 V、＋15 V、－15 V）。

（2）适配器接口板（用于对接电源计数器部件）上电源检测，主要包括＋26 V。

（3）适配器接口板（用于对接常规电源板）上电源检测，主要包括＋26 V。

（4）适配器接口板（用于对接高压电源板）上电源检测，主要包括＋26 V。

（5）适配器接口板（用于对接控制板）上电源检测，主要包括＋5 V。

（6）适配器接口板（用于对接计数板）上电源检测，主要包括＋5 V。

激光电源计数器系统自检结果如图8 所示。

图8 激光电源计数器系统自检结果

7.2.2 部件检测

通过点击单操作区域部件检测功能按钮，程序在通电的瞬间检测其工作电源是否合格，如存在短路等异常情况，程序自动切断供给其的所有电源，主要包括以下检测项：

输入电源：+26 V。

输出电源：+6 V、-6 V、+150 V（FIRE）、+600 V（HV）、KHVAPD。

激光电源计数器部件检测结果如图9 所示。

图9 激光电源计数器部件检测结果

7.2.3 单板检测

通过点击单操作区域单板检测功能按钮，可以对激光电源计数器各单板进行检测，这里以常规电源板为例。程序在通电的瞬间检测其工作电源是否合格，如存在短路等异常情况，程序自动切断供给其的所有电源，主要包括以下检测项：

输入电源：+26 V。

输出电源：+5 V、+6 V、-6 V。

激光电源计数器常规电源板检测选择页如图10 所示，激光电源计数器常规电源板检测结果如图11 所示。

图10 激光电源计数器常规电源板检测选择页

图11 激光电源计数器常规电源板检测结果

通过检测结果可以看出，左边为常规电源板通电正常的检测结果；右边显示+5 V 电源不合格，并给出了故障代码，通过对比系统专家库可知为保护二极管VD1 损坏。

8 结束语

利用大规模可编程逻辑器件和数据处理技术，对激光电源计数器检测设备进行了设计与实现，有效解决了车辆维修效率低、维修费用高等问题，给维修人员提供了科学、快速、简洁的维修依据：一是利用了大规模可编程逻辑器件来模拟激光电源计数器的检测环境；二是基于数据处理技术，对检测系统的关键技术进行了研究；三是分析了检测设备的功能，并对设备的硬件和软件进行了设计。通过运行该检测设备，可以快速地对激光电源计数器进行检测，并准确定位故障所在。