一种空地导弹发射过程模拟器的制作方法

本发明涉及测试和自动控制领域，具体为一种空地导弹发射过程模拟器。

背景技术：

随着自动控制技术的不断发展，武器设计和生产的智能化水平得到不断改善。模拟、仿真技术在许多高新技术领域部门，特别是航空、航天领域等得到了广泛的应用。目前，导弹模拟器的研究受到了很大重视，许多学者致力于这方面的研究。

导弹模拟器既可以和地面发控系统进行对接，用于实验室的联调试验，验证发射流程的正确性，令使用人员熟练掌握地面发控系统的操作，作为地面综合保障设备使用；又可以与无人机进行匹配试验，用于部队的日常训练，作为真实导弹的替代品进行某些高成本消耗试验及危险性试验，提高安全性并有效降低成本。

技术实现要素：

为模拟空地导弹处于发射过程时的工作状态，判定发射装置为导弹正常发射所提供的指令信号是否正确，同时模拟导弹的电气特性和结构特性，本发明提出一种空地导弹发射过程模拟器，实现的功能主要有：(1)模拟导弹在发射过程中的工作流程和逻辑；(2)模拟导弹和发射装置之间的数据通信功能；(3)模拟导弹的电气接口特性和结构特性；(4)检测发控系统的模拟输入信号；(5)显示、存储和导出采集及接收到的数据；(6)模拟规定的故障状态。

本发明的技术方案为：

所述一种空地导弹发射过程模拟器，其特征在于：由外壳体和内部电路板组成；

所述外壳体为直径与导弹直径一致的筒状结构，壳体上包括电气接口，滑块和6个指示灯，其中电气接口模拟导弹与发控系统之间的脱插接口，滑块模拟导弹上滑块的位置和尺寸，6个指示灯分别指示FK1路电压状态、FK2路电压状态、电池激活状态、发动机点火状态、通信状态、分离状态；

内部电路板上包括电源模块、控制单元、通信模块、信号处理模块、状态显示模块和数据存储模块；通过电气接口，外部发控系统按照发射时序向内部电路板输入的电气信号包括：FK1路电源、FK2路电源、激活信号及其备份信号、发动机点火信号及其备份信号、电气零点信号和电气分离信号、RS422通信信号；

电源模块为导弹模拟器内部各单元供电；

控制单元由主控制芯片及其外围电路组成，按照发控系统与导弹之间的通信协议完成发射流程时序控制、AD采集控制、驱动输出控制、状态显示控制、数据通信功能；

通信模块接收RS422通信信号，并和主控制芯片上的RS422接口连接，实现发控系统与导弹模拟器之间的数据通信功能；

信号处理模块包括模拟量输入检测、脉冲信号检测及信号反馈三个模块；

模拟量输入检测模块包括光耦隔离电路、分压电路和AD采集三部分，对发控系统输入的FK1路电源和FK2路电源进行采集，并将AD转换后的数字信号送入主控制芯片进行判断；

脉冲信号检测模块包括霍尔电流传感器电路和AD采集两部分，对发控体统输入的两路电池激活信号和两路发动机点火信号进行采集，并将AD转换后的数字信号送入主控制芯片进行判断；

信号反馈模块包括继电器组及外围控制电路，对发控系统输出的电气分离信号、电气零点信号进行处理和反馈；

状态显示模块受主控制芯片控制，驱动外壳体上6个指示灯在对应状态下点亮；

数据存储模块对模拟试验过程数据进行记录存储。

进一步的优选方案，所述一种空地导弹发射过程模拟器，其特征在于：通过电气接口输入的电气信号中，FK1路电源和FK2路电源为28±4V的直流电压信号；激活信号及其备份信号；发动机点火信号及其备份信号为4～6A的电流脉冲信号；电气分离和电气零点信号为开关信号，初始为常开状态；RS422通信信号为双向数字信号。

进一步的优选方案，所述一种空地导弹发射过程模拟器，其特征在于：所述电源模块以FK2路电源作为输入电源，并转换为需要的工作电压；电源模块中首先对输入的FK2路电源进行滤波、防反接和过流保护处理，再经过DC-DC开关电源和LDO线性稳压器两级稳压转换为工作电压。

有益效果

本发明设计的导弹模拟器已经完成了系统的设计、开发、调试等一系列工作，并成功和某型号导弹地面发控系统进行匹配和测试，产生的有益效果如下：

由于不同型号导弹的电气信号有很多共性的部分，模块化设计的思想可以较容易的将系统扩展至其它型号导弹使用，增加了系统的通用性；模块化的设计使得现场维修更加方便，节约了维修时间；为今后类似设备的开发提供了技术积累。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1导弹模拟器功能模块框图；

图2模拟器内部信号传输流程图；

图3电源防反接和过流保护电路；

图4电源模块原理框图；

图5控制单元工作原理框图；

图6RSM3422P收发器原理图；

图7电压采集电路原理图；

图8激活电流采集电路示意图；

图9电气分离信号反馈电路原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明中的导弹模拟器由外壳体和内部电路板组成。

外壳体为具有类似导弹的筒状外形，直径和导弹保持一致。壳体上包括电气接口，滑块和6个指示灯。其中电气接口完全模拟导弹与发控系统之间的脱插接口，滑块完全模拟导弹上滑块的位置和尺寸，6个指示灯分别指示(1)FK1路电压状态；(2)FK2路电压状态；(3)电池激活状态；(4)发动机点火状态；(5)通信状态；(6)分离状态。

导弹模拟器内部电路由电源模块、控制单元、通信模块、信号处理模块、状态显示模块和数据存储模块等组成，各模块之间协作配合，共同实现上述模拟器功能，如图1所示。

如图2所示，发控系统通过导弹模拟器外壳体上的脱插与导弹模拟器进行电气信号的相互传输。遵循导弹通信协议的要求，发控系统按照发射时序输入不同的电气信号，包括：FK1路电源、FK2路电源、激活信号及其备份信号、发动机点火信号及其备份信号、电气零点信号和电气分离信号、RS422通信信号等。

(1)FK1路电源和FK2路电源为28±4V的直流电压信号，经过模拟量检测模块中AD芯片的采集转换后进入控制单元进行判断，若电压大小符合要求，则点亮对应的状态指示灯。

(2)激活信号及其备份信号、发动机点火信号及其备份信号为4～6A左右的电流脉冲信号，经过脉冲信号检测模块采集转换后进入控制单元进行判断，若符合信号特征要求，点亮对应的状态指示灯。

(3)电气分离和电气零点信号为开关信号，初始为常开状态。当模拟器收到发控系统发出电气分离或电气零点指令时，控制单元发出控制信号，控制继电器闭合，并将闭合后开关信号反馈给发控系统。

(4)RS422通信信号为双向数字信号，主要用于模拟器和发控系统之间的数字通信。

下面将详细说明模拟器内部电路中每个模块的功能、组成及电路设计。

电源模块：

电源模块为导弹模拟器内部各单元供电。模拟器使用发控系统中的FK2路电源(28V)作为输入电源，然后在内部转换成需要的工作电压。发控系统中的FK2路电源通过外壳体上脱插接口中定义为FK2路电压+、-的两个管脚输入。

电源模块需要保证较高的可靠性和稳定性。首先，对脱插接口输入的FK2路电源进行滤波处理，采用MOS管防反接电路和自恢复保险丝限流的方法增加可靠性，电路如图3所示，其中R1～R3为电阻，C为电容，Fuse为自恢复保险丝，LED为发光二极管，Vin+和Vin-分别表示FK2+和FK2-，Vout和GND表示模拟器内部电源的+和-。

在模拟器内部采用DC-DC开关电源结合LDO线性稳压器两级稳压的转换方式增加电源的稳定性，原理框图如图4所示。

控制单元：

控制单元是导弹模拟器内部电路板的核心组成部分，由主控制芯片及其外围电路组成。按照发控系统与导弹约定的通信协议完成发射流程时序控制、AD采集控制、驱动输出控制、状态显示控制、数据通信等功能，工作原理框图如图5所示。

为满足导弹20ms的通信周期要求，主控制器的程序响应时间必须足够块。借助以往经验，主控制芯片选择Microchip公司生产的32位PIC芯片PIC32MX360F256L，该芯片CPU速度最高可达80MHz，本发明采用外部晶振工作模式，晶振大小选择8MHz，指令周期为0.125μs，程序响应时间为μs级，可完全满足数据通信周期的要求。

通信模块：

通信模块由RS-422收发器RSM3422P组成，该模块和主控制芯片上的RS422接口一起，实现发控系统与导弹模拟器之间的数据通信功能。

RSM3422P收发器自带隔离特性，可以有效提高通信线路的抗干扰能力，增加通信的稳定性。通信模块电路原理如图6所示，MCU指主控制芯片PIC32MX360F256L。

信号处理：

信号处理部分包括图1所示的模拟量输入检测、脉冲信号检测及信号反馈三个模块。

模拟量输入检测模块包括光耦隔离电路、分压电路和AD采集三部分，该模块对发控系统输入的FK1路电源和FK2路电源进行采集，并将AD转换后的数字信号送入主控制芯片进行判断。

脉冲信号检测模块包括霍尔电流传感器电路和AD采集两部分，该模块对发控体统输入的两路电池激活信号和两路发动机点火信号进行采集，并将AD转换后的数字信号送入主控制芯片进行判断。

信号反馈模块包括继电器组及相关控制电路，该模块对发控系统输出的电气分离、电气零点等指令进行处理和反馈。

以下是信号处理部分各模块具体的电路设计：

模拟量输入检测

为了减少干扰，对进入导弹模拟器的模拟量信号进行光耦隔离。导弹供电电压FK1和FK2均为28V大小的电压，常用的AD采集芯片输入电压范围多为0～5V。因此，首先通过分压和滤波处理将输入的电压信号调理至标准模拟采集输入范围内，再进行AD采集和转换，电路原理图如下(R4、R5为分压电阻，C1、C2为滤波电容)。

脉冲信号检测

脉冲信号共四路，弹上电池激活信号为5A左右的电流脉冲信号，发动机点火信号为10A以上的电流脉冲信号，直接检测大电流信号有一定困难。因此，本发明使用霍尔电流传感器+AD采集的方式来检测四路脉冲电流信号，首先通过霍尔传感器将大电流信号转换为容易采集的小电压信号，再进行AD采集和转换，如图8所示。

信号反馈

信号反馈主要指电气分离、电气零点等信号的反馈。电气分离和电气零点状态均为通断信号，初始时为常闭状态，在导弹发射过程中，按照工作时序的要求，当接收到发射装置的相关指令时，改变其初始状态并反馈给发射装置。通断状态的改变由主控制器控制驱动电路从而控制继电器触点的开闭状态来实现，将这2路信号及其回线信号分别接入继电器开关的两端，原理如图9所示(以电气分离信号为例，KZ为控制单元给出的控制信号，RELAY指继电器)。

状态显示和数据存储

状态显示模块主要设置在模拟器外壳体上的6个LED灯，每个LED灯指示一种状态，包括：(1)FK1路电压状态；(2)FK2路电压状态；(3)电池激活状态；(4)发动机点火状态；(5)通信状态；(6)分离状态。状态正常时，点亮相应的LED灯。

数据存储模块由FLASH存储芯片组成，主要对每次试验的日期、时间、模拟量采集结果、发射诸元信息等进行记录，供以后分析数据时使用。采用循环存储的方式，按照保存数据不小于100组计算，128MB大小的FLASH就能完全满足使用要求，存储的数据可通过232串口导出至上位机。

本发明设计的导弹模拟器能够实现故障模拟功能：弹上设备自检异常、设备状态异常、电池激活异常、离轨异常等，通过软件编程的方式进行规定的故障模拟，以检测异常状态下导弹发射流程的执行情况。

本发明的导弹模拟器在电路设计时充分考虑冗余，电路板主要元器件最大允许工作电流加起来，外加30％的裕量作为负载电流，保证电路不过载，始终处于正常工作状态下。

本系统中同时存在多路模拟和数字信号，容易产生电磁干扰。因此，通过PCB板的电磁兼容性设计来有效解决这个问题。主要措施有：(1)在板子布局时将模拟信号和数字信号尽量分开，模拟地和数字地之间相互隔离；(2)在布线时遵循一定的规则(避免直角走线，采用45角走线等)。

通过本发明提出的空地导弹发射过程模拟器，能够实现模拟导弹在发射过程中的工作流程和逻辑；模拟导弹和发射装置之间的数据通信功能；模拟导弹的电气接口特性和结构特性；检测发控系统的模拟输入信号；显示、存储和导出采集及接收到的数据；模拟规定的故障状态。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。