基于PLC的直升机导弹发射控制检测系统的设计

李海军，王殿宇

（海军航空工程学院兵器科学与技术系，山东烟台264001）

基于PLC的直升机导弹发射控制检测系统的设计

李海军，王殿宇

（海军航空工程学院兵器科学与技术系，山东烟台264001）

针对某型直升机导弹发射控制系统尚无检查装置，设计了基于PLC技术的检测系统，采用原位测试理念，在不拆卸发控设备的情况下对导弹发控系统进行无损检测。通过地址映射的方法将1553B总线芯片接载进PLC系统，摆脱了1553B总线在单片机板卡上应用的桎梏，利用PLC简捷的编程语言方便地实现了总线通信，有良好的应用前景。

可编程控制器；发射控制；1553B总线；测试

直升机导弹发射控制系统作为导弹武器系统的“大脑”，能接收并执行指挥系统下达的指令，对位于发射架上的导弹发送各种控制信号，接收导弹回送的各种状态信息，完成导弹参数装订和发射控制任务。因发控系统所包含的设备结构复杂，多次拆卸会降低使用寿命，且系统中信号交联关系复杂，所以部队在发控系统检查中面临的问题很多。针对目前某型直升机导弹发射控制系统尚无配套检测设备，设计了基于可编程控制器（Program⁃mable Logic Controller，PLC）的检测系统，采用原位测试理念，在直升机地面维护过程中将检测系统模拟成导弹挂载在导弹发射架上，使其与直升机进行信号交互，采集并分析信号属性，从而判断发控系统的工作状态。

1 检测系统总体设计

直升机导弹发射控制检测系统用于在地面测试直升机导弹发控通道的性能，它通过模拟导弹为发射控制系统提供准确的导弹状态信息，给出发控设备的激励信号，在直升机按规程执行发射控制任务的过程中与发控设备通信。在模拟导弹进行信号交互时精确测试导弹发射控制系统提供给导弹接口信号的正常与否，以此验证飞机发控系统的主要性能参数是否满足工作要求。

根据上述分析，直升机导弹发射控制检测系统应具备如下功能：

（1）拥有与直升机相匹配的电气接口；

（2）能模拟与导弹发射控制系统相关联的导弹的电气特性及弹上的工作状态；

（3）可方便地模拟出导弹的自检、射检结果；

（4）代替弹载计算机与发射控制系统进行命令和数据通信，包括离散信号和总线数据；

作为豫西重要的成矿地质单元，熊耳山地区找矿历来备受大家关注，其独特的成矿构造单元特征，决定了该区矿床的成因和类型[13-14]。槐树坪金矿床位于熊耳山北麓银、金、铜、铅、锌多金属成矿带，区内岩浆活动强烈，断裂构造发育，为一重要的构造岩浆活动区。在太古宙晚期，发育基底岩系太华群，构成本区结晶基底，为金矿物质的原始区，其后经历了中元古代裂谷发育阶段，该阶段伴有大规模火山喷发，形成熊耳群火山-沉积岩建造，成为覆盖在结晶基底(太华群)之上的盖层，古生代至中生代，由于造山运动的影响，该区成为隆起区，到燕山期，岩浆活动再次大规模喷发，多期次喷发构成复式花岗岩基，有利于构造蚀变岩金矿化的生成。

（5）能完成完整的发射流程；

（6）可采集来自直升机的信号并判断其属性；

（7）可进行故障诊断；

（8）拥有抗干扰措施。

直升机导弹发射控制检测系统是基于PLC设计的，系统的主控单元是深圳矩形科技公司的N80型PLC，并设计了输入输出接口模块、信号调理模块、1553B通信模块、RS 232通信模块和FLASH ROM模块，系统的硬件结构框图如图1所示。系统选择矩形科技公司所设计的VLadder软件作为PLC的编程软件，并选择LabWindows/ CVI作为实现PLC与上位机通信的编程软件。

图1 系统硬件结构框图

2 系统硬件设计

2.1 主控模块模块

主控模块负责按照导弹发射规程完成相应的控制任务，是检测系统完成任务的核心部件。直升机导弹发射控制检测系统作为军用产品必须能够适应复杂多变、条件严酷的战场环境，PLC基于其可靠性高、控制灵活性好、易于完成各种复杂控制的特点[1]，在单片机、继电器系统等产品中脱颖而出，特别适合环境较为恶劣和可靠性要求高的军事应用。军品PLC能够满足电磁兼容、温度、振动冲击、三防等航空产品的国军标要求，因此采用军品级PLC作为检测系统的主控单元。

为了满足货架式商品的要求，使军用设备能简便地更换、维修，保证不泄露军事秘密，检测系统选择深圳矩形公司自主生产设计的N80型PLC。该型PLC相比应用广泛的三菱FX系列PLC[2]，所有器件均满足军标要求，拥有完全自主知识产权，采用军用一次加固技术，环境适应范围宽，支持多种通信接口和协议。

检测系统通过输入、输出接口实现与直升机的信号交联，考虑到系统应用环境的复杂性，为保证交联信号的完整性，系统的输入、输出接口必须设计抗干扰措施，具备抗干扰能力。为了尽可能地节约研究经费，又保证系统的可升级性，在输入、输出接口的设计过程中预留了10%的备用量。

2.3 信号调理模块

导弹发射控制系统的逻辑控制关系复杂，信号属性多样，因此必须对信号进行调理，使直升机与检测系统能互相识别传递的信号。为了实现系统和直升机之间的电气隔离，采用光电隔离技术，将直升机输出的各种信号转换成系统可以识别的数字量；使用继电器实现控制信号的输出，为了实现继电器控制以及实现控制信号与驱动信号的隔离，采用TLP521⁃4光电隔离电路芯片，控制信号经光电隔离输出后通过ULN2803，用于完成信号的驱动。

2.41553 B通信模块

1553B总线是广泛应用于航空系统中的时分制串行总线，实时性强，可靠性高。直升机导弹发射控制系统的自检、射检和装订参数等过程均有1553B总线[3]的参与，直升机的接口控制文件定义了传输过程中1553B总线数据的意义，因此检测系统必须设计1553B通信模块担负起通信任务。目前国内外PLC系统中1553B模块的设计尚属起步阶段，在可查的资料中多是单片机系列的1553B板卡[4⁃6]，本系统基于PLC设计了1553B模块，将PLC内部部分I/O空间划分成RT地址空间，并将1553B芯片缓存中的数据同步于I/O空间中。

2.5 RS 232通信模块

检测系统使用前需要通过RS232通信模块连接上位机下载检测软件，在对检测过程进行事后分析时，也需要连接上位机下载通信数据并读取FLASH ROM。

2.6 FLASH ROM模块

检测系统在检测过程中会产生大量的数据，如直升机发送的指令、检测系统输出指令和总线数据等，这些数据必须实时保存并且掉电保持，使用FLASH ROM模块记录这些信息可保证信号的完整性，并且使PLC的编程简单化[7]。

3 系统软件设计

检测系统使用矩形科技公司配套的VLadder软件进行PLC的编程，VLadder软件采用工程（project）观念，通过可视化的方式令程序开发过程中涉及的相关元素分模块展现出来，使编程环境一目了然。为了提高软件与用户的良好交互性、可操作性，其工作窗口的每个属性功能都拥有各自独立的操作窗口，而梯形图代码中使用的变量在各个功能窗口中有着紧密的联系，从而可以以变量为中心很方便地从一个窗口跳转到另一个功能窗口。VLadder软件一个重要的功能便是提供了仿真软件，给用户提供梯形图程序仿真、调试的平台。

检测系统软件结构采用模块化设计，其结构如图2所示。

图2 检测系统软件结构图

主程序是测试系统工作的主界面，提供系统各功能模块的接口。

测试系统自检模块：为了提高系统的自保障性能，设计系统上电自检程序，发现系统任何硬件模块故障，都会通过故障灯指示出来。系统的自检是通过利用PLC发送信号，查验输入、输出通道功能正常与否完成的。

数学及逻辑运算模块：处理与直升机交互过程中的总线数据，并根据直升机发送来的参数装订数据和导弹状态信号，经数学运算判断是否符合导弹发射要求，控制输入、输出接口生成相对应的反馈信号。

信号接收与反馈模块：接收来自飞机的非总线信号，分析信号属性，判断后控制输入、输出接口产生相对应的回答信号。

导弹状态反馈模块：检测系统收到直升机指令时，按照导弹发射控制时序及逻辑要求，模拟导弹进行状态的实时变更，并通过1553B总线反馈给直升机。

信号状态记录模块：对直升机向检测系统发出的各种指令及控制信号的状态、时机和测试系统模拟的导弹状态进行记录。设计掉电保存程序，对参数设定、发射控制及导弹状态回答等情况进行事后分析和状态评估。

状态监控及故障诊断模块：为事后分析需要，通过MODBUS主从站协议，下载信号状态记录模块保存的信息。将这些数据与正常信号进行比对，判断直升机发射控制系统正常与否。

程序下载及系统维护模块：为了保障软件调试和软件升级维护的便捷性，设计程序下载及系统维护模块，通过RS 232串口实现PC机与PLC的通信，进行软件系统的日常维护与升级。

4 PLC系统1553B模块设计

目前国内外对于1553B总线的应用绝大多数仍处于基于单片机板卡的应用阶段，其I/O接口电路复杂，编程语言繁琐，只适用于专业技术人员。PLC技术以其可编程改变I/O接口，且编程语言对于一线技术工人即可掌握的优点，在1553B总线模块的开发上有着巨大的优势。

基于PLC设计的1553B芯片分为编解码模块、地址映射模块、寄存器组模块、管理控制模块、时钟分频模块[8]。编解码模块实现16位并行数据与曼彻斯特Ⅱ型双相电平码的相互转换。地址映射模块负责访问读写寄存器组模块，通过地址映射与PLC进行信息交互。寄存器组模块分为两部分，一部分为初始配置寄存器，负责初始化1553B芯片，另一部分为状态寄存器，负责记录1553B芯片的工作状态。管理控制模块是1553B芯片的控制核心，负责按照1553B总线协议要求执行总线命令，实现信息通信。时钟分频模块针对各模块不同的频率要求提供相应的时钟信号。1553B总线模块结构图如图3所示。

运用PLC技术设计的1553B模块关键技术便是应用了地址映射，在地址映射模块内配置有I/O链接模块。此模块内用于传送数据的I/O区有双重地址，PLC与1553B芯片均可以对相应地址进行读写，从而使得PLC的I/O空间能与1553B芯片的远程终端地址一一对应。其映射空间的大小为1 024个字，将PLC部分I/O空间（48 000～49 024）分为32块，每块32个字，对应32个RT地址。

图3 1553B总线模块结构图

5 结语

该直升机导弹发射控制检测系统利用PLC技术的高可靠性，模拟导弹实现了与直升机的信息交互，根据故障指示灯可方便地查明发控系统的性能，有效解决了部队实际应用中所面临的检测困难。所设计的1553B模块摆脱了1553B总线芯片在单片机上应用的局限性，利用地址映射思想，依托PLC技术简单的编程语言，实现了1553B总线通信功能，极大地简化了编程步骤，提高了系统的可靠性。

[1]咸庆信，类研法.PLC技术与应用：专业技术入门与精通[M].北京：机械工业出版社，2011.

[2]简立明，刘欢.三菱PLC的状态编程法在顺序控制系统中的应用[J].自动化应用，2011（2）：44⁃47．

[3]雷勇，吴勇，潘莉，等.基于USB的通用1553B总线综合监测仪设计[J].火力与指挥控制，2011，36（4）：158⁃161．

[4]刘军辉，齐春，屈金标.基于物理层采样数据和软件译码的1553B总线数据获取技术研究[J].计算机测量与控制，2013，21（8）：2282⁃2285．

[5]周莉，安军社，谢彦，等.基于ASIC技术的1553B IP核的设计[J].空间科学学报，2014，34（1）：127⁃136．

[6]刘锐，赵加凤，付平.基于FPGA的PXI⁃1553B模块设计[J].电子测量技术，2009，32（11）：99⁃101．

[7]李佳，王广林.PLC编程中数据结构和指针的应用[J].数控技术，2013（4）：123⁃127．

[8]王占领，张登福，李云杰，等.便携式1553B总线通信接口卡的设计与实现[J].火力与指挥控制，2014，39（5）：123⁃127．

Design of PLC⁃based detection system for helicopter missile launch control system

LI Hai⁃jun，WANG Dian⁃yu
（Department of Armament Science and Technology，Naval Aeronautical and Astronautical University，Yantai 264001，China）

Since there is no inspection device for a certain type of helicopter missile launch control system，the detection system based on PLC technology is designed.With the in⁃situ testing idea，the nondestructive testing for the missile launch con⁃trol system was achieved without disassembly of the launch control device.The 1553B bus chip is picked up into PLC system by the method of address mapping，by which the shackle in application of 1533B bus on microcontroller interface card is get rid of. The communication with the bus is implemented by the aid of simple PLC programming language.The proposed method has a good application prospect.

PLC；launch control；1553B bus；measurement

TN06⁃34；TP302.1

A

1004⁃373X（2015）09⁃0035⁃03

李海军（1965—），男，山东宁津人，教授，硕士研究生导师。主要从事武器系统测试与健康管理方面的研究。

2014⁃11⁃21