某自行高炮全炮位移三分向測試系統設計

唐莞洋

（中北大學 光電儀器廠，山西太原030051）

經典的自行高炮射擊理論，很難精確預測其發射時的運動和受力變化規律，根本原因在于該理論是建立在剛性、平面、靜止平衡等基本假設條件基礎上的[1]。相當于認為高炮所有零部件和土壤都是剛性體，發射過程中高炮所有的運動和受力，均位于一個對稱平面內，既沒有平面方向的平動，也沒有空間方向的跳動，剩下的只是炮的身管后坐部分相對于搖架沿炮膛軸線方向，作往復直線的后坐和復進運動。根據以上假設所建立起的發射時的動力有效模型，并用于求解高炮的運動位移，試驗結果和實測結果差距較大[2~3]。由于高炮各零件本身、零部件的彈性變形和地面的彈塑性，在主動力炮膛合力、彈丸回轉力矩和全炮重力的共同作用下，車載自行高炮會沿三個坐標軸方向直線位移。

在炮射試驗中，我國研制的自行高炮的首發命中率是非常高的，要想根據首發炮彈的彈著點，修正自行高炮方向，從而提高次發命中率，也需要研究其首發后的位移方向，以尋找合適的時機發射次發炮彈，提高次發命中率[4]。因此，獲得自行高炮主要零部件的位移運動規律，為炮的動態設計提供有力的理論事實依據，意義非常重大。

1 系統的總體設計

鑒于自行高炮位移變化的復雜性，設計方案采用三分向的測試方法。系統原理框圖如圖1所示。位移傳感器信號輸入記錄設備內部，通過內部信號調理電路、C8051F自帶A/D轉換電路轉換為數字信號，經硬件FIFO緩沖后，進行實時采集和存儲記錄[5]；上電后，記錄設備首先進行系統初始化工作，初始化完成后，判斷內部數據存儲器是否有數據。有數據，則進入讀數和設置狀態；無數據，則立即進入數據采集記錄狀態，記錄時間可以自行控制；重新上電后，進入讀數和設置狀態，對記錄儀內部存儲器的數據進行讀取和分析。

圖1 系統結構框圖

2 硬件電路設計

系統的硬件電路，主要包括位移傳感器，供電電路，信號調理電路，采集電路和記錄體組成。位移傳感器將被測物體位移變化，轉變為直流標準信號，供電電路為整個系統提供供電，信號調理電路將標準電壓信號調整在C8051F單片機的參考電壓之內，AD轉換后經FIFO緩沖，保存在記錄體內部，通過上位機將數據顯示在PC機上，繪制數據波形，直觀顯示自行高炮在發射炮彈時位移情況。

3.1 位移傳感器

選用GD19系列通用型直流LVDT位移傳感器，該傳感器外徑為Φ19 mm；內置放大器的一體化結構，抗干擾能力強；無滑動觸點，可靠性高，使用壽命長；分辨率高，響應頻率高，重復性好。

LVDT（Linear.Variable.Differential.Transformer）是線性可變差動變壓器的縮寫，它由一個初級線圈、兩個次級線圈、鐵芯等部件組成。通過初級線圈與初級線圈電磁耦合，使得鐵芯的位置變化量與次級兩個線圈輸出電壓之差呈線性關系。這一原理被廣泛應用于測量預先被轉換成直線位移的各種物理量，如拉伸、膨脹、直徑、差壓、力等，具有無滑動觸點、功耗低、分辨率高、使用壽命長、可以在高溫、高濕、粉塵等惡劣工況下使用等特點。

GD19系列產品采用了國外同類產品的先進生產工藝，將信號放大電路內置于傳統的LVDT當中，這種一體化的預校準型產品，讓用戶安裝使用更加簡單、便捷，輸出的標準電壓信號更適合與通用型數字顯示表連接，直接觀察。

由于自行自行高炮炮膛與炮體的剛性連接，炮體的位移變化能反映全炮的位移變化。所以為了真實的反應自行高炮的位移變化，分別在炮體的三個方向安裝位移傳感器。

3.2 供電電路

為了增大產品的使用范圍，系統采用自帶電源供電。供電電路如圖2所示。

圖2 系統供電電路

網標VCC連接電池，電池選用兩節3.7 V供電的鋰電池。供電電路通過場效應管控制供電的通斷：合上開關前，U3的3腳和4腳的電壓相等，等于電池電壓，U3不導通，系統沒有電；合上開關后，U3的2腳電壓高于1腳電壓，則1腳與7、8腳導通，則4腳接地。此時3腳電壓高于4腳，則3腳與5、6腳導通，電池電壓通過場效應管。通過C14、C15濾波，電池電壓經S818轉換為3.3 V，為記錄系統供電。

3.3 數據采集電路

數據采集電路由信號調理電路、單片機和存儲單元組成。信號調理電路將位移傳感器輸出的標準電壓信號，調理到C8051F單片機參考電壓范圍之內，單片機采集調理后的電壓信號并保存至存儲單元。

圖3 信號調理電路

（1）信號調理電路。信號調理電路如圖3所示。系統選用的運算放大器為電源供電的TLV2262。傳感器信號通過分壓電阻分壓后，通過運算放大器U10電壓跟隨，增大其驅動能力，送至C8051F310單片機。

（2）C8051F單片機。C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(SOC)[6]，具有與MCS-51指令集完全兼容的全新CIP-51內核。它在一個芯片內集成了構成一個單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件。這些外設或功能部件包括：ADC、DAC、可編程增益放大器、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、定時器、可編程計數器/定時器陣列(CPA)、內部振蕩器、看門狗定時器、電源監視器、SMBus/I2C、UART及SPI等。這些外設部件的高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠性和高性能的單片機應用系統提供了方便，也可使系統的整體成本大大降低。

異步FIFO是一種先進先出的電路，使用在需要異步時鐘數據接口的部分，用來存儲。緩沖在兩個異步時鐘域之間的數據傳輸，保證能夠在很快的時間內將數據保存至FLASH中。

設計中使用FIFO結構，因為：

（1）由要存儲信號的特征決定的。3路傳感器數據屬于連續性數據，但是FLASH不能同時寫入3路數據，FIFO是解決此問題的最好方法。

（2）由FLASH的特點決定的。FLASH存儲器是一種間歇性工作的器件，存儲時有一段200 μs左右的頁編程時間，是不能對其進行任何操作，FIFO可以幫助存儲這段時間內采集的數據。

（3）便于速度匹配。寫數時可以協調FLASH寫入速度與數據傳輸的速度匹配問題。

鑒于上述原因，系統選用IDT72V04的硬件FIFO。

數據采集電路如圖4所示。將調理后信號送至單片機的P3.1腳，經C8051F310單片機自帶的12位AD采用200KHz轉換速率轉換該信號，轉換后經P2口發送至硬件FIFO芯片IDT71V04。單片機的P3.3腳發送低電平時，數據寫FIFO使能。當硬件FIFO半滿后，將IDT71V04的23引腳置1，通知后級單片機讀取數據。為了保證C8051F310單片機能準備發送寫命令，不丟數據，在P3.3腳接47pF電容，起到濾波作用。

圖4 數據采集電路

3.4 存儲單元選擇

SAMSUNG公司長期生產FLASH存儲器。公司的產品采用NAND原理，技術成熟，芯片質量穩定可靠。SAMSUNG公司生產的FLASH存儲器有以下特點：

（1）容量范圍大，便于挑選；

（2）不同容量、不同型號芯片的封裝相同，便于擴展；

（3）不同容量、不同型號芯片的用法相同，便于使用；

（4）地址線、數據線復用，減小了控制引腳數量。

基于微型化的設計原則，要盡可能地選用大容量的存儲芯片。結合存儲器容量和芯片級別要求，選用SAMSUNG公司的具有1GByte容量的芯片K9K8G08。只要一片該存儲器，就可以滿足容量要求，減小存儲模塊的體積，便于存儲模塊的結構設計和防護。

FLASH控制模塊的作用，是要按照FLASH存儲器控制時序要求，具體完成對FLASH的讀、寫和塊擦除操作。K9K8G08的外部僅有8個I/O管腳，這8個管腳既是地址、數據輸入輸出端口，也是命令輸入端口，命令、地址和數據是通過分時復用來完成不同操作的[7]。對K9K8G08的操作主要包括：頁編程、雙頁編程、讀數、塊擦除和無效塊處理。

存儲單元電路如圖5所示。為了將前端單片機采集的數據全部保存到FLASH，需要后端單片機以3倍碼流的速度來讀取并保存數據。當對應的硬件FIFO半滿后，相應的標志位HFA(HFB或者HFC)置1，通知后級單片機讀取數據。后端單片機通過與FIFO相連的RDA(RDB或者RDC)發送邏輯命令，讀取數據。讀取數據后，打包并將數據發送至FLASH保存。

圖5 存儲單元電路圖

4 結束語

該測試系統為自行高炮在發射時的穩定性研究，提供了依據，據此可以改良其結構，增加炮射穩定性。由于自行高炮的威力大，炮射速度快，后坐力大，發射后自行高炮的位移反復變化非常快，因此要想更加真實的反應其位移變化情況，就需要反應速度更加快的位移傳感器，來改良此測試系統。

[1]何 永，高樹滋，王顯會.我國發展車載炮系統的可行性分析[J].南京理工大學學報，2003，10（5）：536-540

[2]毋強，楊福緣.模擬與仿真技術在自行高炮研制中的應用[J].火炮發射與控制學報 1996，（1）：5-8

[3]宗士增，錢林方.火炮反后坐裝置動力學禍合分析與優化[J].兵工學報，2007，3(3)：273.

[4]王靖君，赫信鵬.火炮概論[M].南京：南京理工大學出版社，2003.

[5]肖金球，馮翼，仲嘉纛.高速多路實時數據采集處理系統設[J].計算機工程，2004，30（24）：180-181.

[6]童長飛.C8051F系列單片機開發與C語言編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[7]任勇峰，郭亞力，郭曉輝.FLASH存儲器的高速寫入方法[J].電腦開發與應用，2001，14（5）：5-6.