某新型火炮隨動系統的性能測試系統設計

姜少飛， 閆英敏， 趙 霞 ， 李鵬程

（1.軍械工程學院 河 北 石 家莊 0 50003；2.76324部隊 廣 西 桂 林541001）

某新型火炮隨動系統為數字式隨動系統，用于驅動火炮炮塔，是整個自行高炮武器系統的核心部分。火炮隨動系統性能的優劣將直接影響防空武器系統的整體作戰效果，因此必須進行隨動系統性能參數的測試，以判定其是否滿足性能指標的要求，為武器系統的保障維修提供依據[1]。這對保證裝備處于良好狀態、提高系統戰斗效能、提高訓練效果、降低維修成本、使部隊盡快形成基本保障能力，都有重要意義。

本文利用DSP和CAN總線技術的良好性能設計了火炮隨動系統性能測試系統。數字信號處理器DSP具有高速、強大的數據處理能力及豐富的外設資源，CAN總線是一種多主串行通信協議，可有效地支持分布式實時傳輸，具有較強的抗干擾能力。將DSP與CAN總線技術相結合，系統的可靠性和實時性能也得到很大提高[2]。

1 測試系統總體結構設計

1.1 測試系統測試對象分析

本設計要對角位移、跟蹤速度和加速度3個能夠反映系統性能的重要參量進行準確實時的測量，從而正確評價火炮隨動系統的性能。角位移信號的變化情況反映了位置式隨動系統的工作狀態變化，角速度和加速度的大小也能反映出系統調轉快速性和跟蹤快速性的好壞。

根據火炮隨動系統的內部結構可推知[3]，方位、高低系統的跟蹤速度和方位、高低執行電機的轉速存在線性關系，對執行電機轉速進行測試，再根據積分、微分運算就可以得到系統的角位移和角加速度，進而可對火炮隨動系統進行性能分析。

1.2 測試系統總體結構分析

測試系統整體結構如圖1所示。系統由上位機和下位機兩部分組成，其都選用了TI公司的TMS320系列DSP器件TMS320LF2407A作為中央處理核心[4]。下位機通過霍爾式傳感器負責實時采集高低方位執行電機的轉速信號，經過DSP捕獲單元（CAP）轉換后通過核心處理器件DSP進行數據處理和分析，計算出跟蹤速度、角位移和加速度，利用CAN總線把實時數據傳輸給上位機。上位機配有鍵盤輸入和LCD顯示，負責發送控制命令，并接收下位機送來的采樣數據，對火炮隨動系統的性能參數進行實時監測。

圖1 系統整體結構框圖

2 測試系統硬件設計

2.1 下位機硬件總體設計

設計選用TMS320LF2407A為核心構建火炮隨動系統性能測試裝置的硬件電路，完成對所需監測的轉速信號的采集、數據處理以及數據傳輸等功能。整個下位機硬件系統的結構框圖如圖2所示。

圖2 下位機硬件結構框圖

2.2 CAN總線通信接口電路

內置于LF2407A的CAN總線控制器可以用來完成CAN總線通信協議CAN2．0B的物理層和數據鏈路層的全部功能。LF2407A的CAN控制器是一個16位的外設模塊，具有以下特性：提供6個郵箱對象，其數據長度為0～8個字節；針對郵箱0、1和2、3有局域接收屏蔽寄存器；可編程波特率；可編程中斷配置；可編程的CAN總線喚醒功能；總線錯誤診斷功能；自測試模式。

CAN總線通信的硬件電路如圖3所示。為了進一步提高系統的抗干擾能力并保護DSP器件，在LF2407A控制器和收發器PCA82C250之間增加了由高速光電隔離器6N137構成的隔離電路，實現了總線上各節點間的電氣隔離。光耦部分電路所采用的兩個電源必須完全隔離，故電源模塊采用B0505S－1W現場總線專用的電源模塊。PCA82C250通過引腳8與地直接相連，采用高速方式[5]，因此系統用屏蔽雙絞線進行數據傳輸，30 m以內可以提供1 Mb/s的傳送速率，且必須在雙絞線兩端連接兩個120 Ω的匹配電阻來消除長線反射所引起的干擾。

圖3 CAN總線通信接口電路

3 測試系統應用軟件設計

3.1 軟件總體設計

TMS320LF2407A 的軟件設計和調試是在DSP集成開發環境CCS2000下進行的，采用C語言和匯編語言相結合的方式編寫，在軟件功能調試完成后，就可以將程序固化在片內的Flash內，在上電時加載程序。

系統軟件設計的主要流程如圖4所示，首先系統程序進行初始化，啟動DSP定時器和捕獲單元，采集轉速傳感器輸出的信號，然后對采集數據進行處理分析，DSP與CAN控制器之間以響應中斷方式實現通訊。經過數據處理后的數據送給LCD顯示，以對數據進行保存和分析，并掃描有效按鍵，判斷鍵值，并進入相應的處理。

3.2 數據采集模塊

圖4 主程序流程

霍爾式傳感器輸出的轉速信號為脈沖信號，則對脈沖信號的頻率進行測量即可測出轉速的大小。利用LF2407A器件上的事件管理器（Event Manager）模塊帶有的通用定時器和捕獲單元可完成計數和測量計算任務。

將轉速信號送入EVB的CAP6引腳，選擇定時器3作為其獨立時間基準，采用中斷的方式捕獲計數值，實現對轉速信號的測量。本系統時鐘頻率為40 MHz，計數器最大計數為0xFFFF，即65 535，而方位、高低執行電機的頻率范圍大致為1～600 Hz。為使精度最高，將通用定時器控制寄存器T3CON的TPS2～TPS0設置為011，選8分頻，則定時器3每隔T=8/40 MHz=0．2 ms計數一次。測速主程序如圖5所示。

圖5 測速主程序

進入捕獲中斷子程序后，首先清CAP6中斷標志位，從2級深度FIFO中依次讀出兩次捕獲的計數值num1和num2，進而可得在被測信號的一個周期內定時器T3的脈沖數m。如果num2大于num1，則直接相減之差即為脈沖數m；若num2小于num1，則說明在計數過程中有計數溢出，即計數到周期寄存器T3PR內寫入0xFFFF后回零重新計數，因此再求脈沖數m＝num2-num1+0xFFFF。則可得電動機轉速信號大小為n=60 m/zT，其中，m為一個周期內的定時器T3脈沖數，z為霍爾傳感器的磁鋼數，T為定時器采樣周期。根據執行電機轉速和跟蹤速度關系可推導出隨動系統的跟蹤速度，再經數字積分和微分運算就可得到系統的角位移和角加速度。

4 實驗結果

在完成了整個測試系統各部分硬件和軟件設計調試之后，將編寫好的軟件燒入LF2407A板的Flash中，然后對火炮隨動系統進行性能測試。這里僅以測試火炮隨動系統的動態性能為例。利用正弦機給定方位系統θ＝2 000密位的階躍響應[6]，在整個系統運行時，由LF2407A每20 ms記錄一次系統的角位移，每次記錄采樣100點，利用DSP的集成開發工具CCS2000采用描點法對記錄數據進行處理，可以方便顯示出時間與角位移的關系，如圖6所示。由響應跟蹤曲線可看出最大峰值時間為1.401 5 s，超調量為0.869 2%，上升時間1.368 9 s，過渡時間1.334 s。由以上數據可以看出隨動系統在階躍響應下具有很好的響應快速性，跟蹤測試能夠達到預期的精度。

5 結論

圖6 方位系統階躍響應跟蹤曲線

測試系統以TMS320LF2407A為核心處理器，借助DSP高速的處理速度、強大的數據處理功能，有足夠的時間完成數據采集、數據處理分析和數據傳輸等任務。系統數據傳輸采用CAN現場總線，增強了系統的開放性和通信的可靠性，并且有良好的可擴展性。該系統在實際檢測中已經得到了可靠性檢測，效果良好。

[1]朱新華.某自行高炮使用及性能檢測與故障診斷[M].石家莊：軍械工程學院，1999：41-63.

[2]WU Yong，QIN Juan-ying.CAN bus system based on DSP[J].Industrial Control Computer，2002（6）：13-17.

[3]孫世宇，段修生.某自行高炮火控計算機與火炮隨動系統[M].石家莊：軍械工程學院，1995：24-31.

[4]劉和平，王維俊，江渝，等.TMS320LF240x DSP C語言開發應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003：13-24.

[5]饒運濤，邵繼軍，鄭勇蕓.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003：3-23.

[6]李永軍.電液伺服閥性能測試系統研究[D].吉林：吉林大學，2008.