某火炮故障檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及精度問(wèn)題研究

萬(wàn)曉飛，馬維金，王覓蕤

（中北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，山西太原030051）

國(guó)內(nèi)外對(duì)炮控裝置的檢測(cè)一直是沿用采集卡加工控機(jī)的模式來(lái)實(shí)現(xiàn)的，尤其國(guó)內(nèi)，目前在這方面還處于較低的水平，這樣既成本高，體積又很大，并且國(guó)內(nèi)僅是對(duì)炮控箱和操縱臺(tái)的單獨(dú)檢測(cè)，沒(méi)有對(duì)炮控箱、操縱臺(tái)和瞄控箱進(jìn)行綜合檢測(cè)。某型火炮故障檢測(cè)系統(tǒng)是對(duì)該型火炮的炮控箱、操縱臺(tái)和瞄控箱進(jìn)行綜合故障檢測(cè)，其故障包括炮控箱、操縱臺(tái)和瞄控箱的信號(hào)，電源，開(kāi)關(guān)以及電位旋鈕等發(fā)生的故障。

當(dāng)對(duì)某型火炮進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)時(shí)，就可以將此檢測(cè)儀和相應(yīng)的接口連接（此系統(tǒng)和炮控箱、操縱臺(tái)、瞄控箱有接口），進(jìn)行故障檢測(cè)，若有故障則用紅色或錯(cuò)誤示警，檢測(cè)員還可以在相應(yīng)的幫助界面得到故障的可能原因及相應(yīng)的解決方法，若無(wú)故障則顯示正常（當(dāng)然，有些需人為判斷）。由于是檢測(cè)火控系統(tǒng)的故障，采集精度就很重要，本文就影響精度的因素以及解決的方法做了深入的研究[1]。

1 系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)概述

某型火炮故障系統(tǒng)檢測(cè)應(yīng)用于對(duì)該型火炮的炮控箱系統(tǒng)、操控臺(tái)系統(tǒng)、瞄控箱系統(tǒng)進(jìn)行快速綜合的故障檢測(cè)，判斷出故障所在的系統(tǒng)部位，并且具有針對(duì)性地進(jìn)行修理。考慮到本系統(tǒng)主要應(yīng)用在對(duì)環(huán)境溫度有嚴(yán)格要求，而且需要長(zhǎng)期的維護(hù)和保養(yǎng)，通過(guò)對(duì)各方面的綜合考慮設(shè)計(jì)出火炮火控系統(tǒng)故障檢測(cè)的總體設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)分為3大部分:

1）I/O卡，這部分主要用來(lái)對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理。

2）下位機(jī)的主控單元是AVR系列CPU，Atmega128。主要是控制信號(hào)的采集和與上位機(jī)的通信。

3）上位機(jī)選用的是智能終端液晶觸摸顯示屏，進(jìn)行人機(jī)交換，用來(lái)顯示由下位機(jī)采集到的電壓值和故障的解決措施。

1.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.2.1 I/O設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的抗干擾性和穩(wěn)定性是需要第一考慮的，其中關(guān)鍵器件的選擇很重要，器件的工作溫度范圍、工作濕度范圍、抗電強(qiáng)度等都要符合我國(guó)軍標(biāo)[2]。因此系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。其總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖Fig.1 Overall design block diagram of system hardware

系統(tǒng)的I/O信號(hào)處理部分是由信號(hào)選擇電路，分壓電路，光電隔離以及電壓跟隨器等組成，如圖2所示，系統(tǒng)先進(jìn)行系統(tǒng)自檢，單片機(jī)通過(guò)選通開(kāi)關(guān)選通自檢信號(hào)（為固定值5 V），經(jīng)I/O信號(hào)處理，然后單片機(jī)通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)選通每一路，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換到單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)每一路信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，然后單片機(jī)給顯示器發(fā)送指令，調(diào)自檢界面，在上面顯示自檢結(jié)果。自檢完畢后選擇待測(cè)信號(hào)，進(jìn)行故障檢測(cè)。信號(hào)種類很多，有交流電壓，直流大電壓和直流小電壓等信號(hào)。測(cè)試的量有通斷，電壓以及電阻。

圖2 信號(hào)處理示意圖Fig.2 Diagram of signal processing

直流小電壓（V＜50 V）信號(hào)，通過(guò)電阻分壓得到5 V以內(nèi)的電壓信號(hào)（5 V為芯片的工作電壓），再經(jīng)過(guò)電壓跟隨器提高輸入阻抗。然后通過(guò)PCI接口把信號(hào)送入下一級(jí)電路。由于直流大電壓（V＞50 V）信號(hào)電壓較大，為了防止大電壓對(duì)電路的損壞，采用光耦隔離電路，然后經(jīng)電阻分壓得到小于5 V的電壓，再經(jīng)電壓跟隨器提高輸入阻抗送入下一級(jí)電路。直流信號(hào)處理原理圖如圖3所示，電阻R1，R2對(duì)信號(hào)Vi分壓，經(jīng)過(guò)限流電阻R3進(jìn)入運(yùn)放，運(yùn)放為電壓跟隨器電路，電容C1，C2為去耦電容，則輸出電壓為：

圖3 直流信號(hào)處理原理圖Fig.3 Theory diagram of DC signal processing

阻抗測(cè)試可以通過(guò)將測(cè)電阻轉(zhuǎn)化為測(cè)電壓的原理測(cè)試。其具體實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)圖3的原理轉(zhuǎn)化為測(cè)試電壓，圖3中R2和Rx（R1在這里即Rx）分別是固定電阻和待測(cè)阻抗，給R2一端加上5 V的固定直流輸入電壓Vi，那么待測(cè)阻抗為：

其中Vx為Rx兩端的電壓采樣值。這個(gè)電壓采樣值經(jīng)過(guò)電壓跟隨器，模擬開(kāi)關(guān)，AD轉(zhuǎn)換到達(dá)單片機(jī)，經(jīng)軟件補(bǔ)償計(jì)算后把阻抗值傳給上位機(jī)顯示。

通斷測(cè)試其實(shí)也可以轉(zhuǎn)化為測(cè)開(kāi)關(guān)兩端的電壓值，如圖3所示，若R1為通路時(shí)，電壓值為0，若R1為斷路時(shí)，電壓值為5 V。它的采樣電路和測(cè)試阻抗的采樣電路一樣，這里就不再詳述了。采樣后直接經(jīng)PCI接口到達(dá)下一級(jí)電路。

交流信號(hào)頻率比直流信號(hào)大，故AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)誤差比直流信號(hào)要大，因此必須把交流信號(hào)變?yōu)橹绷餍盘?hào)，這樣誤差就降低了。交流信號(hào)經(jīng)過(guò)電阻分壓，整流濾波，最后經(jīng)PCI接口傳入下一級(jí)電路。交流信號(hào)處理電路原理如圖4所示。

圖4 交流信號(hào)處理電路Fig.4 AC signal processing circuit

電阻R2、R3信號(hào)進(jìn)行分壓，得到小于5 V的電壓（5 V為芯片的工作電壓），然后接隔直電容整流電路和反相輸入一階低通濾波電路得到直流信號(hào)，然后經(jīng)PCI接口送入下一級(jí)電路[3-4]。信號(hào)輸出結(jié)果為：

由（3）和（4）得：

電容C2和電阻R8以及運(yùn)放AR2組成濾波電路，其濾波的截止頻率為：

1.2.2 高精度A/D采集系統(tǒng)

高精度A/D采集系統(tǒng)包括單片機(jī)，模擬開(kāi)關(guān)，高精度A/D和通訊部件組成。單片機(jī)為主控單元，模擬開(kāi)關(guān)作用是選擇通道，高精度A/D作用是模數(shù)轉(zhuǎn)換，通訊部件作用是單片機(jī)與上位機(jī)的通訊，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)對(duì)下位機(jī)的控制。其電路圖如圖5所示。

圖5 單片機(jī)，A/D和通訊部件電路圖Fig.5 Micro-controller，A/D and communication components circuits

該系統(tǒng)是對(duì)炮控箱、瞄控箱和操縱臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，信號(hào)多，因此分了3個(gè)測(cè)試通道，分別是通道A、通道B和通道C，每個(gè)通道有多路通路。由于本檢測(cè)系統(tǒng)每次要對(duì)多路信號(hào)進(jìn)行循環(huán)檢測(cè)，涉及到要實(shí)時(shí)對(duì)每路信號(hào)的通斷選擇控制，同時(shí)也可以在人機(jī)交互界面即彩色液晶顯示屏上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單路信號(hào)進(jìn)行觀察，綜合對(duì)此功能的實(shí)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)各種開(kāi)關(guān)電路器件的功能對(duì)比分析，本系統(tǒng)選擇的是CD22M3494模擬矩陣開(kāi)關(guān)。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換的速度和精度又決定了采集系統(tǒng)的速度和精度。MAX197是Maxim公司推出的具有12位測(cè)量精度的高速A/D轉(zhuǎn)換芯片，只需單一電源供電，且轉(zhuǎn)換時(shí)間很短（6 μs），具有8路輸入通道，還提供了標(biāo)準(zhǔn)的并行接口——8位三態(tài)數(shù)據(jù)I/O口，可以和大部分單片機(jī)直接接口，使用十分方便。

下位機(jī)即主控CPU從CPU的性能、開(kāi)發(fā)的難易程度和其他方面考慮，本系統(tǒng)選用的CPU是Atmel公司的AVR系列CPU，Atmega128。它的作用是控制采集系統(tǒng)和通訊部件。

在實(shí)際使用時(shí)，單片機(jī)系統(tǒng)使用的是TTL電平，單片機(jī)串口輸出的信號(hào)也是如此。但是在串行通信中使用的是RS232通信協(xié)議，二者的電平并不相同，需要外接接口進(jìn)行電平匹配。本系統(tǒng)選用的是由德州儀器公司（TI）推出的一款兼容RS232標(biāo)準(zhǔn)的芯片MAX232可完成TTL電平和RS232雙向電平轉(zhuǎn)換。串口通信協(xié)議采用的是RS232通信協(xié)議，RS232標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電氣特性、邏輯電平和各種信號(hào)線功能都作了規(guī)定。與RS232相匹配的連接器是DB-9[5]。

1.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖6所示，系統(tǒng)啟動(dòng)后，先進(jìn)行板卡自檢，分別是單片機(jī)板卡，炮控箱板卡，瞄控箱板卡以及操縱臺(tái)板卡。然后進(jìn)入選擇界面，選擇了檢測(cè)某一通道的某一路，則打開(kāi)模擬開(kāi)關(guān)，進(jìn)行AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，然后把轉(zhuǎn)換結(jié)果與正確結(jié)果比較，相同則發(fā)正常信號(hào)，不同則發(fā)不正常信號(hào)，若點(diǎn)擊幫助，則顯示相應(yīng)的數(shù)值，故障說(shuō)明和措施。

圖6 系統(tǒng)軟件框圖Fig.6 Block diagram of system software

2 影響系統(tǒng)精度的因素及減小誤差的方案

2.1 影響系統(tǒng)精度的因素

系統(tǒng)的精度高低直接關(guān)系到系統(tǒng)的可靠性，因此了解和掌握影響系統(tǒng)精度的因素是十分必要的。從系統(tǒng)整體看，影響系統(tǒng)精度的因素主要有3個(gè)方面，如圖7所示，一是A/D精度，影響A/D精度的因素分為A/D本身精度和A/D算法不同帶來(lái)的誤差；二是采集系統(tǒng)的精度，主要由電阻分壓的精度，放大電路的精度以及信號(hào)的噪聲等原因引起，三是顯示屏顯示數(shù)字的精度。

圖7 影響系統(tǒng)精度的因素Fig.7 The factor of affecting the system accuracy

2.2 提高精度的方案

針對(duì)上述分析的影響系統(tǒng)精度的因素，提出了一系列解決方法：

1）選用高精度電阻進(jìn)行分壓，普通電阻精度為5%，而高精度電阻精度則是0.1%，這樣可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的對(duì)信號(hào)進(jìn)行分壓。

2）對(duì)系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行除噪處理。在直流信號(hào)分壓后加電容濾去交流成分，交流信號(hào)分壓后加電容阻斷直流成分；直流信號(hào)經(jīng)運(yùn)放跟隨提高輸入阻抗，并在輸出端加濾波電容，交流信號(hào)通過(guò)精密整流電路和有源一階濾波電路變?yōu)橹绷餍盘?hào)。

3）液晶顯示屏的數(shù)字顯示精度設(shè)置到小數(shù)點(diǎn)后3位，這樣發(fā)送數(shù)據(jù)就不會(huì)造成太大的誤差，如12.598若顯示屏數(shù)字顯示位數(shù)設(shè)置為小數(shù)點(diǎn)后1位，顯示的數(shù)字為12.5[6]。

4）放大電路選擇高精度運(yùn)放，運(yùn)放電源一定選用較穩(wěn)定的電源供電，并且在電源處加去耦電容，其他芯片電源處也加去耦電容。

5）選用高精度A/D，這樣可以提高轉(zhuǎn)化精度，例如選8位A/D和12位A/D精度上就差很多。

6）注意交流直流之間的干擾，在處理交流信號(hào)和直流信號(hào)時(shí)，注意分開(kāi)處理。交流地和直流地分別接外殼。信號(hào)線要選用帶屏蔽的電纜。在PCB布線時(shí)要將數(shù)字地和模擬地以及信號(hào)地分離和數(shù)字信號(hào)線與模擬信號(hào)線的分離，數(shù)字地和模擬地間要加磁珠。

7）在算法上，A/D采用不同的算法和時(shí)序，采集精度上是有很大不同的。根據(jù)MAX197的特性和實(shí)際要求，選擇±5 V的檔位，內(nèi)部時(shí)鐘，其轉(zhuǎn)化十進(jìn)制的公式為：

V10是十進(jìn)制的顯示數(shù)值，是十六進(jìn)制顯示的數(shù)值，即A/D轉(zhuǎn)化結(jié)果。±5是選擇的正負(fù)方向的最大值。要使A/D轉(zhuǎn)化精度提高，就得選擇較小的量程，并且在A/D算法和時(shí)序控制上都得采取措施。A/D時(shí)序控制程序框圖如圖8所示，2 μs是間隔時(shí)間。

圖8 A/D時(shí)序控制程序框圖Fig.8 Block diagram of A/D timing control program

8）軟件設(shè)計(jì)上特別是數(shù)據(jù)處理上應(yīng)該尋求突破，有時(shí)A/D采樣值變化較大，那么就得用軟件的方法減小誤差，如圖9所示，這是一種簡(jiǎn)單的軟件減小誤差的方法，采樣開(kāi)始，采一次，將采集結(jié)果記錄并比較標(biāo)準(zhǔn)值，若采樣值與標(biāo)準(zhǔn)值相同，則將此采樣值顯示到顯示屏上，若采樣值與標(biāo)準(zhǔn)值不相同，則采第二次，重復(fù)剛才的工作，直到采第十次時(shí)，若采樣值與標(biāo)準(zhǔn)值相同，則將此采樣值顯示到顯示屏上，若采樣值與標(biāo)準(zhǔn)值不相同，則將十次采樣結(jié)果進(jìn)行處理，去掉當(dāng)中最大值和最小值，之后求其平均值，將平均值顯示到顯示屏上。

圖9 數(shù)據(jù)處理軟件流程圖Fig.9 Flow chart of data processing software

3 結(jié)論

本文對(duì)應(yīng)用于某火炮的綜合故障檢測(cè)系統(tǒng)及影響系統(tǒng)精度的因素進(jìn)行了研究，并針對(duì)影響精度的因素提出解決方案。該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為控制器，具有體積小、成本低和開(kāi)發(fā)方便的優(yōu)點(diǎn)，較好地解決了工控機(jī)做炮控檢測(cè)時(shí)成本高、體積大的缺點(diǎn)，并且實(shí)現(xiàn)了炮控箱，瞄控箱以及操縱臺(tái)故障的綜合檢測(cè)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性好、人機(jī)交互性強(qiáng)。通過(guò)采用上述的減小誤差的方法，某火炮故障檢測(cè)系統(tǒng)的采集精度有了很大的提高。在炮控裝置上的實(shí)驗(yàn)測(cè)量也表明，該系統(tǒng)具有處理速度快、采集精度高的特點(diǎn)，可較好地滿足火炮綜合故障檢測(cè)的要求。根據(jù)在武器應(yīng)用實(shí)踐中對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)提出的新要求，進(jìn)一步的研究設(shè)想是采用ARM進(jìn)行開(kāi)發(fā)、顯示屏改用windows CE操作系統(tǒng)等，以不斷提高系統(tǒng)的性能。

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