某型自行火炮水平角速度傳感器智能檢測儀設(shè)計

陳保社，劉 恒，蔡 昱

（中國人民解放軍68129部隊 甘肅 蘭州 730060）

由于沒有專用的性能檢測和故障分析設(shè)備，某型自行火炮水平角速度傳感器通常依靠人工進行檢測和故障判斷，不僅程序復(fù)雜、操作不便，而且檢測的可靠性和安全性都難以保證。針對這一問題，我們運用單片機控制技術(shù)，設(shè)計制作“某型自行火炮水平角速度傳感器智能檢測儀”[1]，實現(xiàn)對該水平角速度傳感器的自動快速檢測[2-3]。

1 系統(tǒng)組成及作用

水平角速度傳感器智能檢測儀系統(tǒng)，主要由信號檢測處理模塊、計算控制模塊、指示顯示模塊、角度編碼器模塊和電源模塊等組成。其中信號檢測處理模塊用于對水平角速度傳感器輸出的計數(shù)信號和觸發(fā)信號進行采集和處理[4]；計算控制模塊用于對水平角速度傳感器輸出信號的脈沖計數(shù)、周期測量、占空比和相位差計算、誤差分析和故障判斷；指示顯示模塊用于指示水平角速度傳感器輸出信號狀態(tài)、相位關(guān)系、測試類別和檢測結(jié)果合格與否，并顯示測試數(shù)據(jù)及故障種類；角度編碼器模塊[5]用于輸出單位角度對應(yīng)的脈沖數(shù)，為水平角速度傳感器工作精度檢測提供比較基準；電源模塊用于為水平角速度傳感器、角度編碼器和檢測儀提供工作電源。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composion block diagram of system

2 設(shè)計思路

由于系統(tǒng)要完成對水平角速度傳感器輸出的兩路信號的狀態(tài)檢測、參數(shù)計算與結(jié)果顯示、故障判斷與指示，所以選擇具有計數(shù)、定時和計算控制功能的AT89S52單片機[6]為控制單元，將水平角速度傳感器兩路輸出信號分別接入單片機的T0和T1端，同時，將角度傳感器的輸出信號接到單片機的T2端，利用單片機計數(shù)和定時功能，對水平角速度傳感器輸出的兩路方波脈沖信號和角度傳感器輸出的角度脈沖信號進行計數(shù)和周期測量，通過計算、分析和判斷，實時顯示水平角速度傳感器輸出精度、信號的狀態(tài)、相位差和占空比。單片機將檢測結(jié)果與標(biāo)準值進行比對后，指示比對結(jié)果，并給出信號相位差和占空比輔助調(diào)整意見。調(diào)整后，重新進行上述檢查，直到合格為止。

水平角速度傳感器檢測原理框圖如圖2所示。

圖2 檢測原理框圖Fig.2 Principle block diagram of detecting

3 實現(xiàn)方法

3.1 信號狀態(tài)檢測與故障判斷

應(yīng)用單片機的計數(shù)功能實現(xiàn)對水平角速度傳感器輸出信號狀態(tài)的檢測。具體方法是，將單片機的“定時器/計數(shù)器”設(shè)置成計數(shù)方式，利用單片機“定時器/計數(shù)器”T0和T1，分別對水平角速度傳感器輸出的計數(shù)信號和觸發(fā)信號進行脈沖計數(shù)，若有信號注入且信號為標(biāo)準方波信號時，計數(shù)器計數(shù)，并在連續(xù)計滿一定數(shù)值后，控制相應(yīng)的信號狀態(tài)指示燈點亮，表明信號正常。若沒有信號注入，或者注入信號不是標(biāo)準方波信號，不能觸發(fā)計數(shù)器計數(shù)，則對應(yīng)的狀態(tài)指示燈不點亮，表明信號不正常，這時故障指示燈會點亮，指示水平角速度傳感器有故障。

3.2 信號相位關(guān)系的檢測與判斷

相位關(guān)系檢測是指對兩路方波信號的相對相位 （即超前、滯后關(guān)系）檢測。由D觸發(fā)器及其外圍電路實現(xiàn)。如圖3所示，水平角速度傳感器產(chǎn)生的計數(shù)信號和觸發(fā)信號在分別輸入到D觸發(fā)器的輸入端和觸發(fā)端，在觸發(fā)脈沖上跳沿觸發(fā)后，計數(shù)信號的電平狀態(tài)會從D觸發(fā)器的輸入端傳送到觸發(fā)器的輸出端。若順時針轉(zhuǎn)動水平角速度傳感器齒輪傳動機構(gòu)時，D觸發(fā)器輸出高電平，說明觸發(fā)信號超前計數(shù)信號，相位關(guān)系正常，反之則不正常；若逆時針轉(zhuǎn)動水平角速度傳感器齒輪傳動機構(gòu)時，D觸發(fā)器輸出低電平，說明計數(shù)信號超前觸發(fā)信號，相位關(guān)系正常，反之則不正常。

圖3 信號相位關(guān)系判斷原理圖Fig.3 Principle block diagram of signal phase correlation diagnose

3.3 信號相位差的計算

將單片機的“定時器/計數(shù)器”T0和T1設(shè)置成計時方式，分別對計數(shù)信號和觸發(fā)信號計時。在計數(shù)信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，T0啟動計時，當(dāng)計數(shù)信號再一次由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，T0所計時間T即為計數(shù)信號一個周期的計時 （觸發(fā)信號與計數(shù)信號周期相同）。在計數(shù)信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，如果觸發(fā)信號為低電平，則啟動T1計時，當(dāng)計觸發(fā)號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，T1所計時間即為計數(shù)信號與觸發(fā)信號相位上的時間差△T；在計數(shù)信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，如果觸發(fā)信號為高電平，則等觸發(fā)信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，則啟動T0計時，當(dāng)計數(shù)信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，T0所計時間即為觸發(fā)信號與計數(shù)信號相位上的時間差△T。兩信號相位差上的時間測量方法如圖4所示。可用所測得的周期將相位差上的時間差換算為以角度表示的相位差△Φ，換算公式為：△Φ=360°×（△T/T）。

圖4 信號相位差計算示意圖Fig.4 Symbolic diagram of signal phase difference calculation

3.4 信號占空比的計算

如圖5所示，將單片機“定時器/計數(shù)器”T0設(shè)置成定時方式，當(dāng)計數(shù)信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，啟動T0計時，當(dāng)計數(shù)信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，T0所計時間t為計數(shù)信號高電平持續(xù)時間，當(dāng)計數(shù)信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，T0所計時間T為一個信號周期的時間。同時，將單片機“定時器/計數(shù)器”T1設(shè)置成定時方式，當(dāng)觸發(fā)信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，啟動T1計時，當(dāng)觸發(fā)信號由高電平變?yōu)榈碗娖綍r，T1所計時間t為觸發(fā)信號高電平持續(xù)時間，當(dāng)觸發(fā)信號由低電平變?yōu)楦唠娖綍r，T1所計時間T為一個信號周期的時間。所以，信號占空比可由計算公式K=（t/T）×100%求得。

圖5 信號占空比計算示意圖Fig.5 Symbolic diagram of signal occupancy ratio calculation

3.5 水平角速度傳感器工作精度檢測

工作精度[7]指水平角速度傳感器轉(zhuǎn)過一定角度時輸出脈沖數(shù)的精度，正常情況下，水平角速度傳感器轉(zhuǎn)動固定角度時，對應(yīng)輸出的脈沖數(shù)是固定的。用分辨率對較高的角度編碼器作為測量基準，與水平角速度傳感器同軸轉(zhuǎn)動進行檢測。由于角度編碼器的分辨率要比水平角速度傳感器分辨率高，所以可以確保檢測的準確性和可靠性。將單片機 “定時器/計數(shù)器”T0和T2設(shè)置成計數(shù)方式，在角度編碼器與水平角速度傳感器同軸轉(zhuǎn)動時，對水平角速度傳感器輸出脈沖和角度編碼器輸出的基準脈沖同時計數(shù)，根據(jù)角度編碼器與水平角速度傳感器同軸轉(zhuǎn)動固定角度時，二者輸出的脈沖數(shù)是否符合一定的對應(yīng)關(guān)系，可對水平角速度傳感器的工作精度做出判斷。

3.6 水平角速度傳感器的驅(qū)動

在進行性能檢測時，要求方位角速度傳感器能與角度編碼器一同低速平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，以模擬傳感器在自行火炮炮塔內(nèi)的運行環(huán)境，這樣才能確保檢測結(jié)果真實可靠。為此，采用步進電機作為同步驅(qū)動電機，帶動同軸聯(lián)動的方位角速度傳感器和角度編碼器轉(zhuǎn)動，并通過程序控制，實現(xiàn)方位角速度傳感器的正向和反向轉(zhuǎn)動，完成方位角速度傳感器正、反向轉(zhuǎn)動時各項性能指標(biāo)的檢測。

3.7 軟件設(shè)計

軟件由主程序和信號狀態(tài)檢測、信號相位差計算、占空比計算和水平角速度傳感器工作精度檢測四個子程序組成。軟件用C51語言編寫。系統(tǒng)工作流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖Fig.6 Flow chart of system operation

4 結(jié) 論

首先，項目運用單片機控制技術(shù)，實現(xiàn)了水平角速度傳感器性能的自動檢測。其次，通過對水平角速度傳感器輸出信號狀態(tài)檢測與故障判斷、信號相位關(guān)系檢測與相位差計算、信號占空比計算與輔助調(diào)整以及工作精度的檢測，實現(xiàn)了水平角速度傳感器性能的綜合檢測。第三，應(yīng)用單片機定時/計數(shù)器以及高分辨率角度傳感器進行信號參數(shù)檢測，實現(xiàn)了水平角速度傳感器性能的精確檢測。另外，項目以計算機智能檢測代替人工檢測，提高了檢測效率，確保了檢測安全。

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