基于PC/104的某型自行榴彈炮供輸彈驅動控制裝置檢測系統

崔云先，郭立明，呂作良，安陽，祁洋

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028;2.大連大學 經濟管理學院，遼寧 大連 116028)

基于PC/104的某型自行榴彈炮供輸彈驅動控制裝置檢測系統

崔云先1，郭立明1，呂作良2，安陽1，祁洋1

(1.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028;2.大連大學 經濟管理學院，遼寧 大連 116028)

針對某型自行榴彈炮供輸彈驅動控制裝置在實際應用中的測試和維修需求，研制了一種基于PC104工業主板的自行榴彈炮供輸彈驅動控制裝置檢測系統.該檢測系統以PC104工業主板為硬件核心，通過PC104總線控制PCM-3718HG數據采集模塊采集數據，采用NI公司的LabVIEW軟件編譯檢測軟件系統.系統可完成信號的采集、實時運算、數據波形實時顯示、故障分析和數據存儲等功能.該檢測設備操作簡單，性能穩定，大大縮短了設備維修時間，為該型號自行榴彈炮武器系統的快速維護提供了有力保障.

榴彈炮；供輸彈驅動控制；PC104；LabVIEW；檢測系統

0 引言

在當今信息化時代，戰爭呈現高技術特征，隨之武器裝備的快速保障也成為軍隊戰斗力提升的重要保證.某型自行榴彈炮供輸彈驅動控制裝置主要功能是控制炮管、協調器、彈倉等設備的協調工作，實施對地面目標的精確打擊.目前，該型號自行榴彈炮供輸彈驅動控制裝置并沒有適合基層二級或中繼級修理機構的檢測設備，該控制裝置如果需要修理，必須拆卸后送到裝備有相應型號自行榴彈炮檢測車的一級維修機構進行測試、維修.該控制裝置的拆卸、運輸等過程需要浪費大量時間，嚴重影響了該型號自行榴彈炮的保障效率和部隊的應急作戰能力.因此，急需研制一種自行榴彈炮供輸彈驅動控制裝置檢測系統 ，用于基層二級或中繼級修理機構的檢測維修.

1 供輸彈驅動控制裝置的基本功能與要求

某型自行榴彈炮供輸彈驅動控制裝置，已預留出數據采集接口.對該裝置進行檢測時,需開啟自行榴彈炮輔機，通過操縱自行榴彈炮控制箱輸出炮管、協調器和彈倉工作指令,并同時通過數據采集接口采集自行榴彈炮供輸彈驅動控制裝置輸出的指令信號和相應設備的工作信號，將采集到的信號與標準值數據庫進行比較，從而自動判斷并顯示檢測結果.同時，需要實時顯示檢測信號波形、存儲檢測結果，以便后期查看結果、總結故障規律.

表1 待測信號與信號特征

此外，檢測系統的硬件系統要求防震性能好,方便拆卸，操作簡單[1]；能夠準確采集各項被測信號值，測量誤差不超過0.5%；能夠多通道并行依次進行數據采集，最低采樣頻率50 kHz；能夠實時顯示并記錄保存測試信息結果，按輸入條件隨時查詢測試結果.榴彈炮供輸彈驅動控制裝置中所需測試信號及信號特征如表1所示.

2 檢測系統硬件組成

根據某型榴彈炮供輸彈驅動控制裝置對檢測系統必須能夠滿足野戰和惡劣環境下的便攜儀器的需要，采用小體積、高可靠性的嵌入式系統.與通用型計算機系統相比，嵌入式系統具有功耗低、可靠性高、功能強大、性價比高、實時性強、支持多任務、占用空間小、效率高等特點，可面向特定應用，根據需要靈活定制，并越來越多地應用到測控領域[2].基于驅動控制裝置的檢測需求,結合成本控制要求，在滿足全部測試任務和一定的擴展性的前提下，構建了基于PC/104的嵌入式系統的開發平臺.硬件設備主要包括PC104嵌入式工業主板、PCM- 3718HG數據采集卡、AA084XA03型8.4寸工業LCD液晶屏、觸摸屏等，以及自行研制的電源系統、信號調理板和矩陣鍵盤等.系統原理圖如圖1所示.

圖1 系統原理圖

2.1 PC/104嵌入式工業主板

由于設備應用環境復雜，根據供輸彈驅動控制裝置的測試需求，選擇Advantech公司的PCM3362N-S6型嵌入式工業主板，該主板集成Intel Atom N450低功耗處理器，工作主頻最高可達1.66 GHz，能夠充分滿足對數據采集和數據處理的要求.在接口方面，提供18/24位TFT LCD接口，PC/104總線接口，以及USB等多種外設接口[3- 4].能夠在溫度范圍為-40～+85℃、相對濕度范圍為5%～95%的環境下正常工作[5].

2.2 數據采集卡

由于需要采集的供輸彈驅動控制裝置的9路信號均為模擬電壓信號，為了配合使用PC/104工業主板，采集卡選用Advantech公司的PCM- 3718HG數據采集卡.它是一種高性能多功能數據采集模塊，提供16單端或8微分模擬輸入接口，輸入信號范圍0～10 V，以及12位A/D轉換器，通過DMA(直接存儲器存取)轉移，采樣率可達100 kHz.該采集卡能夠通過PC104總線接口直接與PCM3362N-S6型嵌入式工業主板連接，利用標準的固定孔進行固定，形成棧接式的緊湊結構[3].

2.3 信號調理板

由于供輸彈驅動控制裝置待測信號為模擬電壓信號，范圍在0～28 V之間，所選采集卡輸入模擬信號電壓范圍為0～10 V，所以要對待測信號進行處理，以匹配采集卡的輸入范圍[6].同時搭建數據采集卡PCM3718HG與自行榴彈炮供輸彈驅動控制裝置檢測端口之間的信號通道.根據各路待測信號特征，將所需信號進行濾波、衰減或電平處理輸入計算機.為了減小負載對測試信號的影響，根據電阻串聯分壓公式

(1)

選擇R1=11kΩ,R2=100kΩ,將信號衰減為原來的1/10，以滿足采集卡對輸入電壓信號的要求.

采用濾波器在一定的頻率范圍內去除干擾噪聲.幾乎所有的數據采集應用都會在一定程度上受到來自于電線或機械設備等50Hz或60Hz的噪聲影響[7].為了最大程度上抑制50Hz或60Hz噪聲而專門設計了低通濾波器.RC無源濾波器截止頻率計算公式

(2)

當選用相同截止頻率值時，電阻越小，負載對濾波器的影響越小.取R=2kΩ，由式(2)計算得出C=2μF.信號調理板前端電路如圖2所示.

圖2 信號調理板電路

2.4 鍵盤

鍵盤功能主要有按鍵識別、去抖、發送掃描碼、自動重發、接收鍵盤命令、處理命令等.為實現設備的簡單操作，鍵盤采用4行×6列的矩陣行列結構，采用行掃描法識別按下的按鍵.

89C51單片機有4個8位I/O端口,因此可以采用P0口的4個(P0.0-P0.3)作為行掃描線.P2口的6個(P2.0-P2.5)作為列輸入線.采用P3.0、P3.1作為數據線和時鐘線與PC系統進行通信.鍵盤硬件原理圖如圖3所示.單片機主程序流程圖如圖4所示.

圖3 鍵盤硬件原理圖

圖4 主程序流程圖

鍵盤與PC104工業主板通過一個五芯插座相接，4個有效引腳的定義分別是電源(VCC)、地(GND)、串行時鐘線(CLK)、串行數據線(DATA).其接口如表2所示.

2.5 電源系統

為了適應野戰環境要求，電源由自行榴彈炮自身提供+24V直流電壓源，需分別為PC/104工業主板和散熱器提供12V和5V直流電壓源.根據需求，采用SF24S12- 10W模塊和SF24S5- 20W模塊構成設備電源系統.其中SF24S12- 10W模塊為24V輸入，12V輸出，輸出功率10W，SF24S5- 20W模塊為24V輸入，5V輸出，輸出功率20W.電源入口采用自熔斷恢復器保護電路安全.模塊前端采用LC濾波，使電源更加穩定、可靠.

3 檢測系統軟件設計

檢測軟件基于Windows2000操作系統，在LabVIEW環境下編寫面向對象的可視化應用程序.軟件采用模塊化設計[8]，其主要功能是控制PC104計算機采集自行榴彈炮供輸彈驅動控制裝置檢測端口的輸出信號，將實際采集值與理論基準值進行對比，最終判斷并顯示和存儲結果.

為了能夠更好地顯示測試結果，軟件中除表針和數字窗指示測試結果外，還設置了波形顯示窗口、故障指示燈等顯示方式，能夠實時顯示采集的信號波形，提示檢測項目運行狀態.同時能夠根據數據庫中已知故障數據進行故障分析，幫助檢修人員完成快速診斷.檢測儀單項測試界面如圖5所示.同時該軟件可提供歷史數據查詢功能，每次測試的結果保存在數據庫中，以便技術人員對故障原因進行分析、總結，最終對故障數據庫進行升級.歷史檢測數據查詢界面及檢測數據如圖6所示.

圖5 單項測試界面圖

圖6 檢測數據查詢界面圖

軟件程序調用第三方控件，循環采集數據采集卡各通道數據，通過判斷、比較，最終將所需結果顯示在前面板.數據采集部分程序框圖如圖7所示.

圖7 數據采集部分程序框圖

4 結論

本測試系統以PC104工業主板為硬件核心，具有小體積、高可靠性等特點，能夠滿足惡劣環境下的便攜儀器的需要.軟件系統以LabVIEW為開發平臺，其人機界面友好，功能強大；開發效率高、可維護性強；測試精度高、穩定性和可靠性能得到充分保證；具有很高的性價比.檢測結果表明，測試系統能夠實時、穩定、連續地提供自行榴彈炮供輸彈系統運動的動態信息，從而能更好地掌握驅動控制裝置的工作狀態，為自行榴彈炮武器系統的快速維護提供了保障.

[1]丁超.基于PC104的視頻采集系統設計[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2010.

[2]ZHANGYE,LIWENXING.TheDesignofVibrationMonitoringSystemBasedonPC104Bus[J].ProcardiaEngineering,2011,15：3911- 3915.

[3]張志勇,李亮.基于PC104總線技術和EVC軟件平臺的分布式測試系統開發[J].工業控制計算機，2011,24(10):3- 5.

[4]吳昊.USB-PC104接口的設計與實現[D].成都：四川大學,2005.

[5]張武,張春華,唐勁松,等.基于PC/104-Plus總線數據采集系統設計與實現[J].微計算機應用，2006(1):57- 60.

[6]胡明華.基于PC104工控機的切割機數控系統研制[D].成都：西南交通大學,2011.

[7]房紀濤.基于PC104總線的數據采集儀與數據分析系統的研究開發[D].淄博：山東理工大學,2006.

[8]陳勇,劉曉平,應懷樵.基于PC104的高性能便攜式數據采集系統[J].測控技術,2009(1):28- 31.

A Detection System of Ammunition Drive Control Device for a Howitzer based on PC/104

CUI Yunxian1,GUO Liming1,LYU Zuoliang2,AN Yang1,QI Yang1

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.School of Economic and Management,Dalian University,Dalian 116028,China)

A drive control device detection system is developed to detect the accuracy of transport ammunition for howitzer with PC104 industrial motherboard as the core.To cope with a drive control device testing and maintenance requirements in practical application,the detection system uses the compile testing software Lab VIEW to collect data through PCM- 3718-HG data acquisition module which controlled by PC104 bus.The system has functions such as signal acquisition,real-time operation,waveform data real-time display,fault analysi and data storage.The equipment provides a powerful guarantee,with simple operation,stable performance and short maintenance time for the rapid maintenance of the howitzer weapon system.

howitzers;ammunition drive control;PC104;Lab VIEW;detection system

1673- 9590(2015)01- 0051- 04

2014- 04- 14

遼寧省教育廳高等學校科學研究計劃資助項目(L2013184);遼寧省自然科學基金資助項目(201202024)

崔云先(1963-)，女，教授，博士，主要研究方向為傳感器與測試技術，先進制造技術的研究

E-mail:dlcyx007@126.com.

A