某型裝甲車(chē)三防系統(tǒng)控制盒數(shù)字化改造

王鑒淵，李光升

（裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系，北京 100072）

三防裝置是坦克在遭受原子、化學(xué)、生物武器襲擊時(shí)，保護(hù)乘員及車(chē)內(nèi)部件不受傷害、提高坦克和乘員在戰(zhàn)場(chǎng)生存力的一種特殊防護(hù)裝置。配備三防系統(tǒng)的裝甲車(chē)輛一般都采用集體防護(hù)形式，而集體防護(hù)形式主要分為超壓式集體防護(hù)和混合式集體防護(hù)，但大都采取超壓式集體防護(hù)，簡(jiǎn)稱(chēng)“超壓集防”。裝甲車(chē)的三防系統(tǒng)是隨著核武器、生物武器、化學(xué)武器的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的。在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)上，最重要的就是當(dāng)發(fā)生核爆炸或者核爆炸后進(jìn)入放射性沾染區(qū)和進(jìn)入毒劑沾染區(qū)后，車(chē)輛的保護(hù)裝置能否快速而有效地動(dòng)作，繼而能否形成超壓集防。所有的保護(hù)裝置包括那些執(zhí)行機(jī)構(gòu)都由三防系統(tǒng)的控制盒來(lái)控制，所以三防控制盒扮演著極其重要的角色。本文以某型裝甲車(chē)輛的三防控制盒為改造對(duì)象，通過(guò)對(duì)比分析選擇恰當(dāng)?shù)目刂品绞竭M(jìn)行控制，提高了該控制器的可擴(kuò)展性，為后面三防系統(tǒng)故障診斷研究打下硬件基礎(chǔ)。

1 某型三防系統(tǒng)繼電控制盒原理介紹

該三防裝置由探測(cè)器和電氣控制裝置、關(guān)閉機(jī)構(gòu)、過(guò)濾通風(fēng)裝置組成，與整車(chē)密封機(jī)件配合使用。該三防裝置電氣控制方框簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中最為關(guān)鍵的控制盒由多個(gè)繼電開(kāi)關(guān)構(gòu)成，當(dāng)控制盒接收到報(bào)警信號(hào)后，經(jīng)過(guò)繼電開(kāi)關(guān)來(lái)控制除塵增壓風(fēng)機(jī)及其進(jìn)排氣口關(guān)閉機(jī)、轉(zhuǎn)換裝置、隔板通風(fēng)活門(mén)關(guān)閉機(jī)、百葉窗關(guān)閉機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。下面結(jié)合三防裝置電氣控制圖，簡(jiǎn)要分析系統(tǒng)工作過(guò)程。

防原子過(guò)程：核爆炸時(shí)或者核爆炸后坦克進(jìn)入放射性沾染區(qū)時(shí)，原子報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，黃色報(bào)警閃光燈亮后，風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣口關(guān)閉機(jī)、通風(fēng)活門(mén)、百葉窗關(guān)閉機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，轉(zhuǎn)換活門(mén)自動(dòng)轉(zhuǎn)換到“過(guò)濾”工況。車(chē)長(zhǎng)看到黃色閃光后立即看控制盒的“過(guò)濾”燈亮?xí)r，由車(chē)長(zhǎng)拉出除塵增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣口關(guān)閉機(jī)的拉柄，使增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣口關(guān)閉機(jī)開(kāi)啟，然后按控制盒的“啟動(dòng)”按鈕，使除塵增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，這時(shí)三防系統(tǒng)進(jìn)入集體防護(hù)狀態(tài)。當(dāng)車(chē)輛脫離沾染區(qū)后，車(chē)長(zhǎng)停止除塵增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

防含磷毒劑過(guò)程：當(dāng)進(jìn)入含磷毒劑沾染區(qū)時(shí)，報(bào)警器自動(dòng)報(bào)警，紅色報(bào)警燈閃后，通風(fēng)活門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，轉(zhuǎn)換活門(mén)轉(zhuǎn)換到“過(guò)濾”工況。車(chē)長(zhǎng)看到紅色閃光立即看控制盒的“過(guò)濾”燈亮?xí)r，由車(chē)長(zhǎng)完成下述操作。若除塵增壓風(fēng)機(jī)沒(méi)有運(yùn)轉(zhuǎn)工作，則立即開(kāi)啟除塵增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣口關(guān)閉機(jī)并啟動(dòng)除塵增壓風(fēng)機(jī)；若除塵增壓風(fēng)機(jī)在防護(hù)前是運(yùn)轉(zhuǎn)的，則不需要進(jìn)行此項(xiàng)操作。當(dāng)車(chē)輛脫離毒劑沾染區(qū)后，車(chē)長(zhǎng)停止除塵增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖1 電氣控制方框簡(jiǎn)圖

2 改造三防控制盒總體設(shè)計(jì)背景

分析繼電控制盒的原理很容易看出，該控制盒是靠繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的?，F(xiàn)在本文想通過(guò)單片機(jī)的控制方式來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)操作機(jī)構(gòu)的控制。下面通過(guò)控制方式、控制速度、延時(shí)控制方面的對(duì)比來(lái)說(shuō)明使用單片機(jī)來(lái)控制的優(yōu)勢(shì)。

2.1 控制方式

繼電器的控制是采用硬件接線(xiàn)實(shí)現(xiàn)的，是利用繼電器接觸點(diǎn)的串聯(lián)或者并聯(lián)及延時(shí)繼電器的滯后動(dòng)作等組合形成控制邏輯，只能完成既定的邏輯控制。而單片機(jī)控制其控制邏輯是以程序方式存儲(chǔ)在內(nèi)存中，想要改變控制邏輯，只需要改變程序就能完成。

2.2 控制速度

繼電器控制邏輯是依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制，工作頻率低，毫秒級(jí)別，機(jī)械出點(diǎn)有抖動(dòng)現(xiàn)象。而單片機(jī)控則是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來(lái)實(shí)現(xiàn)控制，速度極快，微妙級(jí)別，嚴(yán)格同步，無(wú)抖動(dòng)。

2.3 延時(shí)控制

繼電器控制系統(tǒng)是靠時(shí)間繼電器的滯后動(dòng)作實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制，但是時(shí)間繼電器的定時(shí)精度不高，受環(huán)境影響大，調(diào)整時(shí)間較為困難。而單片機(jī)控制則是使用半導(dǎo)體集成電路來(lái)時(shí)限控制，速度快，微秒級(jí)別，并且不受環(huán)境影響。

在實(shí)際使用的過(guò)程中，該控制盒不僅在三防系統(tǒng)中扮演著重要的角色，而且在裝甲車(chē)輛的滅火抑爆環(huán)節(jié)也必不可缺。容易看出，雖然這些控制邏輯簡(jiǎn)單，但是其連接線(xiàn)多且復(fù)雜，并且從實(shí)物能看出體積較大，一旦系統(tǒng)構(gòu)成后，想增加某些功能模塊或增加控制較為困難。由于繼電器觸點(diǎn)數(shù)量有限，所以它的靈活性和可擴(kuò)展性受到了極大程度的限制。不僅如此，繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn)，觸點(diǎn)開(kāi)閉合時(shí)存在避免不了的機(jī)械磨損、電弧燒傷現(xiàn)象，其可靠性和可維護(hù)性差。在未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)上，功能模塊單一的系統(tǒng)必然會(huì)被淘汰。所以為了提升該控制盒的可擴(kuò)展性，為了在增加其功能的基礎(chǔ)上縮小體積，也為了提高其可靠性和可維護(hù)性，本文選用單片機(jī)的控制方式對(duì)其進(jìn)行改造。

3 三防控制器硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控芯片

該控制器功能的實(shí)現(xiàn)需要較好的計(jì)算處理、中斷響應(yīng)等能力。在搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，選用了以STM32單片機(jī)為核心的開(kāi)發(fā)板作為控制器的核心硬件，其原理如圖2所示。該單片機(jī)是一款發(fā)展成熟的單片機(jī)，性能高，成本低，功耗低。

圖2 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖

3.2 數(shù)據(jù)連接模塊

該硬件使用microusb數(shù)據(jù)連接模塊，如圖3所示，可以與上位機(jī)連接并供電。該數(shù)據(jù)連接器體積小，可節(jié)省空間，且插拔使用壽命長(zhǎng)。該連接器支持目前USB的OGT功能，在沒(méi)有主機(jī)的情況下，可用便攜式檢測(cè)儀與之實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 數(shù)據(jù)連接模塊

3.3 電壓轉(zhuǎn)換器模塊

在應(yīng)用過(guò)程中需要用到如圖4所示的電壓轉(zhuǎn)化器來(lái)得到不同幅值的電壓。該轉(zhuǎn)換器有超快速瞬態(tài)響應(yīng)、響應(yīng)噪聲低、過(guò)電流保護(hù)、溫度保護(hù)等特點(diǎn)。由于該控制器所應(yīng)用的環(huán)境復(fù)雜多變，為了得到穩(wěn)定的電壓，需要采取保護(hù)措施。

圖4 電壓轉(zhuǎn)換模塊

3.4 信號(hào)調(diào)理模塊

電壓檢測(cè)電路如圖5所示。為減少檢測(cè)電路給原電路帶來(lái)的影響，選擇了LM224運(yùn)放芯片組成電壓跟隨器進(jìn)行隔離。對(duì)于各傳感器傳回的信息，可以直接由單片機(jī)AD通道讀取，而其他電路節(jié)點(diǎn)的輸入則需要使用不同程度的電阻分壓，以匹配AD輸入的電壓值，并使用RC電路進(jìn)行濾波，可以限制高頻干擾信號(hào)。在AD輸入端使用穩(wěn)壓管，以防止電壓過(guò)大而燒壞單片機(jī)。

圖5 電壓檢測(cè)電路原理圖

4 三防控制器軟件設(shè)計(jì)

4.1 Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

Keil集成開(kāi)發(fā)環(huán)境是AMR公司推出的微控制器集成開(kāi)發(fā)軟件，其英文全稱(chēng)為“Keil AMR Microcontroller Kit Tools”，即Keil AMR微控制器開(kāi)發(fā)套件，其核心功能可以為AMR和基于Cortex-M處理器的器件（STM32）創(chuàng)建和編寫(xiě)，編譯C和C++代碼，并且支持在線(xiàn)調(diào)試、仿真等功能。

4.2 主程序設(shè)計(jì)

由于實(shí)際情況的限定，在改造、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不可能去制造原子放射沾染區(qū)和沾染區(qū)，所以需要先進(jìn)行如下操作：用手動(dòng)開(kāi)關(guān)信號(hào)代替原子信號(hào)和含磷毒劑信號(hào)作為輸入，用二極管紅、黃、綠小燈代替三防系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為輸出。

各管腳定義如表1所示，由于實(shí)際三防系統(tǒng)中原子報(bào)警燈為黃色，而毒劑報(bào)警燈為紅色，因此該設(shè)計(jì)也用黃燈信號(hào)和紅燈信號(hào)代替，而其他操作機(jī)構(gòu)用綠燈信號(hào)加以區(qū)別。依照控制盒的防原子作業(yè)流程和防含磷毒劑作業(yè)流程，接收到報(bào)警信號(hào)后使其啟動(dòng)集體防護(hù)，到脫離危險(xiǎn)區(qū)域后使其解除防護(hù)狀態(tài)的邏輯流程圖如圖6所示。

圖6 邏輯流程圖

表1 管腳定義

5 總結(jié)

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的多樣性，對(duì)裝甲車(chē)輛防護(hù)體系的升級(jí)提出了很高的要求。本文首先分析了某型裝甲車(chē)輛三防控制盒的基本原理，接著對(duì)比了繼電器控制方式和單片機(jī)控制方式的特點(diǎn)，結(jié)果選擇使用單片機(jī)控制的方式對(duì)原三防控制盒的繼電器控制進(jìn)行了改造，為以后增加其他功能模塊提供了保障，從理論分析上提高了靈活性和可擴(kuò)展性，繼而為下一步裝甲車(chē)輛三防系統(tǒng)故障診斷研究打下硬件基礎(chǔ)。改造后經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果達(dá)到預(yù)期設(shè)想，完全可以實(shí)現(xiàn)其基本功能。

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