基于某發射裝置的電子受信儀設計

李玉軍，程林風，譚華峰，劉 杰

（中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

發射裝置是通用發射平臺，可用于車載及艦載發射系統。該裝備配有控制設備，具有旋回、俯仰等功能，能隨時根據指令要求完成伺服調轉及發射功能。受信儀作為發射裝置的傳感設備，具有反饋裝置運行角度位置和控制裝置運行、射界范圍的功能［1-2］。隨著現代發射裝置的伺服精度及智能發射要求提高，設計一款高精度的集數據采集校驗及智能控制等多功能于一體的電子受信儀就有了迫切需求。

國內舊式發射裝置受信儀大多采用了傳統的單旋轉變壓器或光電編碼器采集角度，無法驗證角度數據的正確性及可靠性，旋轉變壓器或光電編碼器一旦發生故障，易導致發射裝置超運行范圍及射界范圍而引起事故；舊式受信儀的運行、射界采用機械開關，安裝精度受限，占用空間大，出、入運行、射界的角度誤差較大；運行、射界范圍的調整過程極其繁瑣［3］，長時間使用后機械開關易損壞。因此，開發一款高可靠性、智能化、節省空間的電子受信儀對提高發射裝置伺服調轉及發射控制可靠性尤為重要。

為了實現上述目標，本文以微控制器LPC2294為核心，通過采集雙機電編碼器數據進行校驗實現了采集角度數據的正確性及可靠性驗證，通過采集發射裝置的高低、方向角度數據與預設運行、射界范圍進行比較實現對運行、射界智能控制，通過上級控制計算機對電子受信儀發送指令實現對發射裝置的運行、射界范圍進行設定。本文通過以上方法提高發射裝置角度采集數據的可靠性，提高發射裝置運行、射界范圍的控制精度，實現對發射裝置運行、射界智能化設定功能，對提高現代發射裝置的伺服調轉精度及智能發射等都有重大意義。

1 系統組成及工作原理

1.1 系統組成

電子受信儀組成如圖1所示，由智能角度采集板、方向主機電編碼器［4］、方向從機電編碼器、高低主機電編碼器、高低從機電編碼器等5部分組成。機電編碼器選用單圈絕對值16位旋轉機電編碼器，分別采集高低及方向的角度信息。智能角度采集板通過雙冗余CAN總線接收高低及方向的角度信息進行處理，通過另一對雙冗余CAN總線與上一級控制計算機通信。

圖1 電子受信儀組成

智能角度采集板包含微控制器LPC2294、電源模塊、復位模塊、EEPROM數據儲存模塊、硬件看門狗、控制信號輸出模塊及CAN通信模塊。

1.2 工作原理

電子受信儀在加電工作情況下，通過方向主機電編碼器、高低主機電編碼器實時采集發射裝置的回轉和俯仰角度。智能角度采集板對采集的主機電編碼器的角度值每隔5 ms進行轉發，同時每隔50 ms分別比較方向主機電編碼器與從機電編碼器、高低主機電編碼器與從機電編碼器角度值，如果主、從編碼器比較超出誤差范圍（0.5°）則斷開運行、射界并輸出報警信號。智能角度采集板對采集的主機電編碼器的角度值與設定的運行、射界范圍角度值進行比較，通過控制相應的繼電器輸出射界信號和運行信號，從而實現對運行、射界的控制［5］。

采用軟件配置射界、運行范圍角度值。當系統需要修改射界、運行范圍時，采用軟件配置射界、運行范圍角度值。在電子受信儀智能角度采集板上設有一片EEPROM，微控制器LPC2294通過I2C總線與之通信，將射界、運行角度值的配置數據存入EEPROM。需要修改射界、運行數據時，控制計算機通過給智能角度采集板發送數據對之進行修改［6］。

當需要對機械與電氣零位校準時，將發射裝置調轉到機械零位時，通過智能角度采集板輸出控制指令，對主、從機電編碼器進行電氣置零。

2 電子受信儀的技術設計

2.1 結構設計

電子受信儀包括方向與高低兩部分，具體結構設計如圖2所示。

圖2 電子受信儀結構

方向受信儀由箱體、傳動齒輪、傳動軸、柔性聯軸器、主機電編碼器、從機電編碼器、角度采集板、電纜旋緊接頭等組成；高低受信儀由箱體、傳動齒輪、傳動軸、柔性聯軸器、主機電編碼器、從機電編碼器、接線端子排和電纜旋緊接頭等組成。

考慮到齒輪傳動系統制造誤差、安裝誤差、齒輪浮動和系統彈性，受信儀的齒輪傳動系統經多次仿真計算及改進設計［7］。受信儀的聯合齒輪與發射裝置回轉支承外齒圈相嚙合，受信儀的傳動比使其內部的方向機電編碼器的轉動角度與發射裝置回轉的方向角度相一致（即為1∶1），機電編碼器將采集的發射裝置方向角度信號反饋給角度采集板進行信息處理。

高低機電編碼器安裝在炮架上，其輸入軸與搖架上的耳軸相連接，傳動比為1∶1，即高低機編碼器轉動角度與發射裝置俯仰的高低角度相一致，并將發射裝置的高低角度信號反饋給角度采集板進行信息處理。

2.2 電氣設計

電子受信儀電路連接如圖3所示，其電路連接關系如圖4所示。智能角度采集板及4個機電編碼器的電源由上一級控制計算機單元統一提供。智能角度采集板通過雙路CAN總線（CAN3、CAN4）分別采集4個機電編碼器數據。智能角度采集板通過雙冗余CAN總線（CAN1、CAN2）與上一級控制計算機進行數據交換，主要是向控制計算機發送發射裝置的運行、射界及角度信息，接收并執行控制計算機發送的各種指令［8］。

圖3 電子受信儀電路連接

圖4 電子受信儀電路連接關系

智能角度采集板主要包含微控制器LPC2294、電源模塊、硬件看門狗模塊、復位模塊、EEPROM數據儲存模塊、控制信號輸出模塊及CAN通信模塊。

電源模塊采用DC／DC電源轉換模塊將外部提供28 V／G1工作電源轉換成5 V模塊工作電源，同時通過線性電源將5 V轉換成3.3 V電源和1.8 V電源，供ARM7計算機LPC2294工作及部分集成電路使用，電源模塊原理框圖如圖5所示。

圖5 電源模塊原理

硬件看門狗模塊采用單穩態電路實現，當系統出現故障時，由硬件電路切斷運行和射界信號輸出的電源，避免整個系統誤動作。

復位模塊的功能是利用復位芯片輸出低電平的脈沖來提供微控制器LPC2294的復位信號。當系統出現瞬時掉電時，系統自動復位，不至于出現死機或誤動作。

EEPROM數據儲存模塊采用在智能角度采集板上設有一片EEPROM，微控制器LPC2294通過I2C總線與之通信，將射界、運行的配置數據存入。需要修改射界、運行數據時，控制計算機單元通過給微控制器LPC2294發送數據對之進行修改。

控制信號輸出模塊主要是由微控制器LPC2294根據采集的角度信息進行比較、判斷，依據設定范圍決策輸出運行和射界控制信息，通過繼電器將控制信號轉換成28 V電源控制信號，供外部設備使用。

CAN通信模塊采用微控制器LPC2294自帶4路CAN控制器外擴CAN收發器實現，CAN收發器選用廣州致遠電子有限公司生產的CAN收發芯片CTM8251T，該芯片可以連接任何一款CAN協議控制器，實現CAN節點的收發與隔離功能。而該芯片內部集成了所有必須的CAN隔離及CAN收發器件，且隔離電壓高達DC2500 V，能保證CAN總線數據的可靠收發。

2.3 軟件設計

電子受信儀軟件主要完成角度信息采集，并通過CAN總線實時傳送給外部控制計算機。其工作流程如圖6所示。

圖6 電子受信儀工作流程

軟件主要由CAN通訊模塊、報文分析模塊、數據比較模塊組成。

CAN通訊模塊主要功能是接收和發送CAN數據，主要包含以下功能函數。

（1）GetRecvBufData（void）：獲取接收緩沖區函數，將CAN1、CAN2、CAN3、CAN4接收到的數據，寫入報文緩沖區。

（2）ReadCanRxBuf（eCANNUM CanNum）：用于驅動將收到的CAN數據寫入對應的CAN接收緩沖區。

（3）SetSendBusBufData（eCANNUM CanNum，uint8 dst_brdID，uint8 type，uint8*data）：向發送緩沖區添加數據。

（4）SendBrain（）：CAN發送腦函數。

報文分析模塊主要功能是對接收CAN1、CAN2的數據進行分析處理，主要包含以下功能函數：AnalyseCANBusRevData（）：對接收到的報文進行分析，并判斷是什么命令且調用相關命令函數。

數據比較模塊主要功能是對接收的主從機電編碼器的數據進行分析處理，主要包含以下功能函數：MatchAngle（）：對接收到的主、從機電編碼器數據進行比較分析。

3 電子受信儀技術實現中的主要問題

3.1 旋轉編碼器選型及同步比較

發射裝置既要承受裝置設備的動靜載荷，又要傳遞艦船所受載荷，受力情況十分復雜，特別是在武器發射過程中，尾焰會給基座結構造成強大的沖擊［9］。因此，旋轉編碼器要求具有較好抗沖擊性、耐溫性、抗腐蝕性。這對于回轉精度要求較高的發射裝置而言尤為重要［10］。

旋轉編碼器分為光電編碼器和機電編碼器，其中機電編碼器在抗振性、耐溫性、抗腐蝕性、抗灰塵及油污及抗干擾性等方面有很好的性能，更能適應惡劣環境的要求［4］，考慮到使用環境及精度控制要求，旋轉編碼器選用單圈絕對值16位旋轉機電編碼器。

機電編碼器通過機械齒輪傳動機構帶動其軸轉動，獲得實時的角度信息，通過CAN通信方式將采集角度的數字信號傳遞給智能角度采集板。機電編碼器分為主、從機電編碼器，其數據采集周期均為5 ms（采樣周期可調）。智能角度采集板在對主、從機電編碼器檢測比較后將主機電編碼器將采集的的角度值轉發給上級控制計算機［11］。

智能角度采集板CPU單元每隔50 ms對主機電編碼器與從機電編碼器的角度值進行檢測比較，若二者的角度差值始終小于0.5°，則認為主機電編碼器的角度值可靠，可以輸出給上級控制計算機；反之，則停止數據輸出并報故障，提示停機整修。這樣，任有一個機電編碼器出現故障，電子受信儀即停止數據輸出并報故障。

通過雙機電編碼器的采樣及同步比較技術，使得電子受信儀既保證了數據輸出的實時性又保證了輸出數據的可靠性。

3.2 電子受信儀機械電氣零位對準及狀態監測

當發射裝置處于機械零位時，通過電子受信儀發指令對機電編碼器自動電氣置零。省去了傳統的機械、電氣零位調整的大量調試工作量。

檢測發射裝置狀態是否正常，擴展部分監測功能［12］，如裝置內部設置漏水檢測板檢測是否漏水，裝置伺服調轉時間及次數統計數據等功能，以提高發射裝置的可靠性，減少發射故障。

3.3 電子受信儀機械精度控制

機電編碼器傳動軸設計為可調節軸，具備消除齒輪間隙的能力，可以有效提高傳動精度，保證兩個機電編碼器同步；受信儀輸入端為彈性聯合齒輪與回轉支承內齒相嚙合，有效消除了間隙空回。

4 結束語

本文設計的電子受信儀采用雙機電編碼器采樣角度，進行數據同步比較，采用軟件指令快速準確配置運行、射界范圍，出入運行、射界范圍精度達到0.1°，通過軟件指令，快速對主、從機電編碼器電氣置零或將機械與電氣角度校準，采用EEPROM數據存儲、修改運行、射界范圍等多種方式實現智能化設計。

電子受信儀采用結構巧妙布局，取消機械開關，由繼電器替代運行、射界機械開關，整體尺寸比舊版減小40%。其生產成本與傳統受信儀持平，但大大提高了產品可靠性并極大節省調試時間及工作量。

電子受信儀由智能角度采集板及4個完全相同的機電編碼器組合而成，方向、高低受信儀的機電編碼器具備通用性，4個編碼器可以任意互換，僅需設定零位。目前已列裝于多型發射裝置，經過長期試驗及可靠工作，證明該設計達到了預期的設計要求。后續電子受信儀可通過更改嚙合齒輪變比及CAN通信波特率實現適應各型發射裝置的使用，實現電子受信儀產品系列化應用。