某自行高炮全炮位移三分向測試系統(tǒng)設(shè)計

唐莞洋

（中北大學 光電儀器廠，山西太原030051）

經(jīng)典的自行高炮射擊理論，很難精確預測其發(fā)射時的運動和受力變化規(guī)律，根本原因在于該理論是建立在剛性、平面、靜止平衡等基本假設(shè)條件基礎(chǔ)上的[1]。相當于認為高炮所有零部件和土壤都是剛性體，發(fā)射過程中高炮所有的運動和受力，均位于一個對稱平面內(nèi)，既沒有平面方向的平動，也沒有空間方向的跳動，剩下的只是炮的身管后坐部分相對于搖架沿炮膛軸線方向，作往復直線的后坐和復進運動。根據(jù)以上假設(shè)所建立起的發(fā)射時的動力有效模型，并用于求解高炮的運動位移，試驗結(jié)果和實測結(jié)果差距較大[2~3]。由于高炮各零件本身、零部件的彈性變形和地面的彈塑性，在主動力炮膛合力、彈丸回轉(zhuǎn)力矩和全炮重力的共同作用下，車載自行高炮會沿三個坐標軸方向直線位移。

在炮射試驗中，我國研制的自行高炮的首發(fā)命中率是非常高的，要想根據(jù)首發(fā)炮彈的彈著點，修正自行高炮方向，從而提高次發(fā)命中率，也需要研究其首發(fā)后的位移方向，以尋找合適的時機發(fā)射次發(fā)炮彈，提高次發(fā)命中率[4]。因此，獲得自行高炮主要零部件的位移運動規(guī)律，為炮的動態(tài)設(shè)計提供有力的理論事實依據(jù)，意義非常重大。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

鑒于自行高炮位移變化的復雜性，設(shè)計方案采用三分向的測試方法。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。位移傳感器信號輸入記錄設(shè)備內(nèi)部，通過內(nèi)部信號調(diào)理電路、C8051F自帶A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)硬件FIFO緩沖后，進行實時采集和存儲記錄[5]；上電后，記錄設(shè)備首先進行系統(tǒng)初始化工作，初始化完成后，判斷內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器是否有數(shù)據(jù)。有數(shù)據(jù)，則進入讀數(shù)和設(shè)置狀態(tài)；無數(shù)據(jù)，則立即進入數(shù)據(jù)采集記錄狀態(tài)，記錄時間可以自行控制；重新上電后，進入讀數(shù)和設(shè)置狀態(tài)，對記錄儀內(nèi)部存儲器的數(shù)據(jù)進行讀取和分析。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)的硬件電路，主要包括位移傳感器，供電電路，信號調(diào)理電路，采集電路和記錄體組成。位移傳感器將被測物體位移變化，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳂藴市盘?，供電電路為整個系統(tǒng)提供供電，信號調(diào)理電路將標準電壓信號調(diào)整在C8051F單片機的參考電壓之內(nèi)，AD轉(zhuǎn)換后經(jīng)FIFO緩沖，保存在記錄體內(nèi)部，通過上位機將數(shù)據(jù)顯示在PC機上，繪制數(shù)據(jù)波形，直觀顯示自行高炮在發(fā)射炮彈時位移情況。

3.1 位移傳感器

選用GD19系列通用型直流LVDT位移傳感器，該傳感器外徑為Φ19 mm；內(nèi)置放大器的一體化結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強；無滑動觸點，可靠性高，使用壽命長；分辨率高，響應頻率高，重復性好。

LVDT（Linear.Variable.Differential.Transformer）是線性可變差動變壓器的縮寫，它由一個初級線圈、兩個次級線圈、鐵芯等部件組成。通過初級線圈與初級線圈電磁耦合，使得鐵芯的位置變化量與次級兩個線圈輸出電壓之差呈線性關(guān)系。這一原理被廣泛應用于測量預先被轉(zhuǎn)換成直線位移的各種物理量，如拉伸、膨脹、直徑、差壓、力等，具有無滑動觸點、功耗低、分辨率高、使用壽命長、可以在高溫、高濕、粉塵等惡劣工況下使用等特點。

GD19系列產(chǎn)品采用了國外同類產(chǎn)品的先進生產(chǎn)工藝，將信號放大電路內(nèi)置于傳統(tǒng)的LVDT當中，這種一體化的預校準型產(chǎn)品，讓用戶安裝使用更加簡單、便捷，輸出的標準電壓信號更適合與通用型數(shù)字顯示表連接，直接觀察。

由于自行自行高炮炮膛與炮體的剛性連接，炮體的位移變化能反映全炮的位移變化。所以為了真實的反應自行高炮的位移變化，分別在炮體的三個方向安裝位移傳感器。

3.2 供電電路

為了增大產(chǎn)品的使用范圍，系統(tǒng)采用自帶電源供電。供電電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)供電電路

網(wǎng)標VCC連接電池，電池選用兩節(jié)3.7 V供電的鋰電池。供電電路通過場效應管控制供電的通斷：合上開關(guān)前，U3的3腳和4腳的電壓相等，等于電池電壓，U3不導通，系統(tǒng)沒有電；合上開關(guān)后，U3的2腳電壓高于1腳電壓，則1腳與7、8腳導通，則4腳接地。此時3腳電壓高于4腳，則3腳與5、6腳導通，電池電壓通過場效應管。通過C14、C15濾波，電池電壓經(jīng)S818轉(zhuǎn)換為3.3 V，為記錄系統(tǒng)供電。

3.3 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路由信號調(diào)理電路、單片機和存儲單元組成。信號調(diào)理電路將位移傳感器輸出的標準電壓信號，調(diào)理到C8051F單片機參考電壓范圍之內(nèi)，單片機采集調(diào)理后的電壓信號并保存至存儲單元。

圖3 信號調(diào)理電路

（1）信號調(diào)理電路。信號調(diào)理電路如圖3所示。系統(tǒng)選用的運算放大器為電源供電的TLV2262。傳感器信號通過分壓電阻分壓后，通過運算放大器U10電壓跟隨，增大其驅(qū)動能力，送至C8051F310單片機。

（2）C8051F單片機。C8051F系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC)[6]，具有與MCS-51指令集完全兼容的全新CIP-51內(nèi)核。它在一個芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括：ADC、DAC、可編程增益放大器、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、定時器、可編程計數(shù)器/定時器陣列(CPA)、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時器、電源監(jiān)視器、SMBus/I2C、UART及SPI等。這些外設(shè)部件的高度集成為設(shè)計小體積、低功耗、高可靠性和高性能的單片機應用系統(tǒng)提供了方便，也可使系統(tǒng)的整體成本大大降低。

異步FIFO是一種先進先出的電路，使用在需要異步時鐘數(shù)據(jù)接口的部分，用來存儲。緩沖在兩個異步時鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸，保證能夠在很快的時間內(nèi)將數(shù)據(jù)保存至FLASH中。

設(shè)計中使用FIFO結(jié)構(gòu)，因為：

（1）由要存儲信號的特征決定的。3路傳感器數(shù)據(jù)屬于連續(xù)性數(shù)據(jù)，但是FLASH不能同時寫入3路數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO是解決此問題的最好方法。

（2）由FLASH的特點決定的。FLASH存儲器是一種間歇性工作的器件，存儲時有一段200 μs左右的頁編程時間，是不能對其進行任何操作，F(xiàn)IFO可以幫助存儲這段時間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)。

（3）便于速度匹配。寫數(shù)時可以協(xié)調(diào)FLASH寫入速度與數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣绕ヅ鋯栴}。

鑒于上述原因，系統(tǒng)選用IDT72V04的硬件FIFO。

數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。將調(diào)理后信號送至單片機的P3.1腳，經(jīng)C8051F310單片機自帶的12位AD采用200KHz轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換該信號，轉(zhuǎn)換后經(jīng)P2口發(fā)送至硬件FIFO芯片IDT71V04。單片機的P3.3腳發(fā)送低電平時，數(shù)據(jù)寫FIFO使能。當硬件FIFO半滿后，將IDT71V04的23引腳置1，通知后級單片機讀取數(shù)據(jù)。為了保證C8051F310單片機能準備發(fā)送寫命令，不丟數(shù)據(jù)，在P3.3腳接47pF電容，起到濾波作用。

圖4 數(shù)據(jù)采集電路

3.4 存儲單元選擇

SAMSUNG公司長期生產(chǎn)FLASH存儲器。公司的產(chǎn)品采用NAND原理，技術(shù)成熟，芯片質(zhì)量穩(wěn)定可靠。SAMSUNG公司生產(chǎn)的FLASH存儲器有以下特點：

（1）容量范圍大，便于挑選；

（2）不同容量、不同型號芯片的封裝相同，便于擴展；

（3）不同容量、不同型號芯片的用法相同，便于使用；

（4）地址線、數(shù)據(jù)線復用，減小了控制引腳數(shù)量。

基于微型化的設(shè)計原則，要盡可能地選用大容量的存儲芯片。結(jié)合存儲器容量和芯片級別要求，選用SAMSUNG公司的具有1GByte容量的芯片K9K8G08。只要一片該存儲器，就可以滿足容量要求，減小存儲模塊的體積，便于存儲模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計和防護。

FLASH控制模塊的作用，是要按照FLASH存儲器控制時序要求，具體完成對FLASH的讀、寫和塊擦除操作。K9K8G08的外部僅有8個I/O管腳，這8個管腳既是地址、數(shù)據(jù)輸入輸出端口，也是命令輸入端口，命令、地址和數(shù)據(jù)是通過分時復用來完成不同操作的[7]。對K9K8G08的操作主要包括：頁編程、雙頁編程、讀數(shù)、塊擦除和無效塊處理。

存儲單元電路如圖5所示。為了將前端單片機采集的數(shù)據(jù)全部保存到FLASH，需要后端單片機以3倍碼流的速度來讀取并保存數(shù)據(jù)。當對應的硬件FIFO半滿后，相應的標志位HFA(HFB或者HFC)置1，通知后級單片機讀取數(shù)據(jù)。后端單片機通過與FIFO相連的RDA(RDB或者RDC)發(fā)送邏輯命令，讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)后，打包并將數(shù)據(jù)發(fā)送至FLASH保存。

圖5 存儲單元電路圖

4 結(jié)束語

該測試系統(tǒng)為自行高炮在發(fā)射時的穩(wěn)定性研究，提供了依據(jù)，據(jù)此可以改良其結(jié)構(gòu)，增加炮射穩(wěn)定性。由于自行高炮的威力大，炮射速度快，后坐力大，發(fā)射后自行高炮的位移反復變化非?？?，因此要想更加真實的反應其位移變化情況，就需要反應速度更加快的位移傳感器，來改良此測試系統(tǒng)。

[1]何 永，高樹滋，王顯會.我國發(fā)展車載炮系統(tǒng)的可行性分析[J].南京理工大學學報，2003，10（5）：536-540

[2]毋強，楊福緣.模擬與仿真技術(shù)在自行高炮研制中的應用[J].火炮發(fā)射與控制學報 1996，（1）：5-8

[3]宗士增，錢林方.火炮反后坐裝置動力學禍合分析與優(yōu)化[J].兵工學報，2007，3(3)：273.

[4]王靖君，赫信鵬.火炮概論[M].南京：南京理工大學出版社，2003.

[5]肖金球，馮翼，仲嘉纛.高速多路實時數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)設(shè)[J].計算機工程，2004，30（24）：180-181.

[6]童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2005.

[7]任勇峰，郭亞力，郭曉輝.FLASH存儲器的高速寫入方法[J].電腦開發(fā)與應用，2001，14（5）：5-6.