某新型火炮隨動系統(tǒng)的性能測試系統(tǒng)設(shè)計

姜少飛， 閆英敏， 趙 霞 ， 李鵬程

（1.軍械工程學(xué)院 河 北 石 家莊 0 50003；2.76324部隊 廣 西 桂 林541001）

某新型火炮隨動系統(tǒng)為數(shù)字式隨動系統(tǒng)，用于驅(qū)動火炮炮塔，是整個自行高炮武器系統(tǒng)的核心部分?；鹋陔S動系統(tǒng)性能的優(yōu)劣將直接影響防空武器系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)效果，因此必須進行隨動系統(tǒng)性能參數(shù)的測試，以判定其是否滿足性能指標(biāo)的要求，為武器系統(tǒng)的保障維修提供依據(jù)[1]。這對保證裝備處于良好狀態(tài)、提高系統(tǒng)戰(zhàn)斗效能、提高訓(xùn)練效果、降低維修成本、使部隊盡快形成基本保障能力，都有重要意義。

本文利用DSP和CAN總線技術(shù)的良好性能設(shè)計了火炮隨動系統(tǒng)性能測試系統(tǒng)。數(shù)字信號處理器DSP具有高速、強大的數(shù)據(jù)處理能力及豐富的外設(shè)資源，CAN總線是一種多主串行通信協(xié)議，可有效地支持分布式實時傳輸，具有較強的抗干擾能力。將DSP與CAN總線技術(shù)相結(jié)合，系統(tǒng)的可靠性和實時性能也得到很大提高[2]。

1 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 測試系統(tǒng)測試對象分析

本設(shè)計要對角位移、跟蹤速度和加速度3個能夠反映系統(tǒng)性能的重要參量進行準(zhǔn)確實時的測量，從而正確評價火炮隨動系統(tǒng)的性能。角位移信號的變化情況反映了位置式隨動系統(tǒng)的工作狀態(tài)變化，角速度和加速度的大小也能反映出系統(tǒng)調(diào)轉(zhuǎn)快速性和跟蹤快速性的好壞。

根據(jù)火炮隨動系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可推知[3]，方位、高低系統(tǒng)的跟蹤速度和方位、高低執(zhí)行電機的轉(zhuǎn)速存在線性關(guān)系，對執(zhí)行電機轉(zhuǎn)速進行測試，再根據(jù)積分、微分運算就可以得到系統(tǒng)的角位移和角加速度，進而可對火炮隨動系統(tǒng)進行性能分析。

1.2 測試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析

測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成，其都選用了TI公司的TMS320系列DSP器件TMS320LF2407A作為中央處理核心[4]。下位機通過霍爾式傳感器負(fù)責(zé)實時采集高低方位執(zhí)行電機的轉(zhuǎn)速信號，經(jīng)過DSP捕獲單元（CAP）轉(zhuǎn)換后通過核心處理器件DSP進行數(shù)據(jù)處理和分析，計算出跟蹤速度、角位移和加速度，利用CAN總線把實時數(shù)據(jù)傳輸給上位機。上位機配有鍵盤輸入和LCD顯示，負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令，并接收下位機送來的采樣數(shù)據(jù)，對火炮隨動系統(tǒng)的性能參數(shù)進行實時監(jiān)測。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 下位機硬件總體設(shè)計

設(shè)計選用TMS320LF2407A為核心構(gòu)建火炮隨動系統(tǒng)性能測試裝置的硬件電路，完成對所需監(jiān)測的轉(zhuǎn)速信號的采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。整個下位機硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 下位機硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 CAN總線通信接口電路

內(nèi)置于LF2407A的CAN總線控制器可以用來完成CAN總線通信協(xié)議CAN2．0B的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能。LF2407A的CAN控制器是一個16位的外設(shè)模塊，具有以下特性：提供6個郵箱對象，其數(shù)據(jù)長度為0～8個字節(jié)；針對郵箱0、1和2、3有局域接收屏蔽寄存器；可編程波特率；可編程中斷配置；可編程的CAN總線喚醒功能；總線錯誤診斷功能；自測試模式。

CAN總線通信的硬件電路如圖3所示。為了進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力并保護DSP器件，在LF2407A控制器和收發(fā)器PCA82C250之間增加了由高速光電隔離器6N137構(gòu)成的隔離電路，實現(xiàn)了總線上各節(jié)點間的電氣隔離。光耦部分電路所采用的兩個電源必須完全隔離，故電源模塊采用B0505S－1W現(xiàn)場總線專用的電源模塊。PCA82C250通過引腳8與地直接相連，采用高速方式[5]，因此系統(tǒng)用屏蔽雙絞線進行數(shù)據(jù)傳輸，30 m以內(nèi)可以提供1 Mb/s的傳送速率，且必須在雙絞線兩端連接兩個120 Ω的匹配電阻來消除長線反射所引起的干擾。

圖3 CAN總線通信接口電路

3 測試系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計

3.1 軟件總體設(shè)計

TMS320LF2407A 的軟件設(shè)計和調(diào)試是在DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS2000下進行的，采用C語言和匯編語言相結(jié)合的方式編寫，在軟件功能調(diào)試完成后，就可以將程序固化在片內(nèi)的Flash內(nèi)，在上電時加載程序。

系統(tǒng)軟件設(shè)計的主要流程如圖4所示，首先系統(tǒng)程序進行初始化，啟動DSP定時器和捕獲單元，采集轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號，然后對采集數(shù)據(jù)進行處理分析，DSP與CAN控制器之間以響應(yīng)中斷方式實現(xiàn)通訊。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)送給LCD顯示，以對數(shù)據(jù)進行保存和分析，并掃描有效按鍵，判斷鍵值，并進入相應(yīng)的處理。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

圖4 主程序流程

霍爾式傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號為脈沖信號，則對脈沖信號的頻率進行測量即可測出轉(zhuǎn)速的大小。利用LF2407A器件上的事件管理器（Event Manager）模塊帶有的通用定時器和捕獲單元可完成計數(shù)和測量計算任務(wù)。

將轉(zhuǎn)速信號送入EVB的CAP6引腳，選擇定時器3作為其獨立時間基準(zhǔn)，采用中斷的方式捕獲計數(shù)值，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)速信號的測量。本系統(tǒng)時鐘頻率為40 MHz，計數(shù)器最大計數(shù)為0xFFFF，即65 535，而方位、高低執(zhí)行電機的頻率范圍大致為1～600 Hz。為使精度最高，將通用定時器控制寄存器T3CON的TPS2～TPS0設(shè)置為011，選8分頻，則定時器3每隔T=8/40 MHz=0．2 ms計數(shù)一次。測速主程序如圖5所示。

圖5 測速主程序

進入捕獲中斷子程序后，首先清CAP6中斷標(biāo)志位，從2級深度FIFO中依次讀出兩次捕獲的計數(shù)值num1和num2，進而可得在被測信號的一個周期內(nèi)定時器T3的脈沖數(shù)m。如果num2大于num1，則直接相減之差即為脈沖數(shù)m；若num2小于num1，則說明在計數(shù)過程中有計數(shù)溢出，即計數(shù)到周期寄存器T3PR內(nèi)寫入0xFFFF后回零重新計數(shù)，因此再求脈沖數(shù)m＝num2-num1+0xFFFF。則可得電動機轉(zhuǎn)速信號大小為n=60 m/zT，其中，m為一個周期內(nèi)的定時器T3脈沖數(shù)，z為霍爾傳感器的磁鋼數(shù)，T為定時器采樣周期。根據(jù)執(zhí)行電機轉(zhuǎn)速和跟蹤速度關(guān)系可推導(dǎo)出隨動系統(tǒng)的跟蹤速度，再經(jīng)數(shù)字積分和微分運算就可得到系統(tǒng)的角位移和角加速度。

4 實驗結(jié)果

在完成了整個測試系統(tǒng)各部分硬件和軟件設(shè)計調(diào)試之后，將編寫好的軟件燒入LF2407A板的Flash中，然后對火炮隨動系統(tǒng)進行性能測試。這里僅以測試火炮隨動系統(tǒng)的動態(tài)性能為例。利用正弦機給定方位系統(tǒng)θ＝2 000密位的階躍響應(yīng)[6]，在整個系統(tǒng)運行時，由LF2407A每20 ms記錄一次系統(tǒng)的角位移，每次記錄采樣100點，利用DSP的集成開發(fā)工具CCS2000采用描點法對記錄數(shù)據(jù)進行處理，可以方便顯示出時間與角位移的關(guān)系，如圖6所示。由響應(yīng)跟蹤曲線可看出最大峰值時間為1.401 5 s，超調(diào)量為0.869 2%，上升時間1.368 9 s，過渡時間1.334 s。由以上數(shù)據(jù)可以看出隨動系統(tǒng)在階躍響應(yīng)下具有很好的響應(yīng)快速性，跟蹤測試能夠達(dá)到預(yù)期的精度。

5 結(jié)論

圖6 方位系統(tǒng)階躍響應(yīng)跟蹤曲線

測試系統(tǒng)以TMS320LF2407A為核心處理器，借助DSP高速的處理速度、強大的數(shù)據(jù)處理功能，有足夠的時間完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用CAN現(xiàn)場總線，增強了系統(tǒng)的開放性和通信的可靠性，并且有良好的可擴展性。該系統(tǒng)在實際檢測中已經(jīng)得到了可靠性檢測，效果良好。

[1]朱新華.某自行高炮使用及性能檢測與故障診斷[M].石家莊：軍械工程學(xué)院，1999：41-63.

[2]WU Yong，QIN Juan-ying.CAN bus system based on DSP[J].Industrial Control Computer，2002（6）：13-17.

[3]孫世宇，段修生.某自行高炮火控計算機與火炮隨動系統(tǒng)[M].石家莊：軍械工程學(xué)院，1995：24-31.

[4]劉和平，王維俊，江渝，等.TMS320LF240x DSP C語言開發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：13-24.

[5]饒運濤，邵繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：3-23.

[6]李永軍.電液伺服閥性能測試系統(tǒng)研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2008.