基于DSP+μC/OS-Ⅱ的裝甲車輛自動裝彈機控制系統(tǒng)設計

李培富，張振山，李 挺，李 坤

(裝甲兵工程學院兵器工程系，北京100072)

自動裝彈機是裝甲車輛武器系統(tǒng)的重要組成部分，由程控盒、旋轉輸彈機、提升機、推彈機、開窗機構、火炮閉鎖器、拋殼機構、配電盒、記憶裝置、彈量指示器、裝彈操縱臺、調炮器、觸點開關和控制電纜等組成。穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)裝彈是裝甲車輛武器系統(tǒng)發(fā)揮作戰(zhàn)效能的前提，針對目前裝彈機工作不穩(wěn)定、易出現(xiàn)故障的現(xiàn)狀，進行控制系統(tǒng)的優(yōu)化設計，具有一定的工程應用價值。

自動裝彈機是一個機電結合的復雜系統(tǒng)，整個工作過程持續(xù)時間較短，故障前兆不易察覺，出現(xiàn)故障后不易排除。在硬件上，現(xiàn)有裝彈機的核心部件控制盒采用單片機、繼電器、觸點開關等器件構成。其中繼電器、觸點開關在接通和斷開過程中，存在觸點燒灼、電磁干擾較大、響應速度慢等問題，降低了系統(tǒng)的可靠性。而且控制盒內元器件數(shù)量較多，長期使用下容易發(fā)生觸點膠合、器件老化等隱患。內存容量較小，不能存儲裝彈機自檢采集的大量數(shù)據(jù)。核心處理器運行速率低，集成化程度不高，無法滿足裝彈機自檢和實時信號采集需要。在軟件上，缺乏良好的人機交互平臺和測試接口。因此，筆者設計了基于DSP控制的自動裝彈機控制系統(tǒng)，在實現(xiàn)現(xiàn)有裝彈機相應功能指標的基礎上，提高了控制系統(tǒng)的可測試性和可靠性，改進了系統(tǒng)功能，使操作更加簡便。

1 系統(tǒng)總體結構

自動裝彈機控制系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、程序控制模塊(CPU)、BIT模塊和顯示操作終端組成，其總體結構如圖1所示。系統(tǒng)實現(xiàn)的具體功能有:1)系統(tǒng)自檢，控制執(zhí)行部件正確動作，實時采集裝彈過程中各觸點開關、行程開關的電壓信號并存入存儲器，以備故障診斷設備讀取狀態(tài)數(shù)據(jù);2)串口通信，響應操作面板操作信號并顯示裝彈機當前狀態(tài)，上傳故障信息;3)基于CAN總線的檢測接口，便于外部檢測設備采集系統(tǒng)工作信號，實現(xiàn)故障診斷;4)CAN總線及控制模塊回路實時檢測。

圖1 系統(tǒng)總體結構

提高控制系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，從硬件結構上采用模塊化設計，結構獨立可分離，系統(tǒng)的4個模塊疊層組合設計，機械上可拆分，電氣上采用標準接口相連，便于拆裝更換和維修，實現(xiàn)故障模塊的定位［1］。控制盒增加外部檢測接口，以供外部設備對其進行故障檢測。各模塊的功能如下。

1)程序控制模塊

該模塊是自動裝彈機程序控制盒內的核心部件，主要包括DSP控制芯片及其外圍最小硬件電路、CAN總線通信接口電路、SCI串行通信電路、存儲器等硬件單元?？刂颇K采用TI公司生產(chǎn)的TMS320F2812高速微處理器作為核心處理單元，其頻率高達150 MHz，最大支持外擴521 KB×16位FLASH，可以實現(xiàn)信號采集處理和驅動執(zhí)行電路，完成對裝彈系統(tǒng)的控制和通信等功能。

2)數(shù)據(jù)采集模塊

由于車載電源電壓的不穩(wěn)定，繼電器和復雜電磁環(huán)境等會對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾且采集的數(shù)據(jù)多為22～26 V的直流電壓開關量信號，所以在數(shù)據(jù)輸入通道中需要設置隔離器件［2］。CPU根據(jù)采集的開關量信號判斷當前自動裝彈機的工況和彈藥位置，并確定下一步的動作，輸出控制指令。

3)BIT模塊

BIT模塊包括故障檢測信號生成電路和結果信號生成及處理電路。主要功能是定時向CPU發(fā)送測試指令，配合CPU模塊生成能夠對系統(tǒng)各功能模塊測試的檢測信號和查詢指令，然后將CPU反饋回來的狀態(tài)信息進行解析，并與系統(tǒng)預設的狀態(tài)庫進行比較，得出結論。

4)顯示操作終端

由鍵盤和液晶顯示電路組成，方便武器操作人員進行儀表參數(shù)和其他輸入?yún)?shù)的設置。顯示面板顯示自動裝彈機電氣系統(tǒng)工作狀態(tài)監(jiān)測和故障報警信息，鍵盤按鍵實現(xiàn)裝卸彈、拋殼、記憶等操作功能。系統(tǒng)中采用4個按鍵組合的方式，通過菜單方式進行系統(tǒng)參數(shù)設定與操作;采用帶背光的點陣式LCD將有關參數(shù)、代碼、診斷信息和報警提示等顯示出來［3］。

2 控制系統(tǒng)自動裝彈工作流程

控制系統(tǒng)經(jīng)過改造后，裝彈機的自動裝彈機過程主體是一個順序并行過程，即一個動作完成后觸發(fā)下一個動作過程。具體工作過程如圖2所示。

裝彈時，首先進行系統(tǒng)自檢，自檢正常后執(zhí)行下一步裝彈動作;否則，系統(tǒng)不工作，并顯示自檢故障信息。在自動裝彈過程中，系統(tǒng)采集各節(jié)點開關量電壓信號，經(jīng)處理后作為狀態(tài)信息存入存儲器中。

3 關鍵電路設計

3.1 開關量信號采集處理電路

圖2 自動裝彈工作流程

本設計中的電氣隔離選用高速光耦TLP521完成各行程開關的狀態(tài)信號采集，處理后傳送到DSP處理器，接口電路如圖3所示。為保證I/O接收信號的質量，采用RC電路抑制抖動。DSP采用3.3 V供電，而TLP521是24 V供電，為解決電壓匹配問題，在隔離輸出總線和DSP數(shù)據(jù)總線之間采用8位總線驅動器74LS245，其使能信號由74LS138輸出信號提供。開關信號屬于突發(fā)事件，采用中斷響應的模式實現(xiàn)各通道數(shù)據(jù)采集。該器件的響應時間為75 ns，根據(jù)響應速度及信號頻率指標要求，能夠滿足模塊設計要求。

圖3 開關量采集接口電路

3.2 BIT故障診斷電路

系統(tǒng)開發(fā)過程中融入了BIT設計技術，以實現(xiàn)控制系統(tǒng)狀態(tài)檢測和故障診斷。而在以往型號的自動裝彈機控制中能否采用BIT設計一直存在異議，原因是裝彈機控制系統(tǒng)數(shù)字化程度較低，常規(guī)BIT設計幾乎無一例外地要為測試而增加大量的附加零部件，對裝彈機的固有可靠性帶來一定的不良影響。本文設計的控制系統(tǒng)數(shù)字化、智能化的特點為BIT技術設計創(chuàng)造了有利的條件。具體診斷方案為:由核心控制芯片DSP控制，在不損害器件本身的前提下，對不同測試目標輸入相應的測試信號，通過測試回路的結果信號，確定目標的故障類型及性質。圖4為CAN通信電路的BIT設計，采用了高速光耦HCPL0600對通信接口電路進行電氣隔離。

圖4 CAN故障檢測電路

當DSP收到BIT單元檢測指令后發(fā)出檢測使能信號，同時DSP輸出I/O控制信號，驅動回繞開關形成CAN發(fā)送端TXD到接收端RXD的自發(fā)自收回路;同時，DSP控制外圍CAN模塊發(fā)送測試消息序列，并通過判斷發(fā)送郵箱和接收信箱消息內容的方式實現(xiàn)總線通信電路的故障檢測。

3.3 功率驅動電路

考慮到系統(tǒng)使用的電子開關和驅動電機負載電流較大，設計了電子開關和電機的驅動電路。裝彈機執(zhí)行電機是直流電機，采用了以DSP作為主控部件的PWM調速系統(tǒng)，由DSP輸出端口P2.0和P2.1發(fā)出PWM脈沖信號，通過調節(jié)加到電機上的占空比實現(xiàn)電機轉速控制。電機驅動是由普林頓管組成的H型橋式驅動電路，主要放大器件是大功率三極管，功率驅動電路如圖5所示［4］。該驅動電路輸出功率大，開關的響應時間短，性能可靠。

圖5 電機驅動電路

系統(tǒng)利用2個光電耦合器將處理器與電機系統(tǒng)電源隔離起來，經(jīng)過光耦控制Q1和Q2的通斷，防止驅動模塊電路對微處理器產(chǎn)生干擾。當數(shù)字驅動信號P2.0為高、P2.1為低時，光耦U1工作，Q1導通，放大管Q3工作，使電機輸入端OUTA為高，OUTB為低，電機流過正向電流，實現(xiàn)電機正向轉動。反之，當P2.1為高、P2.0為低時，實現(xiàn)電機反向轉動工作。電機的2種工作轉速通過信號端P2.0和P2.1信號脈寬調制實現(xiàn)。

3.4 DSP控制模塊

裝彈機控制系統(tǒng)的關鍵在于信號的及時準確處理及控制響應，需要強大的數(shù)據(jù)處理能力，因此系統(tǒng)中采用TI公司DSP芯片TMS320F2812作為信號處理及系統(tǒng)控制核心，通過外擴SRAM增強數(shù)據(jù)存儲能力，控制模塊功能框圖如圖6所示。

圖6 控制模塊功能框圖

TMS320F2812內核是C2000平臺上的定點32位DSP，主頻150 MHz，處理性能可達150 MIPS，采用哈佛總線結構，具有密碼保護機制，從而為系統(tǒng)高速處理和實時響應提供了充分的條件［5］。本系統(tǒng)中采用芯片內部集成的事件管理器模塊的PWM功能實現(xiàn)電機控制;采用GPIO及中斷管理鍵盤操作;看門狗防止系統(tǒng)出現(xiàn)死機情況;采用PIE模塊管理全部中斷操作;外擴SRAM映射到XINTF4空間;并口液晶映射到F2812的XINTF0空間;程序的下載調試由JTAG接口進行。

4 軟件實現(xiàn)

控制系統(tǒng)作為自動裝彈機電氣設備的控制樞紐，必須具有很強的穩(wěn)定性和很高的實時性［6］。本系統(tǒng)軟件的構建基于μC/OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)，主要包括系統(tǒng)移植和系統(tǒng)任務劃分及實現(xiàn)。

4.1 系統(tǒng)移植

μC/OS-Ⅱ的移植要求處理器可重入代碼，用C語言可打開和關閉中斷，有讀出存取堆棧指針和寄存器的指令，支持中斷并能產(chǎn)生定時中斷，能夠容納任務堆棧等條件。TMS320F2812完全滿足上述條件，所以系統(tǒng)的移植沒有問題。移植主要工作有:

1)編寫與處理器相關的程序代碼，包括頭文件OS_CPU.H、C文件OS_CPU_C.C和ASM文件OS_CPU_A.ASM，完成處理器的預定義和用戶任務的堆棧初始化;

2)在OS_CPU_A.ASM文件中修改4個主要的匯編函數(shù)，即 OSStartHighRdy()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()和OSCtxSw()，完成控制系統(tǒng)不同優(yōu)先級任務的切換和相關功能實現(xiàn)以及時鐘節(jié)拍設置［7］;

3)修改INCLUDES.H和OS_CFG.H文件，完成用戶頭文件和控制系統(tǒng)基本情況的設置。

4.2 系統(tǒng)任務劃分及實現(xiàn)

μC/OS-Ⅱ移植完成系統(tǒng)能夠穩(wěn)定正常運行后，就可以進行控制系統(tǒng)項目開發(fā)。本設計中采用模塊化設計方案，主要功能模塊劃分為初始化模塊、信號采集模塊、核心邏輯控制模塊、執(zhí)行部件驅動模塊、CSI通信模塊、CAN通信模塊和人機接口模塊。將每一個模塊作為一個獨立的程序裝入到對應的一個任務中，并設置任務函數(shù)的掛起方式和掛起時間。每個任務具有唯一確定的優(yōu)先級，優(yōu)先級數(shù)越小，優(yōu)先級越高。將任務以鏈表的形式進行優(yōu)先級排序，通過優(yōu)先級的比較來實現(xiàn)任務的切換，由主程序統(tǒng)一調用和協(xié)調各任務正常有序工作［8］。系統(tǒng)任務程序運行如圖7所示。

圖7 μC/OS-Ⅱ任務運行結構

5 結論

本文采用DSP芯片TMS320F1812為主控芯片配以輔助電路實現(xiàn)自動裝彈機控制系統(tǒng)的設計，在原有功能基礎上開發(fā)了BIT和外部檢測接口，為自動裝彈機在線檢測和車外故障診斷提供基礎。該系統(tǒng)克服了現(xiàn)有裝彈機控制系統(tǒng)結構復雜、集成度低、自身檢測能力弱等問題，可靠性、可測試性、操控性均有所提高;優(yōu)化了顯示操作方式，采取了抗干擾措施和系統(tǒng)誤碼兼容設計。

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