FPGA在坦克炮控系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

楊宗民，馬曉軍，劉春光，曾慶含

(裝甲兵工程學(xué)院，北京 100072)

坦克炮控系統(tǒng)是一套驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定的控制系統(tǒng)，用于在水平方向驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定炮塔，在高低方向驅(qū)動(dòng)和穩(wěn)定火炮。目前，坦克炮控系統(tǒng)的研究主要是基于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)的全電化、控制算法的數(shù)字化和智能化[1]，而對(duì)炮控系統(tǒng)的邏輯電路的研究相對(duì)較少，采用FPGA對(duì)坦克炮控系統(tǒng)的邏輯部分進(jìn)行數(shù)字化研究。

1 系統(tǒng)邏輯電路分析

坦克炮控系統(tǒng)邏輯電路都由繼電器來實(shí)現(xiàn)，進(jìn)行炮控系統(tǒng)主要工況和輔助工作狀態(tài)的判斷及轉(zhuǎn)換[2]。系統(tǒng)共有穩(wěn)像、自動(dòng)、水平自動(dòng)垂直手動(dòng)、水平半自動(dòng)垂直自動(dòng)和半自動(dòng)5種主要工況，炮長(zhǎng)可根據(jù)外部條件選擇使用。在這5種主要工況下又有高速調(diào)炮、車長(zhǎng)超越調(diào)炮、垂直向角度限制、火炮制動(dòng)、手動(dòng)裝彈和自動(dòng)裝彈共10種輔助工作狀態(tài)。系統(tǒng)中與工況和狀態(tài)判斷相關(guān)的信號(hào)主要有14個(gè)，這14個(gè)信號(hào)的定義如下：

1)計(jì)算機(jī)選擇裝表工況；

2)陀螺儀加溫完畢；

3)高低機(jī)解脫；

4)操作臺(tái)自動(dòng)穩(wěn)定開關(guān)接通；

5)水平高速調(diào)炮；

6)車長(zhǎng)向左超越；

7)車長(zhǎng)向右超越；

8)向上碰角度限制器；

9)向下碰角度限制器；

10)火炮制動(dòng)；

11)車長(zhǎng)向上超越；

12)車長(zhǎng)向下超越；

13)自動(dòng)裝彈；

14)手動(dòng)裝彈。

下面根據(jù)1)～14)14個(gè)信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)主要工況和輔助狀態(tài)的判斷作以簡(jiǎn)要分析。

1.1 系統(tǒng)主要工況

各種工況最終實(shí)現(xiàn)必須滿足箭頭來源項(xiàng)的所有條件，否則系統(tǒng)進(jìn)入缺省工況，即半自動(dòng)工況。

1.2 系統(tǒng)水平輔助工作狀態(tài)

系統(tǒng)水平輔助工作狀態(tài)的判斷如圖2所示。

圖中結(jié)點(diǎn)表示“或”的關(guān)系，即各種主要工況下都可能出現(xiàn)以上4種水平輔助工作狀態(tài)。

1.3 系統(tǒng)垂直輔助工作狀態(tài)

系統(tǒng)垂直輔助工作狀態(tài)的判斷如圖3所示。

坦克炮控系統(tǒng)中的各繼電器不是獨(dú)立存在，單獨(dú)實(shí)現(xiàn)其功能的，而是彼此交叉，互相影響的，坦克炮控系統(tǒng)邏輯主要是時(shí)序組合邏輯，包括延時(shí)電路、自鎖繼電器和互鎖繼電器3種主要類型，主要完成各種信號(hào)和電路的接通、轉(zhuǎn)換以及控制炮控箱內(nèi)其他繼電器的工作。邏輯控制的輸入為坦克的直流電壓開關(guān)量信號(hào)，輸出為信號(hào)電路及功率電路的通斷。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)總體方案

坦克炮控系統(tǒng)邏輯主要為時(shí)序組合邏輯，利用FPGA實(shí)現(xiàn)時(shí)序組合邏輯電路的功能，對(duì)邏輯控制的輸入信號(hào)進(jìn)行采集、邏輯判斷，驅(qū)動(dòng)輸出信號(hào)，系統(tǒng)框圖如圖4所示。

該方案不改變?cè)到y(tǒng)接口定義，方便與原系統(tǒng)相配合。采集電路將坦克的直流電壓開關(guān)量信號(hào)轉(zhuǎn)換成FPGA能夠識(shí)別的TTL電平。驅(qū)動(dòng)電路用來控制信號(hào)電路及功率電路的通斷。

為了精確的測(cè)定元素含量，對(duì)所有納米粒子進(jìn)行了元素分析測(cè)試。納米粒子中C、H、N、S 4種元素的具體值如表1所示。原始的納米二氧化硅基本不含C、N、S元素，由于其表面的羥基結(jié)構(gòu)所以它含有一定量的H元素。在通過硅烷偶聯(lián)劑修飾以后，納米粒子3中有少量的C、H、N元素，這顯示有機(jī)基團(tuán)被成功的引入納米粒子中。值得一提的是，納米粒子3、4、5中的N元素含量幾乎完全一致，這說明新接枝上的有機(jī)基團(tuán)的質(zhì)量占納米粒子總質(zhì)量的比例非常少。除此之外，在含有雙硫酯結(jié)構(gòu)的納米粒子4、5中，均檢測(cè)到一定含量硫元素的存在，這也佐證了雙硫酯結(jié)構(gòu)的存在。

2.2 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)總體方案，系統(tǒng)電路由以FPGA為核心的邏輯處理電路、輸入輸出電路和電源電路等構(gòu)成，邏輯處理電路由FPGA板來實(shí)現(xiàn)，輸入輸出電路、電源電路及其他電路由輸入輸出板來實(shí)現(xiàn)。FPGA板是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心模塊，主要完成信號(hào)接收、邏輯運(yùn)算、延時(shí)控制和輸出控制等功能，通過擴(kuò)展口接插件與輸入輸出板連接。設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)接板解決系統(tǒng)接口問題。系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。

轉(zhuǎn)接板通過接插件將輸入輸出板與底板連接，完成系統(tǒng)對(duì)直流信號(hào)的采集和控制信號(hào)的輸出以及功率電路的驅(qū)動(dòng)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，坦克炮控系統(tǒng)邏輯控制由FPGA實(shí)現(xiàn)。FPGA將實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、處理、控制和存儲(chǔ)等功能，采用自頂向下的設(shè)計(jì)方法，從系統(tǒng)級(jí)開始，把系統(tǒng)分為幾個(gè)基本模塊，再將每一個(gè)模塊劃分為下一層次的基本模塊，直到能用基本可編程邏輯單元實(shí)現(xiàn)，將整個(gè)系統(tǒng)模塊化，用清晰的層次結(jié)構(gòu)描述復(fù)雜的數(shù)字邏輯關(guān)系[3]。

邏輯控制軟件程序主要分為輸入、輸出和信號(hào)控制等功能模塊，程序結(jié)構(gòu)框圖，如圖6所示。

3.1 信號(hào)控制模塊

信號(hào)控制模塊主要根據(jù)炮控系統(tǒng)原有的邏輯控制電路的邏輯控制關(guān)系生成各種虛擬繼電器，來實(shí)現(xiàn)坦克炮控系統(tǒng)的邏輯控制功能。執(zhí)行時(shí)首先從輸入模塊中讀取各輸入信號(hào)狀態(tài)，如果有延時(shí)關(guān)系，從延時(shí)模塊中讀取相應(yīng)的參數(shù)，然后調(diào)用各種虛擬繼電器，判斷邏輯關(guān)系的成立與否，如邏輯關(guān)系成立則將相應(yīng)的輸出狀態(tài)寄存器置“1”，否則將相應(yīng)的輸出狀態(tài)寄存器置“0”。信號(hào)控制模塊的工作流程如圖7所示。

坦克炮控系統(tǒng)邏輯部分由眾多繼電器及其觸點(diǎn)構(gòu)成，邏輯功能主要由繼電器完成。通過檢測(cè)與繼電器相關(guān)聯(lián)的線號(hào)的得失電狀態(tài)，經(jīng)過與之對(duì)應(yīng)的邏輯組合得出繼電器是否得電，得到的繼電器狀態(tài)構(gòu)成繼電器狀態(tài)表，供后級(jí)電路查詢。替代后的繼電器，按照原有的邏輯控制電路圖中繼電器的連接信號(hào)進(jìn)行端口定義，運(yùn)用邏輯代數(shù)的公式化簡(jiǎn)法對(duì)復(fù)雜邏輯進(jìn)行簡(jiǎn)化，采用原理圖輸入法，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種繼電器的替代。以垂直向液力閉鎖控制繼電器K10為例說明邏輯替代的一般原理。通過炮控系統(tǒng)邏輯電路分析，可得K10的邏輯函數(shù)表達(dá)式：

式中：

K74=27SA1

K3=7K·7SA2·KT

K18=7K·32K

KT=K2

K16=K22

K64=S1

代入K10，化簡(jiǎn)，得：

3.2 故障診斷功能

微處理芯片具有強(qiáng)大的邏輯判斷和數(shù)據(jù)處理功能[4]，在實(shí)現(xiàn)炮控系統(tǒng)邏輯電路數(shù)字化的基礎(chǔ)上,再充分利用微處理器的強(qiáng)大功能，依靠現(xiàn)有的輸入信號(hào)線進(jìn)行相關(guān)的故障信息判斷，并顯示故障信息。

按照坦克炮控系統(tǒng)邏輯電路的數(shù)學(xué)模型，整理得出的各種故障類型和故障模型作為故障檢測(cè)和故障診斷的依據(jù)。對(duì)邏輯電路的具體診斷方式是將直接獲取的邏輯電路輸出信號(hào)做為反饋信號(hào)輸入到邏輯處理單元，這些反饋信號(hào)都是直接取自被控對(duì)象，如繼電器的線圈前端線路。然后，邏輯處理單元以各種輸入信號(hào)為依據(jù)，根據(jù)從輸出反饋回的信號(hào)，利用整理出的邏輯控制關(guān)系即可直接判斷出系統(tǒng)是否發(fā)生故障，并指出故障位置和故障類型。當(dāng)確定系統(tǒng)發(fā)生故障后，可以再判定故障可能出現(xiàn)的后果并采取相應(yīng)的措施。然后通過故障顯示將故障信息顯示出來。故障診斷原理框圖如圖8所示。

4 結(jié) 論

將FPGA應(yīng)用于坦克炮控系統(tǒng)，利用其邏輯控制功能代替繼電邏輯控制，將坦克炮控系統(tǒng)邏輯電路分立器件進(jìn)行集成。用FPGA數(shù)字化后的坦克炮控系統(tǒng)邏輯部分具有以下優(yōu)點(diǎn):

1)邏輯控制的核心采用大規(guī)模集成電路技術(shù)，外部連線少、可靠性高、抗干擾能力和邏輯處理功能強(qiáng)、功耗低、速度快[5]。

2)坦克炮控系統(tǒng)控制邏輯的軟件化，對(duì)炮控系統(tǒng)邏輯的變更或針對(duì)不同的坦克炮控系統(tǒng)，可以方便地由修改程序來滿足控制要求，這樣不僅給坦克炮控系統(tǒng)邏輯設(shè)計(jì)帶來方便，而且可大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)組裝布線、檢驗(yàn)及維護(hù)工作。

3)微處理器具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力和邏輯判斷功能，使得原來難以實(shí)現(xiàn)的坦克炮控系統(tǒng)邏輯的故障診斷變得相對(duì)簡(jiǎn)單。利用芯片的處理、判斷和存儲(chǔ)功能，讀取邏輯控制的各種信息，方便炮長(zhǎng)和維修人員判斷故障，并及時(shí)采取相應(yīng)措施。

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