崔云先,郭立明,呂作良,安陽,祁洋
(1.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.大連大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院,遼寧 大連 116028)
基于PC/104的某型自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置檢測系統(tǒng)
崔云先1,郭立明1,呂作良2,安陽1,祁洋1
(1.大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 大連 116028;2.大連大學(xué) 經(jīng)濟管理學(xué)院,遼寧 大連 116028)
針對某型自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置在實際應(yīng)用中的測試和維修需求,研制了一種基于PC104工業(yè)主板的自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置檢測系統(tǒng).該檢測系統(tǒng)以PC104工業(yè)主板為硬件核心,通過PC104總線控制PCM-3718HG數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù),采用NI公司的LabVIEW軟件編譯檢測軟件系統(tǒng).系統(tǒng)可完成信號的采集、實時運算、數(shù)據(jù)波形實時顯示、故障分析和數(shù)據(jù)存儲等功能.該檢測設(shè)備操作簡單,性能穩(wěn)定,大大縮短了設(shè)備維修時間,為該型號自行榴彈炮武器系統(tǒng)的快速維護(hù)提供了有力保障.
榴彈炮;供輸彈驅(qū)動控制;PC104;LabVIEW;檢測系統(tǒng)
在當(dāng)今信息化時代,戰(zhàn)爭呈現(xiàn)高技術(shù)特征,隨之武器裝備的快速保障也成為軍隊?wèi)?zhàn)斗力提升的重要保證.某型自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置主要功能是控制炮管、協(xié)調(diào)器、彈倉等設(shè)備的協(xié)調(diào)工作,實施對地面目標(biāo)的精確打擊.目前,該型號自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置并沒有適合基層二級或中繼級修理機構(gòu)的檢測設(shè)備,該控制裝置如果需要修理,必須拆卸后送到裝備有相應(yīng)型號自行榴彈炮檢測車的一級維修機構(gòu)進(jìn)行測試、維修.該控制裝置的拆卸、運輸?shù)冗^程需要浪費大量時間,嚴(yán)重影響了該型號自行榴彈炮的保障效率和部隊的應(yīng)急作戰(zhàn)能力.因此,急需研制一種自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置檢測系統(tǒng) ,用于基層二級或中繼級修理機構(gòu)的檢測維修.
某型自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置,已預(yù)留出數(shù)據(jù)采集接口.對該裝置進(jìn)行檢測時,需開啟自行榴彈炮輔機,通過操縱自行榴彈炮控制箱輸出炮管、協(xié)調(diào)器和彈倉工作指令,并同時通過數(shù)據(jù)采集接口采集自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置輸出的指令信號和相應(yīng)設(shè)備的工作信號,將采集到的信號與標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較,從而自動判斷并顯示檢測結(jié)果.同時,需要實時顯示檢測信號波形、存儲檢測結(jié)果,以便后期查看結(jié)果、總結(jié)故障規(guī)律.
表1 待測信號與信號特征
此外,檢測系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)要求防震性能好,方便拆卸,操作簡單[1];能夠準(zhǔn)確采集各項被測信號值,測量誤差不超過0.5%;能夠多通道并行依次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,最低采樣頻率50 kHz;能夠?qū)崟r顯示并記錄保存測試信息結(jié)果,按輸入條件隨時查詢測試結(jié)果.榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置中所需測試信號及信號特征如表1所示.
根據(jù)某型榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置對檢測系統(tǒng)必須能夠滿足野戰(zhàn)和惡劣環(huán)境下的便攜儀器的需要,采用小體積、高可靠性的嵌入式系統(tǒng).與通用型計算機系統(tǒng)相比,嵌入式系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高、功能強大、性價比高、實時性強、支持多任務(wù)、占用空間小、效率高等特點,可面向特定應(yīng)用,根據(jù)需要靈活定制,并越來越多地應(yīng)用到測控領(lǐng)域[2].基于驅(qū)動控制裝置的檢測需求,結(jié)合成本控制要求,在滿足全部測試任務(wù)和一定的擴展性的前提下,構(gòu)建了基于PC/104的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)平臺.硬件設(shè)備主要包括PC104嵌入式工業(yè)主板、PCM- 3718HG數(shù)據(jù)采集卡、AA084XA03型8.4寸工業(yè)LCD液晶屏、觸摸屏等,以及自行研制的電源系統(tǒng)、信號調(diào)理板和矩陣鍵盤等.系統(tǒng)原理圖如圖1所示.
圖1 系統(tǒng)原理圖
2.1 PC/104嵌入式工業(yè)主板
由于設(shè)備應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜,根據(jù)供輸彈驅(qū)動控制裝置的測試需求,選擇Advantech公司的PCM3362N-S6型嵌入式工業(yè)主板,該主板集成Intel Atom N450低功耗處理器,工作主頻最高可達(dá)1.66 GHz,能夠充分滿足對數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的要求.在接口方面,提供18/24位TFT LCD接口,PC/104總線接口,以及USB等多種外設(shè)接口[3- 4].能夠在溫度范圍為-40~+85℃、相對濕度范圍為5%~95%的環(huán)境下正常工作[5].
2.2 數(shù)據(jù)采集卡
由于需要采集的供輸彈驅(qū)動控制裝置的9路信號均為模擬電壓信號,為了配合使用PC/104工業(yè)主板,采集卡選用Advantech公司的PCM- 3718HG數(shù)據(jù)采集卡.它是一種高性能多功能數(shù)據(jù)采集模塊,提供16單端或8微分模擬輸入接口,輸入信號范圍0~10 V,以及12位A/D轉(zhuǎn)換器,通過DMA(直接存儲器存取)轉(zhuǎn)移,采樣率可達(dá)100 kHz.該采集卡能夠通過PC104總線接口直接與PCM3362N-S6型嵌入式工業(yè)主板連接,利用標(biāo)準(zhǔn)的固定孔進(jìn)行固定,形成棧接式的緊湊結(jié)構(gòu)[3].
2.3 信號調(diào)理板
由于供輸彈驅(qū)動控制裝置待測信號為模擬電壓信號,范圍在0~28 V之間,所選采集卡輸入模擬信號電壓范圍為0~10 V,所以要對待測信號進(jìn)行處理,以匹配采集卡的輸入范圍[6].同時搭建數(shù)據(jù)采集卡PCM3718HG與自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置檢測端口之間的信號通道.根據(jù)各路待測信號特征,將所需信號進(jìn)行濾波、衰減或電平處理輸入計算機.為了減小負(fù)載對測試信號的影響,根據(jù)電阻串聯(lián)分壓公式
(1)
選擇R1=11kΩ,R2=100kΩ,將信號衰減為原來的1/10,以滿足采集卡對輸入電壓信號的要求.
采用濾波器在一定的頻率范圍內(nèi)去除干擾噪聲.幾乎所有的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用都會在一定程度上受到來自于電線或機械設(shè)備等50Hz或60Hz的噪聲影響[7].為了最大程度上抑制50Hz或60Hz噪聲而專門設(shè)計了低通濾波器.RC無源濾波器截止頻率計算公式
(2)
當(dāng)選用相同截止頻率值時,電阻越小,負(fù)載對濾波器的影響越小.取R=2kΩ,由式(2)計算得出C=2μF.信號調(diào)理板前端電路如圖2所示.
圖2 信號調(diào)理板電路
2.4 鍵盤
鍵盤功能主要有按鍵識別、去抖、發(fā)送掃描碼、自動重發(fā)、接收鍵盤命令、處理命令等.為實現(xiàn)設(shè)備的簡單操作,鍵盤采用4行×6列的矩陣行列結(jié)構(gòu),采用行掃描法識別按下的按鍵.
89C51單片機有4個8位I/O端口,因此可以采用P0口的4個(P0.0-P0.3)作為行掃描線.P2口的6個(P2.0-P2.5)作為列輸入線.采用P3.0、P3.1作為數(shù)據(jù)線和時鐘線與PC系統(tǒng)進(jìn)行通信.鍵盤硬件原理圖如圖3所示.單片機主程序流程圖如圖4所示.
圖3 鍵盤硬件原理圖
圖4 主程序流程圖
鍵盤與PC104工業(yè)主板通過一個五芯插座相接,4個有效引腳的定義分別是電源(VCC)、地(GND)、串行時鐘線(CLK)、串行數(shù)據(jù)線(DATA).其接口如表2所示.
2.5 電源系統(tǒng)
為了適應(yīng)野戰(zhàn)環(huán)境要求,電源由自行榴彈炮自身提供+24V直流電壓源,需分別為PC/104工業(yè)主板和散熱器提供12V和5V直流電壓源.根據(jù)需求,采用SF24S12- 10W模塊和SF24S5- 20W模塊構(gòu)成設(shè)備電源系統(tǒng).其中SF24S12- 10W模塊為24V輸入,12V輸出,輸出功率10W,SF24S5- 20W模塊為24V輸入,5V輸出,輸出功率20W.電源入口采用自熔斷恢復(fù)器保護(hù)電路安全.模塊前端采用LC濾波,使電源更加穩(wěn)定、可靠.
檢測軟件基于Windows2000操作系統(tǒng),在LabVIEW環(huán)境下編寫面向?qū)ο蟮目梢暬瘧?yīng)用程序.軟件采用模塊化設(shè)計[8],其主要功能是控制PC104計算機采集自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動控制裝置檢測端口的輸出信號,將實際采集值與理論基準(zhǔn)值進(jìn)行對比,最終判斷并顯示和存儲結(jié)果.
為了能夠更好地顯示測試結(jié)果,軟件中除表針和數(shù)字窗指示測試結(jié)果外,還設(shè)置了波形顯示窗口、故障指示燈等顯示方式,能夠?qū)崟r顯示采集的信號波形,提示檢測項目運行狀態(tài).同時能夠根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已知故障數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析,幫助檢修人員完成快速診斷.檢測儀單項測試界面如圖5所示.同時該軟件可提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能,每次測試的結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫中,以便技術(shù)人員對故障原因進(jìn)行分析、總結(jié),最終對故障數(shù)據(jù)庫進(jìn)行升級.歷史檢測數(shù)據(jù)查詢界面及檢測數(shù)據(jù)如圖6所示.
圖5 單項測試界面圖
圖6 檢測數(shù)據(jù)查詢界面圖
軟件程序調(diào)用第三方控件,循環(huán)采集數(shù)據(jù)采集卡各通道數(shù)據(jù),通過判斷、比較,最終將所需結(jié)果顯示在前面板.數(shù)據(jù)采集部分程序框圖如圖7所示.
圖7 數(shù)據(jù)采集部分程序框圖
本測試系統(tǒng)以PC104工業(yè)主板為硬件核心,具有小體積、高可靠性等特點,能夠滿足惡劣環(huán)境下的便攜儀器的需要.軟件系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺,其人機界面友好,功能強大;開發(fā)效率高、可維護(hù)性強;測試精度高、穩(wěn)定性和可靠性能得到充分保證;具有很高的性價比.檢測結(jié)果表明,測試系統(tǒng)能夠?qū)崟r、穩(wěn)定、連續(xù)地提供自行榴彈炮供輸彈系統(tǒng)運動的動態(tài)信息,從而能更好地掌握驅(qū)動控制裝置的工作狀態(tài),為自行榴彈炮武器系統(tǒng)的快速維護(hù)提供了保障.
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A Detection System of Ammunition Drive Control Device for a Howitzer based on PC/104
CUI Yunxian1,GUO Liming1,LYU Zuoliang2,AN Yang1,QI Yang1
(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.School of Economic and Management,Dalian University,Dalian 116028,China)
A drive control device detection system is developed to detect the accuracy of transport ammunition for howitzer with PC104 industrial motherboard as the core.To cope with a drive control device testing and maintenance requirements in practical application,the detection system uses the compile testing software Lab VIEW to collect data through PCM- 3718-HG data acquisition module which controlled by PC104 bus.The system has functions such as signal acquisition,real-time operation,waveform data real-time display,fault analysi and data storage.The equipment provides a powerful guarantee,with simple operation,stable performance and short maintenance time for the rapid maintenance of the howitzer weapon system.
howitzers;ammunition drive control;PC104;Lab VIEW;detection system
1673- 9590(2015)01- 0051- 04
2014- 04- 14
遼寧省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究計劃資助項目(L2013184);遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(201202024)
崔云先(1963-),女,教授,博士,主要研究方向為傳感器與測試技術(shù),先進(jìn)制造技術(shù)的研究
E-mail:dlcyx007@126.com.
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