王鑒淵,李光升
(裝甲兵工程學(xué)院 控制工程系,北京 100072)
三防裝置是坦克在遭受原子、化學(xué)、生物武器襲擊時(shí),保護(hù)乘員及車內(nèi)部件不受傷害、提高坦克和乘員在戰(zhàn)場(chǎng)生存力的一種特殊防護(hù)裝置。配備三防系統(tǒng)的裝甲車輛一般都采用集體防護(hù)形式,而集體防護(hù)形式主要分為超壓式集體防護(hù)和混合式集體防護(hù),但大都采取超壓式集體防護(hù),簡(jiǎn)稱“超壓集防”。裝甲車的三防系統(tǒng)是隨著核武器、生物武器、化學(xué)武器的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的。在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)上,最重要的就是當(dāng)發(fā)生核爆炸或者核爆炸后進(jìn)入放射性沾染區(qū)和進(jìn)入毒劑沾染區(qū)后,車輛的保護(hù)裝置能否快速而有效地動(dòng)作,繼而能否形成超壓集防。所有的保護(hù)裝置包括那些執(zhí)行機(jī)構(gòu)都由三防系統(tǒng)的控制盒來控制,所以三防控制盒扮演著極其重要的角色。本文以某型裝甲車輛的三防控制盒為改造對(duì)象,通過對(duì)比分析選擇恰當(dāng)?shù)目刂品绞竭M(jìn)行控制,提高了該控制器的可擴(kuò)展性,為后面三防系統(tǒng)故障診斷研究打下硬件基礎(chǔ)。
該三防裝置由探測(cè)器和電氣控制裝置、關(guān)閉機(jī)構(gòu)、過濾通風(fēng)裝置組成,與整車密封機(jī)件配合使用。該三防裝置電氣控制方框簡(jiǎn)圖如圖1所示。其中最為關(guān)鍵的控制盒由多個(gè)繼電開關(guān)構(gòu)成,當(dāng)控制盒接收到報(bào)警信號(hào)后,經(jīng)過繼電開關(guān)來控制除塵增壓風(fēng)機(jī)及其進(jìn)排氣口關(guān)閉機(jī)、轉(zhuǎn)換裝置、隔板通風(fēng)活門關(guān)閉機(jī)、百葉窗關(guān)閉機(jī)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作。下面結(jié)合三防裝置電氣控制圖,簡(jiǎn)要分析系統(tǒng)工作過程。
防原子過程:核爆炸時(shí)或者核爆炸后坦克進(jìn)入放射性沾染區(qū)時(shí),原子報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào),黃色報(bào)警閃光燈亮后,風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣口關(guān)閉機(jī)、通風(fēng)活門、百葉窗關(guān)閉機(jī)自動(dòng)關(guān)閉,轉(zhuǎn)換活門自動(dòng)轉(zhuǎn)換到“過濾”工況。車長(zhǎng)看到黃色閃光后立即看控制盒的“過濾”燈亮?xí)r,由車長(zhǎng)拉出除塵增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣口關(guān)閉機(jī)的拉柄,使增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣口關(guān)閉機(jī)開啟,然后按控制盒的“啟動(dòng)”按鈕,使除塵增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn),這時(shí)三防系統(tǒng)進(jìn)入集體防護(hù)狀態(tài)。當(dāng)車輛脫離沾染區(qū)后,車長(zhǎng)停止除塵增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
防含磷毒劑過程:當(dāng)進(jìn)入含磷毒劑沾染區(qū)時(shí),報(bào)警器自動(dòng)報(bào)警,紅色報(bào)警燈閃后,通風(fēng)活門自動(dòng)關(guān)閉,轉(zhuǎn)換活門轉(zhuǎn)換到“過濾”工況。車長(zhǎng)看到紅色閃光立即看控制盒的“過濾”燈亮?xí)r,由車長(zhǎng)完成下述操作。若除塵增壓風(fēng)機(jī)沒有運(yùn)轉(zhuǎn)工作,則立即開啟除塵增壓風(fēng)機(jī)進(jìn)排氣口關(guān)閉機(jī)并啟動(dòng)除塵增壓風(fēng)機(jī);若除塵增壓風(fēng)機(jī)在防護(hù)前是運(yùn)轉(zhuǎn)的,則不需要進(jìn)行此項(xiàng)操作。當(dāng)車輛脫離毒劑沾染區(qū)后,車長(zhǎng)停止除塵增壓風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖1 電氣控制方框簡(jiǎn)圖
分析繼電控制盒的原理很容易看出,該控制盒是靠繼電器來實(shí)現(xiàn)控制的?,F(xiàn)在本文想通過單片機(jī)的控制方式來實(shí)現(xiàn)對(duì)操作機(jī)構(gòu)的控制。下面通過控制方式、控制速度、延時(shí)控制方面的對(duì)比來說明使用單片機(jī)來控制的優(yōu)勢(shì)。
繼電器的控制是采用硬件接線實(shí)現(xiàn)的,是利用繼電器接觸點(diǎn)的串聯(lián)或者并聯(lián)及延時(shí)繼電器的滯后動(dòng)作等組合形成控制邏輯,只能完成既定的邏輯控制。而單片機(jī)控制其控制邏輯是以程序方式存儲(chǔ)在內(nèi)存中,想要改變控制邏輯,只需要改變程序就能完成。
繼電器控制邏輯是依靠觸點(diǎn)的機(jī)械動(dòng)作實(shí)現(xiàn)控制,工作頻率低,毫秒級(jí)別,機(jī)械出點(diǎn)有抖動(dòng)現(xiàn)象。而單片機(jī)控則是由程序指令控制半導(dǎo)體電路來實(shí)現(xiàn)控制,速度極快,微妙級(jí)別,嚴(yán)格同步,無抖動(dòng)。
繼電器控制系統(tǒng)是靠時(shí)間繼電器的滯后動(dòng)作實(shí)現(xiàn)延時(shí)控制,但是時(shí)間繼電器的定時(shí)精度不高,受環(huán)境影響大,調(diào)整時(shí)間較為困難。而單片機(jī)控制則是使用半導(dǎo)體集成電路來時(shí)限控制,速度快,微秒級(jí)別,并且不受環(huán)境影響。
在實(shí)際使用的過程中,該控制盒不僅在三防系統(tǒng)中扮演著重要的角色,而且在裝甲車輛的滅火抑爆環(huán)節(jié)也必不可缺。容易看出,雖然這些控制邏輯簡(jiǎn)單,但是其連接線多且復(fù)雜,并且從實(shí)物能看出體積較大,一旦系統(tǒng)構(gòu)成后,想增加某些功能模塊或增加控制較為困難。由于繼電器觸點(diǎn)數(shù)量有限,所以它的靈活性和可擴(kuò)展性受到了極大程度的限制。不僅如此,繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的機(jī)械觸點(diǎn),觸點(diǎn)開閉合時(shí)存在避免不了的機(jī)械磨損、電弧燒傷現(xiàn)象,其可靠性和可維護(hù)性差。在未來戰(zhàn)場(chǎng)上,功能模塊單一的系統(tǒng)必然會(huì)被淘汰。所以為了提升該控制盒的可擴(kuò)展性,為了在增加其功能的基礎(chǔ)上縮小體積,也為了提高其可靠性和可維護(hù)性,本文選用單片機(jī)的控制方式對(duì)其進(jìn)行改造。
該控制器功能的實(shí)現(xiàn)需要較好的計(jì)算處理、中斷響應(yīng)等能力。在搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中,選用了以STM32單片機(jī)為核心的開發(fā)板作為控制器的核心硬件,其原理如圖2所示。該單片機(jī)是一款發(fā)展成熟的單片機(jī),性能高,成本低,功耗低。
圖2 單片機(jī)系統(tǒng)原理圖
該硬件使用microusb數(shù)據(jù)連接模塊,如圖3所示,可以與上位機(jī)連接并供電。該數(shù)據(jù)連接器體積小,可節(jié)省空間,且插拔使用壽命長(zhǎng)。該連接器支持目前USB的OGT功能,在沒有主機(jī)的情況下,可用便攜式檢測(cè)儀與之實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。
圖3 數(shù)據(jù)連接模塊
在應(yīng)用過程中需要用到如圖4所示的電壓轉(zhuǎn)化器來得到不同幅值的電壓。該轉(zhuǎn)換器有超快速瞬態(tài)響應(yīng)、響應(yīng)噪聲低、過電流保護(hù)、溫度保護(hù)等特點(diǎn)。由于該控制器所應(yīng)用的環(huán)境復(fù)雜多變,為了得到穩(wěn)定的電壓,需要采取保護(hù)措施。
圖4 電壓轉(zhuǎn)換模塊
電壓檢測(cè)電路如圖5所示。為減少檢測(cè)電路給原電路帶來的影響,選擇了LM224運(yùn)放芯片組成電壓跟隨器進(jìn)行隔離。對(duì)于各傳感器傳回的信息,可以直接由單片機(jī)AD通道讀取,而其他電路節(jié)點(diǎn)的輸入則需要使用不同程度的電阻分壓,以匹配AD輸入的電壓值,并使用RC電路進(jìn)行濾波,可以限制高頻干擾信號(hào)。在AD輸入端使用穩(wěn)壓管,以防止電壓過大而燒壞單片機(jī)。
圖5 電壓檢測(cè)電路原理圖
Keil集成開發(fā)環(huán)境是AMR公司推出的微控制器集成開發(fā)軟件,其英文全稱為“Keil AMR Microcontroller Kit Tools”,即Keil AMR微控制器開發(fā)套件,其核心功能可以為AMR和基于Cortex-M處理器的器件(STM32)創(chuàng)建和編寫,編譯C和C++代碼,并且支持在線調(diào)試、仿真等功能。
由于實(shí)際情況的限定,在改造、實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)不可能去制造原子放射沾染區(qū)和沾染區(qū),所以需要先進(jìn)行如下操作:用手動(dòng)開關(guān)信號(hào)代替原子信號(hào)和含磷毒劑信號(hào)作為輸入,用二極管紅、黃、綠小燈代替三防系統(tǒng)中的執(zhí)行機(jī)構(gòu)作為輸出。
各管腳定義如表1所示,由于實(shí)際三防系統(tǒng)中原子報(bào)警燈為黃色,而毒劑報(bào)警燈為紅色,因此該設(shè)計(jì)也用黃燈信號(hào)和紅燈信號(hào)代替,而其他操作機(jī)構(gòu)用綠燈信號(hào)加以區(qū)別。依照控制盒的防原子作業(yè)流程和防含磷毒劑作業(yè)流程,接收到報(bào)警信號(hào)后使其啟動(dòng)集體防護(hù),到脫離危險(xiǎn)區(qū)域后使其解除防護(hù)狀態(tài)的邏輯流程圖如圖6所示。
圖6 邏輯流程圖
表1 管腳定義
現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)的多樣性,對(duì)裝甲車輛防護(hù)體系的升級(jí)提出了很高的要求。本文首先分析了某型裝甲車輛三防控制盒的基本原理,接著對(duì)比了繼電器控制方式和單片機(jī)控制方式的特點(diǎn),結(jié)果選擇使用單片機(jī)控制的方式對(duì)原三防控制盒的繼電器控制進(jìn)行了改造,為以后增加其他功能模塊提供了保障,從理論分析上提高了靈活性和可擴(kuò)展性,繼而為下一步裝甲車輛三防系統(tǒng)故障診斷研究打下硬件基礎(chǔ)。改造后經(jīng)過模擬信號(hào)的實(shí)驗(yàn),結(jié)果達(dá)到預(yù)期設(shè)想,完全可以實(shí)現(xiàn)其基本功能。
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