基于MSP430單片機的固體助推器使用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

展 亮，呂 紅，李瑞亮

（1.海軍航空工程學院 a.研究生管理大隊；b.基礎實驗部，山東 煙臺 264001；2.92840 部隊，山東 青島 266405）

0 引言

環(huán)境對于武器裝備效能的發(fā)揮有著極其重要的影響，由于武器裝備不適應預定環(huán)境而造成的經(jīng)濟損失、試驗中止或是軍事失利的事例比比皆是，所造成的危害和教訓也是十分深刻的。隨著現(xiàn)代化戰(zhàn)爭向全天候、全方位、立體打擊的演變，現(xiàn)代化武器裝備勢必要經(jīng)受住比以往更復雜、多變的環(huán)境[1]。

隨著艦艇編隊在海上遂行任務的時間大大增加，與現(xiàn)行反艦導彈長期貯存于彈庫、短期艦載出海遂行任務不同，導彈將長期貯存在艦艇的貯運發(fā)射箱內隨艦出海。因此，艦載反艦導彈固體助推器將長期遭受海洋溫度、濕度以及振動和沖擊等各種惡劣環(huán)境的影響[2]。開展海洋環(huán)境條件下艦載固體助推器使用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究，對于長期艦載條件下的維護與維修方案的研究、勤務維護信息化水平的提高、作戰(zhàn)保障能力的提升以及維護與維修費用的節(jié)省，都有著十分重要的意義。

國內外對導彈使用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)進行了大量研究[3-6]，將使用環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)和狀態(tài)評估技術相結合，發(fā)展了導彈遠距離數(shù)據(jù)收集和診斷系統(tǒng)。本文將單片機與微型傳感器結合，針對某型反艦導彈的固體助推器設計了一套低功耗、小體積的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)需求分析

1.1 環(huán)境監(jiān)測參數(shù)的選擇及其范圍

海洋環(huán)境中，高低溫會引起固體助推器零部件的老化和物理膨脹；高濕度則會引起裝藥的水解和脫粘；沖擊和振動會引起裝藥出現(xiàn)裂紋以及零部件機械應力疲勞等等。針對影響艦載反艦導彈固體助推器性能和壽命的諸多海洋環(huán)境因素，選擇了對其性能影響較大的溫度、濕度和振動3個參數(shù)作為監(jiān)測對象。參考某反艦導彈使用環(huán)境和國外軍艦使用環(huán)境參數(shù)[7]，確定監(jiān)測參數(shù)范圍如下：溫度：?30～+60℃；濕度：0～100%RH；振動：0～±5 g。由于海浪對艦船的作用一般集中在0～5Hz的低頻范圍內，根據(jù)采樣定律，監(jiān)測系統(tǒng)振動采樣頻率應不低于15 Hz。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)安裝限制和功能要求

該型反艦導彈貯運發(fā)射箱內部布局比較緊湊，考慮到監(jiān)測系統(tǒng)安裝后應與導彈的正常發(fā)射互不影響，可供監(jiān)測系統(tǒng)安裝固定的空間有限，確定監(jiān)測系統(tǒng)的外部尺寸不超過200 mm×100 mm× 50 mm。

為滿足長期監(jiān)測的要求，設計出的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的功耗要低，體積要小，其自給電源供應能力須在半年以上，并能有效地監(jiān)測、存儲和讀取監(jiān)測數(shù)據(jù)，具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。

2 監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

2.1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

使用環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案如圖1所示，采用溫、濕度傳感器和三軸加速度傳感器作為數(shù)據(jù)采集的前端，單片機提供指令控制與數(shù)據(jù)處理功能，大容量Flash 存儲器為數(shù)據(jù)的本地存儲提供充足的空間，USB 接口用于與上位機進行通信導出監(jiān)測數(shù)據(jù)。整個監(jiān)測系統(tǒng)由高容量鋰電池提供電能，自持力在半年以上。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)總體方案圖

2.2 硬件選擇

通過對監(jiān)測參數(shù)和系統(tǒng)功能要求的分析，選擇以下單元作為監(jiān)測系統(tǒng)的硬件組成：

單片機選用TI 公司生產(chǎn)的MSP430F149 超低功耗單片機作為該監(jiān)測系統(tǒng)的MCU。該單片機最主要的特點就是功耗低，活動模式下（1 MHz、2.2 V）耗電280 μA，待機模式下耗電僅為1.6 μA，相比其他類型單片機在功耗上具有較大優(yōu)勢。同時，它還具有8路快速12 位的A/D轉換器，6個8 位并行端口（其中P1、P2 具有中斷功能），滿足數(shù)據(jù)采集過程中的通道數(shù)量需求，其電源電壓采用1.8～3.6 V低電壓，工作環(huán)境溫度?40～+85℃。此外，該單片機屬于Flash型單片機，并具有JTAG 調試接口和豐富的軟件，便于開發(fā)[8]。

溫濕度傳感器選用瑞士Sensirion 公司生產(chǎn)的SHT75型傳感器，該型傳感器的特點是集成度高、體積小、精度高，提供全量程標定的數(shù)字輸出，無需標定就可互換使用，兩線制的數(shù)字接口設計使連接變得極為簡便，供電電壓為2.4～5.5 V，濕度量程0～100%RH，溫度量程?40～+123.8℃，滿足溫濕度測量要求。

加速度傳感器選用飛思卡爾半導體公司生產(chǎn)的MMA7261QT型傳感器，該傳感器最大量程為±10 g，使用軟件控制能夠實現(xiàn)±2.5 g/±3.3 g/±6.7 g/±10 g量程，滿足不同量程和精度的需求。其工作電壓2.2～3.6 V，工作環(huán)境溫度?40～+105℃，外形尺寸僅為6 mm×6 mm×1.45 mm。

大容量 Flash 存儲器選用三星公司生產(chǎn)的NAND 非易失性Flash 芯片K9WAG08U1A 作為本地數(shù)據(jù)存儲器，其具有在突然斷電時確保數(shù)據(jù)不丟失的能力，容量大小為2 GB，工作電壓2.7～3.6 V，讀寫操作耗電15 mA，待機耗電20 μA。

USB 接口芯片選用 Philips 公司生產(chǎn)的PDIUSBD12 芯片，它符合USB1.1 版規(guī)范，具備雙電源操作功能，電壓范圍3.0～5.5V，使用環(huán)境溫度?40～+85℃。

電池選用1節(jié)良能LR226770型軍品級鋰離子充電電池作為監(jiān)測系統(tǒng)的電源，該電池電壓3.7 V，容量8 Ah，外形尺寸22.5 mm×67 mm×70 mm。

2.3 硬件連接電路

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)總體方案和功能需求，設計了系統(tǒng)硬件連接電路，這里僅給出MSP430F149單片機與溫濕度傳感器和加速度傳感器的連接方式。溫濕度傳感器SHT75 與單片機的連接方式如圖2，其中SHT75的SCLK 和DATA 引腳分別與單片機的P3.3和P3.2 引腳連接，SCLK 引腳用于程序的時序控制，DATA 引腳則是用于與單片機的串行數(shù)據(jù)通信。

三軸加速度傳感器MMA7261QT的g-S1 和g-S2作為加速度量程的選擇通道，Xout、Yout 和Zout分別為三個軸向加速度的輸出引腳，這些引腳與單片機的連接方式見圖3。根據(jù)硬件連接電路，設計制作了監(jiān)測系統(tǒng)PCB 板，其尺寸為90mm×90mm。PCB板上保留JTAG 調試接口，用于程序的寫入。

圖2 SHT75 與MSP430F149 連接電路圖

圖3 MMA7261QT 與MSP430F149 連接電路圖

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)上電后，各模塊完成初始化。由于貯運發(fā)射箱內的溫度和濕度變化相對不是很快，利用溫濕度傳感器對溫度和濕度每分鐘進行一次采樣，其余時間處于休眠狀態(tài)。三軸加速度傳感器則以不低于15Hz的頻率進行三個方向的加速度測量，所測數(shù)據(jù)暫存于單片機自身內存中，等到數(shù)據(jù)存儲到一定數(shù)量時由單片機批量寫入三星Flash 存儲器中。同時，單片機偵測有無來自USB 接口芯片的中斷信號，當有中斷信號時，系統(tǒng)中斷各項參數(shù)的測量，并將三星Flash 存儲器中存儲的數(shù)據(jù)通過USB 接口發(fā)送至上位機。

監(jiān)測系統(tǒng)軟件利用IAR Embedded Workbench軟件進行開發(fā)，它同時支持匯編語言和C 語言。本系統(tǒng)采用C 語言開發(fā)，利用JTAG 接口和LSDFET430UIF仿真器對監(jiān)測系統(tǒng)進行程序調試和代碼下載。為了節(jié)省內存空間，便于編寫、閱讀和修改程序，測控程序采用模塊化設計，其主要流程如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件主流程圖

4 實測數(shù)據(jù)分析

基于上述硬件和軟件設計，制作了監(jiān)測系統(tǒng)樣機并進行了溫度、相對濕度和振動測試。溫度和相對濕度測試環(huán)境選取在受溫度影響較大的簡易密閉箱內，采樣頻率為每分鐘一次，圖5給出了24 h（9∶30am 至次日9∶30am）箱內溫度和相對濕度變化曲線。從該圖可以看出，在密閉的環(huán)境下，空氣中的水分是一定的，隨著空氣溫度的升高后，其含水汽能力也會隨之升高，因此空氣中的相對濕度就會降低，相反則會相應地升高。

圖5 24 h 內溫度和相對濕度變化曲線

振動測試選在比大型艦船振動更為苛刻的小型快艇上進行，X、Y、Z 三個方向的加速度采樣頻率設定25 Hz，快艇從低速到高速再到低速階段的160 s 內三個方向及合成加速度變化情況見圖6。從該圖可以看出，X、Y、Z 三個方向的加速度數(shù)值均未超過±5 g，且合成加速度的最大值在也只在3.7 g 左右，因此推測實際艦載貯運發(fā)射箱內的加速度值也不會超過這個數(shù)值。

圖6 160 s 內各方向及合成加速度隨時間變化圖

5 結論

通過試驗測試，可得到結論：密閉箱體內，溫度升高，相對濕度降低，反之則會升高；實際艦載反艦導彈貯運發(fā)射箱各個方向的加速度數(shù)值均不會超過±5 g；本文設計的監(jiān)測系統(tǒng)可用于艦載導彈固體助推器的使用環(huán)境監(jiān)測。

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