兩棲裝甲突擊車炮控系統(tǒng)穩(wěn)定精度檢測系統(tǒng)研究

羅 云，陳維義，李 路

(海軍工程大學(xué) 兵器工程系, 湖北 武漢 430033)

穩(wěn)定精度[1]是兩棲裝甲突擊車炮控系統(tǒng)非常重要的一項技術(shù)指標。測量穩(wěn)定精度的目的是考查火炮對靜止目標保持瞄準的能力，以及車體振動的外界干擾對穩(wěn)定性能的影響[2-3]。穩(wěn)定精度越高，武器系統(tǒng)對目標的精確打擊能力越強。傳統(tǒng)的穩(wěn)定精度檢測操作繁瑣，人為因素影響大，數(shù)據(jù)處理復(fù)雜[1]。文獻[2]和文獻[4]介紹了一種基于CCD攝像機和圖像處理的方法，主要從數(shù)據(jù)處理角度加以改善。本文給出一種基于動力調(diào)諧陀螺儀的檢測系統(tǒng)，具有自動化程度高、實時性好的優(yōu)點，能對穩(wěn)定精度進行高精度的快速檢測。

1 穩(wěn)定精度檢測原理

穩(wěn)定精度指兩棲裝甲突擊車以中等速度(20～25 km/h)行駛在某標準中等起伏路面上時，火炮擺動幅值的算術(shù)平均值[5]。

Δβ={Δβ1,Δβ2,Δβ3,…,Δβn}

Δε={Δε1,Δε2,Δε3,…,Δεn}

通過最小二乘法[4]進行曲線擬合求出漂移曲線。偏差曲線和漂移曲線如圖1所示。

在偏差曲線上某一個時刻量取偏差值Δβi(Δεi)減去該時刻漂移曲線的漂移值Δβp(Δεp)，即為該時刻的穩(wěn)定精度βi(εi)。在偏差曲線上每隔一個相等的時間間隔(一般取0.1 s)量取穩(wěn)定偏差值并按下式計算穩(wěn)定精度:

(1)

(2)

式中:βj為每次試驗的方位穩(wěn)定精度;εj為每次試驗的高低穩(wěn)定精度;βi=|Δβi-Δβp|為方位瞬時偏差值;εi=|Δεi-Δεp|高低瞬時偏差值;n為測得瞬時穩(wěn)定精度的次數(shù)。

對兩棲裝甲突擊車在同一速度下的m次試驗結(jié)果所得到的βj與εj求算術(shù)平均值，即為火炮的最終方位穩(wěn)定精度βp與最終高低穩(wěn)定精度εp:

(3)

(4)

依據(jù)該原理，設(shè)計了一個檢測系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的獲取、處理以及分析完全自動完成，減少了人為因素，提高了檢測精度和速度。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)的原理框圖如圖2所示，分為下位機數(shù)據(jù)采集濾波發(fā)送模塊和上位機數(shù)據(jù)接收處理模塊。下位機以ADI公司的ADSP-BF532[6]為核心構(gòu)建的嵌入式最小系統(tǒng)，外圍配置信號調(diào)理電路和A/D采集電路，對與炮同軸陀螺儀的角速度信號進行調(diào)理、采集、濾波、信號處理與發(fā)送；上位機采用可靠性高的軍用筆記本，主要完成數(shù)據(jù)的接收、穩(wěn)定精度的計算、曲線顯示、數(shù)據(jù)保存和離線數(shù)據(jù)分析等功能。

3 硬件設(shè)計

硬件設(shè)計包括3個方面：以ADSP-BF532為核心的最小系統(tǒng)；信號調(diào)理電路；信號采集電路。

最小系統(tǒng)[7]由保證處理器可靠工作所必須的基本電路組成, 主要包括電源電路、時鐘電路、復(fù)位電路、FLASH 存儲器、串口電路和JTAG接口。

由于后續(xù)的信號采集電路要求差分輸入，而且差分端的電壓范圍都為0～3 V，因此需要一個由單端輸入變?yōu)椴罘州敵龅碾娐罚潆娐穲D如圖4所示。其中U1out為單端輸入，U2out+、U2out-為差分輸出的正負端。由圖4可知:

(5)

顯然，當(dāng)U1out在0～3 V范圍內(nèi)，其U2out+、U2out-也在該范圍內(nèi)，且滿足差分關(guān)系。

信號采集電路首先要對系統(tǒng)的精度指標分析，選擇合適的ADC。根據(jù)系統(tǒng)所要求的指標，選擇ADI公司的16位ADC AD7677[9]。因系統(tǒng)有兩路模擬信號，則需要兩片AD7677，每片AD7677單獨采集一路陀螺信號。AD7677以并行總線方式與BF532的數(shù)據(jù)總線連接在一起，通過74HC138譯碼器來對每片AD7677進行片選。圖5為其中一片AD7677的電路圖。ADC_CS1#為片選信號，當(dāng)ADSP-BF532對該片ADC進行讀時，ADC_CS1#為低電平，否則為高電平。ADC_CNV為控制AD7677開始采集的時鐘信號，由ADSP-BF532的TIMER0產(chǎn)生并控制。U2out+和U2out-為信號的差分輸入，分別與AD7677的IN+與IN-相連。VRef3V是高精度的基準源，其電壓為3.0 V，由AD780產(chǎn)生。+5 V為模擬電源，DVDD1為數(shù)字5 V，它們之間通過100 Ω電阻隔離。DA0～DA15是數(shù)據(jù)總線，與ADSP-BF532的數(shù)據(jù)總線相連。

4 軟件設(shè)計

4.1 DSP程序設(shè)計

DSP程序用C語言編寫，主要實現(xiàn)以下的功能：實時監(jiān)視上位機的命令，對下位機的采集進行控制；采集兩個通道的陀螺儀角速度信號，并進行濾波及其相關(guān)算法處理；實時將采集的角速度信號發(fā)送給上位機。對陀螺儀的角速度數(shù)據(jù)采集是定時采樣，為上位機進行角速度的數(shù)值積分提供積分時間參數(shù)。

4.2 上位機軟件設(shè)計

上位機軟件采用Visual C++6.0[10]和NI公司的Measurement Studio控件[11-13]進行編程，充分利用兩者的優(yōu)勢，簡化數(shù)據(jù)采集和分析顯示方面的開發(fā)。主要完成數(shù)據(jù)的接收與處理、實時顯示、穩(wěn)定精度的在線和離線檢測、數(shù)據(jù)的保存和回放功能等功能。圖6分別為兩路相對角度的顯示頁面，以文本框形式實時顯示當(dāng)前時刻的值，同時以曲線形式實時顯示其信號的變化趨勢。

數(shù)據(jù)的接收采用單獨的線程(輔助線程)來監(jiān)聽串口，并在串口類CSerialPort[14-15]基礎(chǔ)上進行改進。串口類把有關(guān)串口的API讀寫函數(shù)通過類的方式封裝起來，采用異步文件讀寫和多線程技術(shù)，提高了實時性。串口類的使用流程如下：首先設(shè)置好串口參數(shù)，然后開啟串口監(jiān)視工作線程。串口監(jiān)測工作線程監(jiān)測到串口接收到的數(shù)據(jù)后，則以消息方式通知主程序，激發(fā)消息處理函數(shù)來進行數(shù)據(jù)處理。消息處理函數(shù)主要完成數(shù)據(jù)包的解析，實時得到兩路陀螺的角速度值，通過對角速度進行梯形數(shù)值積分可得相對角度值。

一次試驗的穩(wěn)定精度計算的程序流程圖如圖7所示。一般地，對于同一速度下至少要檢測3次，通過算術(shù)平均值則可得到最終的穩(wěn)定精度。為了便于檢測后對結(jié)果進行分析，設(shè)計了數(shù)據(jù)的保存和回放功能。數(shù)據(jù)文件主要記錄了兩路陀螺的角度偏差值信息，同時還記錄數(shù)據(jù)個數(shù)、數(shù)據(jù)的平均速率和理論速率等參數(shù)。當(dāng)需要對檢測結(jié)果進行分析時，則打開所保存的數(shù)據(jù)文件，此時在相對角度顯示頁面中顯示角度曲線，在穩(wěn)定精度參數(shù)檢測頁面中對穩(wěn)定精度進行離線檢測。

5 結(jié) 論

應(yīng)用該檢測系統(tǒng)測試某坦克的穩(wěn)定精度，測試結(jié)果小于兩棲裝甲突擊車炮控系統(tǒng)的穩(wěn)定精度指標，故完全滿足系統(tǒng)要求。

以動力調(diào)諧陀螺儀為傳感器，采用DSP為核心的數(shù)據(jù)采集與處理、界面友好的數(shù)據(jù)顯示與分析等技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)，具有自動化程度高、易于戰(zhàn)士操作和通用性好等優(yōu)點，能快速準確地對穩(wěn)定精度進行檢測。

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