火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡朝根，張曉龍，王 強(qiáng)，劉 闖，蔡燦偉

(1.陸軍軍官學(xué)院 兵器工程教研室，安徽 合肥 230031；2.陸軍軍官學(xué)院 高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

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火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡朝根1,2，張曉龍1，王 強(qiáng)1，劉 闖1，蔡燦偉1

(1.陸軍軍官學(xué)院 兵器工程教研室，安徽 合肥 230031；2.陸軍軍官學(xué)院 高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031)

復(fù)進(jìn)機(jī)作為火炮反后坐裝置的重要組成部分，其性能好壞直接影響到火炮戰(zhàn)斗力。針對(duì)火炮反后坐裝置工作可靠性與復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力密切相關(guān)這一工程實(shí)際問題，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)時(shí)反映火炮復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力變化規(guī)律的壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了現(xiàn)代傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)以及單片機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了建制規(guī)?；鹋趶?fù)進(jìn)機(jī)壓力數(shù)字化檢測(cè)與管理，為火炮反后坐裝置常態(tài)化檢測(cè)、維護(hù)和保養(yǎng)提供了便捷的信息化管理平臺(tái)。試驗(yàn)結(jié)果表明：該設(shè)計(jì)可靠實(shí)用，符合火炮射擊過程，為反后坐裝置后續(xù)故障診斷奠定了基礎(chǔ)。

自動(dòng)控制技術(shù)；監(jiān)測(cè)；火炮復(fù)進(jìn)機(jī)；建制規(guī)模；壓力

復(fù)進(jìn)機(jī)作為火炮反后坐裝置的重要組成部分，其內(nèi)部壓力對(duì)火炮反后坐裝置工作可靠性起著決定性作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，反后坐裝置故障率較高，其中80%以上與復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力異常有關(guān)，嚴(yán)重影響火炮使用的安全性和可靠性。可見，在火炮射擊前期、過程中以及結(jié)束后都要對(duì)復(fù)進(jìn)機(jī)壓力進(jìn)行檢測(cè)，如何快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)復(fù)進(jìn)機(jī)壓力變化，成為火炮使用與保障亟待解決的工程實(shí)際問題[1-2]。

筆者利用現(xiàn)代傳感技術(shù)、無線傳輸技術(shù)和單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，不僅可以對(duì)單門火炮復(fù)進(jìn)機(jī)初壓、末壓以及火炮發(fā)射過程中的壓力變化規(guī)律進(jìn)行檢測(cè)，還能對(duì)建制規(guī)?；鹋谌后w的復(fù)進(jìn)機(jī)壓力同時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理，節(jié)省了大量的人力和物力。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由多個(gè)壓力檢測(cè)儀、信號(hào)收集手持終端和PC機(jī)(上位機(jī))組成，如圖1所示。壓力檢測(cè)儀由壓力傳感器分系統(tǒng)和壓力采集與發(fā)射分系統(tǒng)組成，主要完成每門火炮復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力的檢測(cè)，并將測(cè)得的壓力信號(hào)傳輸給信號(hào)收集手持終端。信號(hào)收集手持終端由一些功能模塊組成，主要完成壓力信號(hào)的收集、處理、存儲(chǔ)和顯示，并將所有監(jiān)測(cè)到的壓力信息傳輸給PC機(jī)。PC機(jī)主要完成數(shù)據(jù)后期的分析和管理[3]。

火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具體的工作過程如下：在建制規(guī)模的每門火炮復(fù)進(jìn)機(jī)上安裝一個(gè)壓力檢測(cè)儀；測(cè)量時(shí)，利用壓力傳感器分系統(tǒng)測(cè)量復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力，并將獲得的壓力傳遞給壓力采集與發(fā)射分系統(tǒng)；進(jìn)而采集與發(fā)射分系統(tǒng)的內(nèi)置射頻傳輸模塊以特定的頻率向信號(hào)采集手持終端不斷發(fā)射已獲得的壓力信號(hào)；最后手持信號(hào)采集終端將各個(gè)壓力檢測(cè)儀發(fā)射的信號(hào)頻率進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的壓力值，并以數(shù)值和變化曲線的方式顯示在其界面上，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)信號(hào)采集手持設(shè)備同時(shí)對(duì)多門火炮復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力的檢測(cè)和管理。

此外，由于壓力檢測(cè)儀具有無線傳輸功能，因此信號(hào)收集手持終端加裝無線收發(fā)模塊以及RS232接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，以實(shí)現(xiàn)壓力檢測(cè)儀、手持終端和PC機(jī)之間的多模式數(shù)據(jù)收發(fā)，方便后續(xù)壓力值的綜合分析，數(shù)據(jù)傳輸模式如圖2所示。

由于壓力檢測(cè)儀可以顯示復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力初始值和末值的異常值，炮手可以直觀判斷出火炮反后坐裝置性能好壞，維護(hù)人員可以利用手持終端在火炮附近查看復(fù)進(jìn)機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)，為排除火炮反后坐裝置故障提供數(shù)據(jù)支撐。此外，指揮人員可以將每門火炮壓力數(shù)據(jù)采集到PC機(jī)上，通過分析每門火炮的壓力變化規(guī)律及時(shí)調(diào)整火炮戰(zhàn)術(shù)布局。

2 壓力檢測(cè)儀與手持終端分系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

壓力檢測(cè)儀分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。它以壓電式壓力傳感器為測(cè)量元件，通過微處理器對(duì)采集的壓力信號(hào)進(jìn)行處理，再用射頻方式發(fā)送出去，同時(shí)將信號(hào)顯示在檢測(cè)儀的顯示屏上。檢測(cè)儀以全自動(dòng)無線監(jiān)測(cè)為主要方式，同時(shí)輔助人工手動(dòng)操作，硬件平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)以提高整體可靠性，將系統(tǒng)劃分為壓力信號(hào)采集模塊、信息顯示模塊、射頻(發(fā)送)傳輸模塊、中央處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊以及電源管理模塊。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，可在野戰(zhàn)環(huán)境下使用[3]。

壓力信號(hào)采集模塊使用高精度的壓力傳感器采集壓力值，其綜合精度可達(dá)0.1 % F·S，工作頻率固定，能夠保證壓力采集實(shí)時(shí)性要求。檢測(cè)儀壓力信息顯示模塊采用數(shù)碼管顯示方式，并設(shè)有開關(guān)電路，可人為地開啟和關(guān)閉檢測(cè)儀以減小功耗。射頻(發(fā)送)傳輸模塊采用TI公司的CC1120主芯片來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)距離收發(fā)，支持2-FSK，2-GFSK，4-FSK，4-GFSK，MSK，00K/ASK調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式，在空曠區(qū)域傳輸距離能夠達(dá)到1 000 m左右。中央處理模塊作為數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)控制的核心模塊，以飛笛卡爾的MC9S12XS128MAA作為中央處理芯片，主要將A/D轉(zhuǎn)換后采集的壓力值分析整理：一方面通過驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管顯示壓力值;另一方面將壓力值發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，當(dāng)手持終端收集信息時(shí)再?gòu)臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊上讀出，通過無線傳輸至手持終端。

由于壓力檢測(cè)系統(tǒng)采用鋰電池供電，考慮到功耗問題，電源管理尤為重要，設(shè)計(jì)時(shí)注重了電池的充電控制以防止過沖和電池的欠壓保護(hù)，從而延長(zhǎng)電池使用壽命。

信號(hào)收集手持終端分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，其結(jié)構(gòu)與壓力檢測(cè)儀設(shè)計(jì)基本相同，主要區(qū)別在于手持終端采用液晶顯示屏作為信息顯示模塊，主要是考慮到手持終端除需要顯示收集各門火炮上壓力檢測(cè)儀的壓力值外，還需顯示火炮復(fù)進(jìn)機(jī)的壓力變化曲線。另外，為了能夠與PC機(jī)多模式數(shù)據(jù)收發(fā)，增加了RS232接口，這樣PC機(jī)即使不加裝無線傳輸模塊，也可通過RS232接口實(shí)現(xiàn)手持終端與PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，方便數(shù)據(jù)的后續(xù)分析。

3 火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)壓力檢測(cè)儀與手持終端軟件設(shè)計(jì)的主程序流程如圖5所示。

軟件設(shè)計(jì)是基于多任務(wù)調(diào)度來實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的功能，以分配時(shí)間片的形式分時(shí)執(zhí)行程序，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能要求[4]。具體流程如下：

1)系統(tǒng)上電后，任務(wù)調(diào)度模塊開始運(yùn)行，以延時(shí)中斷的形式調(diào)用各個(gè)功能模塊。

2)優(yōu)先調(diào)用自檢模塊、電源管理模塊、信號(hào)采集模塊，檢查壓力采集電路與接口系統(tǒng)是否正常，其他模塊運(yùn)行處于休眠狀態(tài)。

3)當(dāng)系統(tǒng)自檢通過后，自檢模塊轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，其他功能模塊處于運(yùn)行狀態(tài)，系統(tǒng)開始正常運(yùn)行；當(dāng)系統(tǒng)自檢無法通過時(shí)，系統(tǒng)提示錯(cuò)誤信息，此時(shí)電氣控制系統(tǒng)無法正常運(yùn)行，需要人為排除故障，讓系統(tǒng)自檢通過。

4)完成硬件系統(tǒng)初始化，如微處理器的寄存器、I/O口、射頻芯片接口、顯示屏等。

5)以1 ms計(jì)時(shí)采樣點(diǎn)將采集的數(shù)據(jù)分析處理后，存入到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊，將需要顯示的數(shù)據(jù)送到信息顯示模塊中。

6)監(jiān)聽手持終端是否發(fā)來數(shù)據(jù)，等待接收手持終端的無線喚醒。

7)完成火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力的監(jiān)測(cè)。

手持終端在上電后完成上述1)～4)過程，然后發(fā)送無線喚醒指令，激活檢測(cè)儀射頻模塊發(fā)送數(shù)據(jù)。在手持終端射頻模塊截獲到數(shù)據(jù)頻段后開始采集射頻信號(hào)，并解析計(jì)算壓力值。對(duì)于初始?jí)毫Γ驗(yàn)槭且粋€(gè)靜態(tài)值，所以只需直接讀取火炮未發(fā)射時(shí)采集的壓力即可；而末態(tài)壓力是指火炮發(fā)射過程中，復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)氣體壓縮到最小而壓力最大時(shí)的壓力值，是一個(gè)瞬態(tài)量，所以要用軟件判斷的方法得出瞬時(shí)最大壓力。發(fā)射過程中壓力是不斷變化的，因而需要解算出在某一微小時(shí)間段內(nèi)壓力的變化量，從而得出壓力與時(shí)間的變化曲線。具體可以采用時(shí)間段求平均的方法采集壓力，然后與前一次的平均值進(jìn)行比較，如果壓力發(fā)生變化說明火炮已經(jīng)點(diǎn)火，此時(shí)開始計(jì)時(shí)，依此持續(xù)不斷地采集壓力數(shù)據(jù)，直到后一次采集的壓力平均值比前一次小，即說明此時(shí)的壓力已達(dá)到最大值，并停止計(jì)時(shí)，這樣就得到整個(gè)發(fā)射過程中壓力隨時(shí)間變化的曲線。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能是否達(dá)到要求，在某一工況條件下，對(duì)某炮兵營(yíng)建制的18門某型火炮，任意抽取其中4門火炮作為試驗(yàn)對(duì)象，在距炮陣地50 m遠(yuǎn)的野外條件下，通過手持終端收集到這4門火炮上的壓力監(jiān)測(cè)儀數(shù)據(jù)，并記錄下復(fù)進(jìn)機(jī)的初壓、末壓及發(fā)射過程中壓力變化曲線，如圖6所示。

從曲線中可以看出：4門火炮復(fù)進(jìn)機(jī)初壓基本在6.0～6.5 MPa之間，末壓保持在19～20 MPa之間，均在正常壓力范圍之內(nèi)[5-6]。從各門火炮復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力變化規(guī)律曲線上看，火炮發(fā)射過程中，復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力先因后坐運(yùn)動(dòng)致使氣體壓縮而不斷增大，約在0.5 s時(shí)上升至最大值，隨后因氣壓釋放產(chǎn)生復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)而開始不斷下降至初壓狀態(tài)。

總體來說，系統(tǒng)所得到的壓力曲線能夠直觀真實(shí)地反映出火炮復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部氣體壓力的變化規(guī)律，也從一定程度表明所測(cè)4門火炮日常保養(yǎng)良好。

5 結(jié)束語

試驗(yàn)驗(yàn)證表明:筆者設(shè)計(jì)的火炮復(fù)進(jìn)機(jī)壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，壓力曲線能夠真實(shí)反映出復(fù)進(jìn)機(jī)內(nèi)部壓力變化規(guī)律，能夠?qū)ㄖ埔?guī)?；鹋趶?fù)進(jìn)機(jī)壓力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和管理。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、精度高、結(jié)果直觀可靠，可適用于野戰(zhàn)條件下絕大多數(shù)現(xiàn)役火炮，是一個(gè)高集成的數(shù)字化火炮保障維修應(yīng)用平臺(tái)，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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Design of Gun Counter-recoil Mechanism Pressure Monitoring System

HU Chaogen1,2, ZHANG Xiaolong1, WANG Qiang1, LIU Chuang1, CAI Canwei1

(1.Weapon Engineering Teaching and Research Section, Army Officer Academy, Hefei 230031, Anhui, China;2.The High Overload Ammunition Guidance and Information Awareness Lab,Army Officer Academy,Hefei 230031,Anhui,China)

The artillery counter-recoil mechanism is the key component of the gun anti-recoil mechanism, and its property is important to gun battle force. According to the practical engineering problem of the close relationship between work reliability of gun anti-recoil mechanism and the pressure in the gun counter-recoil mechanism, a pressure monitoring system is designed so that the artillery counter-recoil pressure value and variation curve can be displayed in real time. The pressure system is designed by using modern sensor technology and wireless transmission technology and SCM technology with the digital and informational monitoring and management of artillery counter-recoil mechanism pressure achieved based on this system and a convenient and digital management platform provided for the normality checkout and maintenance and repairing of the gun anti-recoil mechanism. The experimental results show that the design is reliable and practical and agrees with actual firing condition, laying a solid foundation for the artillery anti-recoil mechanism fault diagnosis.

automatic control technology; monitoring; gun counter-recoil mechanism; formed scale; pressure

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.03.017

2015-11-06

胡朝根(1960—)，男，副教授，主要從事兵器測(cè)試和信息化彈藥技術(shù)研究。E-mail：caicanwei1@126.com

TJ303+.4

A

1673-6524(2016)03-0080-04