唐莞洋

（中北大學(xué) 光電儀器廠，山西太原030051）

經(jīng)典的自行高炮射擊理論，很難精確預(yù)測(cè)其發(fā)射時(shí)的運(yùn)動(dòng)和受力變化規(guī)律，根本原因在于該理論是建立在剛性、平面、靜止平衡等基本假設(shè)條件基礎(chǔ)上的[1]。相當(dāng)于認(rèn)為高炮所有零部件和土壤都是剛性體，發(fā)射過(guò)程中高炮所有的運(yùn)動(dòng)和受力，均位于一個(gè)對(duì)稱平面內(nèi)，既沒(méi)有平面方向的平動(dòng)，也沒(méi)有空間方向的跳動(dòng)，剩下的只是炮的身管后坐部分相對(duì)于搖架沿炮膛軸線方向，作往復(fù)直線的后坐和復(fù)進(jìn)運(yùn)動(dòng)。根據(jù)以上假設(shè)所建立起的發(fā)射時(shí)的動(dòng)力有效模型，并用于求解高炮的運(yùn)動(dòng)位移，試驗(yàn)結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果差距較大[2~3]。由于高炮各零件本身、零部件的彈性變形和地面的彈塑性，在主動(dòng)力炮膛合力、彈丸回轉(zhuǎn)力矩和全炮重力的共同作用下，車載自行高炮會(huì)沿三個(gè)坐標(biāo)軸方向直線位移。

在炮射試驗(yàn)中，我國(guó)研制的自行高炮的首發(fā)命中率是非常高的，要想根據(jù)首發(fā)炮彈的彈著點(diǎn)，修正自行高炮方向，從而提高次發(fā)命中率，也需要研究其首發(fā)后的位移方向，以尋找合適的時(shí)機(jī)發(fā)射次發(fā)炮彈，提高次發(fā)命中率[4]。因此，獲得自行高炮主要零部件的位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律，為炮的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)提供有力的理論事實(shí)依據(jù)，意義非常重大。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

鑒于自行高炮位移變化的復(fù)雜性，設(shè)計(jì)方案采用三分向的測(cè)試方法。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。位移傳感器信號(hào)輸入記錄設(shè)備內(nèi)部，通過(guò)內(nèi)部信號(hào)調(diào)理電路、C8051F自帶A/D轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)硬件FIFO緩沖后，進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和存儲(chǔ)記錄[5]；上電后，記錄設(shè)備首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作，初始化完成后，判斷內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是否有數(shù)據(jù)。有數(shù)據(jù)，則進(jìn)入讀數(shù)和設(shè)置狀態(tài)；無(wú)數(shù)據(jù)，則立即進(jìn)入數(shù)據(jù)采集記錄狀態(tài)，記錄時(shí)間可以自行控制；重新上電后，進(jìn)入讀數(shù)和設(shè)置狀態(tài)，對(duì)記錄儀內(nèi)部存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路，主要包括位移傳感器，供電電路，信號(hào)調(diào)理電路，采集電路和記錄體組成。位移傳感器將被測(cè)物體位移變化，轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷鳂?biāo)準(zhǔn)信號(hào)，供電電路為整個(gè)系統(tǒng)提供供電，信號(hào)調(diào)理電路將標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)調(diào)整在C8051F單片機(jī)的參考電壓之內(nèi)，AD轉(zhuǎn)換后經(jīng)FIFO緩沖，保存在記錄體內(nèi)部，通過(guò)上位機(jī)將數(shù)據(jù)顯示在PC機(jī)上，繪制數(shù)據(jù)波形，直觀顯示自行高炮在發(fā)射炮彈時(shí)位移情況。

3.1 位移傳感器

選用GD19系列通用型直流LVDT位移傳感器，該傳感器外徑為Φ19 mm；內(nèi)置放大器的一體化結(jié)構(gòu)，抗干擾能力強(qiáng)；無(wú)滑動(dòng)觸點(diǎn)，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)；分辨率高，響應(yīng)頻率高，重復(fù)性好。

LVDT（Linear.Variable.Differential.Transformer）是線性可變差動(dòng)變壓器的縮寫，它由一個(gè)初級(jí)線圈、兩個(gè)次級(jí)線圈、鐵芯等部件組成。通過(guò)初級(jí)線圈與初級(jí)線圈電磁耦合，使得鐵芯的位置變化量與次級(jí)兩個(gè)線圈輸出電壓之差呈線性關(guān)系。這一原理被廣泛應(yīng)用于測(cè)量預(yù)先被轉(zhuǎn)換成直線位移的各種物理量，如拉伸、膨脹、直徑、差壓、力等，具有無(wú)滑動(dòng)觸點(diǎn)、功耗低、分辨率高、使用壽命長(zhǎng)、可以在高溫、高濕、粉塵等惡劣工況下使用等特點(diǎn)。

GD19系列產(chǎn)品采用了國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)生產(chǎn)工藝，將信號(hào)放大電路內(nèi)置于傳統(tǒng)的LVDT當(dāng)中，這種一體化的預(yù)校準(zhǔn)型產(chǎn)品，讓用戶安裝使用更加簡(jiǎn)單、便捷，輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)更適合與通用型數(shù)字顯示表連接，直接觀察。

由于自行自行高炮炮膛與炮體的剛性連接，炮體的位移變化能反映全炮的位移變化。所以為了真實(shí)的反應(yīng)自行高炮的位移變化，分別在炮體的三個(gè)方向安裝位移傳感器。

3.2 供電電路

為了增大產(chǎn)品的使用范圍，系統(tǒng)采用自帶電源供電。供電電路如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)供電電路

網(wǎng)標(biāo)VCC連接電池，電池選用兩節(jié)3.7 V供電的鋰電池。供電電路通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管控制供電的通斷：合上開(kāi)關(guān)前，U3的3腳和4腳的電壓相等，等于電池電壓，U3不導(dǎo)通，系統(tǒng)沒(méi)有電；合上開(kāi)關(guān)后，U3的2腳電壓高于1腳電壓，則1腳與7、8腳導(dǎo)通，則4腳接地。此時(shí)3腳電壓高于4腳，則3腳與5、6腳導(dǎo)通，電池電壓通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管。通過(guò)C14、C15濾波，電池電壓經(jīng)S818轉(zhuǎn)換為3.3 V，為記錄系統(tǒng)供電。

3.3 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路由信號(hào)調(diào)理電路、單片機(jī)和存儲(chǔ)單元組成。信號(hào)調(diào)理電路將位移傳感器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，調(diào)理到C8051F單片機(jī)參考電壓范圍之內(nèi)，單片機(jī)采集調(diào)理后的電壓信號(hào)并保存至存儲(chǔ)單元。

圖3 信號(hào)調(diào)理電路

（1）信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理電路如圖3所示。系統(tǒng)選用的運(yùn)算放大器為電源供電的TLV2262。傳感器信號(hào)通過(guò)分壓電阻分壓后，通過(guò)運(yùn)算放大器U10電壓跟隨，增大其驅(qū)動(dòng)能力，送至C8051F310單片機(jī)。

（2）C8051F單片機(jī)。C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片(SOC)[6]，具有與MCS-51指令集完全兼容的全新CIP-51內(nèi)核。它在一個(gè)芯片內(nèi)集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)或功能部件包括：ADC、DAC、可編程增益放大器、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、溫度傳感器、定時(shí)器、可編程計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(CPA)、內(nèi)部振蕩器、看門狗定時(shí)器、電源監(jiān)視器、SMBus/I2C、UART及SPI等。這些外設(shè)部件的高度集成為設(shè)計(jì)小體積、低功耗、高可靠性和高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供了方便，也可使系統(tǒng)的整體成本大大降低。

異步FIFO是一種先進(jìn)先出的電路，使用在需要異步時(shí)鐘數(shù)據(jù)接口的部分，用來(lái)存儲(chǔ)。緩沖在兩個(gè)異步時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)傳輸，保證能夠在很快的時(shí)間內(nèi)將數(shù)據(jù)保存至FLASH中。

設(shè)計(jì)中使用FIFO結(jié)構(gòu)，因?yàn)椋?/p>

（1）由要存儲(chǔ)信號(hào)的特征決定的。3路傳感器數(shù)據(jù)屬于連續(xù)性數(shù)據(jù)，但是FLASH不能同時(shí)寫入3路數(shù)據(jù)，F(xiàn)IFO是解決此問(wèn)題的最好方法。

（2）由FLASH的特點(diǎn)決定的。FLASH存儲(chǔ)器是一種間歇性工作的器件，存儲(chǔ)時(shí)有一段200 μs左右的頁(yè)編程時(shí)間，是不能對(duì)其進(jìn)行任何操作，F(xiàn)IFO可以幫助存儲(chǔ)這段時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)。

（3）便于速度匹配。寫數(shù)時(shí)可以協(xié)調(diào)FLASH寫入速度與數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣绕ヅ鋯?wèn)題。

鑒于上述原因，系統(tǒng)選用IDT72V04的硬件FIFO。

數(shù)據(jù)采集電路如圖4所示。將調(diào)理后信號(hào)送至單片機(jī)的P3.1腳，經(jīng)C8051F310單片機(jī)自帶的12位AD采用200KHz轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換該信號(hào)，轉(zhuǎn)換后經(jīng)P2口發(fā)送至硬件FIFO芯片IDT71V04。單片機(jī)的P3.3腳發(fā)送低電平時(shí)，數(shù)據(jù)寫FIFO使能。當(dāng)硬件FIFO半滿后，將IDT71V04的23引腳置1，通知后級(jí)單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。為了保證C8051F310單片機(jī)能準(zhǔn)備發(fā)送寫命令，不丟數(shù)據(jù)，在P3.3腳接47pF電容，起到濾波作用。

圖4 數(shù)據(jù)采集電路

3.4 存儲(chǔ)單元選擇

SAMSUNG公司長(zhǎng)期生產(chǎn)FLASH存儲(chǔ)器。公司的產(chǎn)品采用NAND原理，技術(shù)成熟，芯片質(zhì)量穩(wěn)定可靠。SAMSUNG公司生產(chǎn)的FLASH存儲(chǔ)器有以下特點(diǎn)：

（1）容量范圍大，便于挑選；

（2）不同容量、不同型號(hào)芯片的封裝相同，便于擴(kuò)展；

（3）不同容量、不同型號(hào)芯片的用法相同，便于使用；

（4）地址線、數(shù)據(jù)線復(fù)用，減小了控制引腳數(shù)量。

基于微型化的設(shè)計(jì)原則，要盡可能地選用大容量的存儲(chǔ)芯片。結(jié)合存儲(chǔ)器容量和芯片級(jí)別要求，選用SAMSUNG公司的具有1GByte容量的芯片K9K8G08。只要一片該存儲(chǔ)器，就可以滿足容量要求，減小存儲(chǔ)模塊的體積，便于存儲(chǔ)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和防護(hù)。

FLASH控制模塊的作用，是要按照FLASH存儲(chǔ)器控制時(shí)序要求，具體完成對(duì)FLASH的讀、寫和塊擦除操作。K9K8G08的外部?jī)H有8個(gè)I/O管腳，這8個(gè)管腳既是地址、數(shù)據(jù)輸入輸出端口，也是命令輸入端口，命令、地址和數(shù)據(jù)是通過(guò)分時(shí)復(fù)用來(lái)完成不同操作的[7]。對(duì)K9K8G08的操作主要包括：頁(yè)編程、雙頁(yè)編程、讀數(shù)、塊擦除和無(wú)效塊處理。

存儲(chǔ)單元電路如圖5所示。為了將前端單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)全部保存到FLASH，需要后端單片機(jī)以3倍碼流的速度來(lái)讀取并保存數(shù)據(jù)。當(dāng)對(duì)應(yīng)的硬件FIFO半滿后，相應(yīng)的標(biāo)志位HFA(HFB或者HFC)置1，通知后級(jí)單片機(jī)讀取數(shù)據(jù)。后端單片機(jī)通過(guò)與FIFO相連的RDA(RDB或者RDC)發(fā)送邏輯命令，讀取數(shù)據(jù)。讀取數(shù)據(jù)后，打包并將數(shù)據(jù)發(fā)送至FLASH保存。

圖5 存儲(chǔ)單元電路圖

4 結(jié)束語(yǔ)

該測(cè)試系統(tǒng)為自行高炮在發(fā)射時(shí)的穩(wěn)定性研究，提供了依據(jù)，據(jù)此可以改良其結(jié)構(gòu)，增加炮射穩(wěn)定性。由于自行高炮的威力大，炮射速度快，后坐力大，發(fā)射后自行高炮的位移反復(fù)變化非常快，因此要想更加真實(shí)的反應(yīng)其位移變化情況，就需要反應(yīng)速度更加快的位移傳感器，來(lái)改良此測(cè)試系統(tǒng)。

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