姜少飛， 閆英敏， 趙 霞 ， 李鵬程

（1.軍械工程學(xué)院 河 北 石 家莊 0 50003；2.76324部隊(duì) 廣 西 桂 林541001）

某新型火炮隨動(dòng)系統(tǒng)為數(shù)字式隨動(dòng)系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)火炮炮塔，是整個(gè)自行高炮武器系統(tǒng)的核心部分。火炮隨動(dòng)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣將直接影響防空武器系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)效果，因此必須進(jìn)行隨動(dòng)系統(tǒng)性能參數(shù)的測(cè)試，以判定其是否滿足性能指標(biāo)的要求，為武器系統(tǒng)的保障維修提供依據(jù)[1]。這對(duì)保證裝備處于良好狀態(tài)、提高系統(tǒng)戰(zhàn)斗效能、提高訓(xùn)練效果、降低維修成本、使部隊(duì)盡快形成基本保障能力，都有重要意義。

本文利用DSP和CAN總線技術(shù)的良好性能設(shè)計(jì)了火炮隨動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試系統(tǒng)。數(shù)字信號(hào)處理器DSP具有高速、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力及豐富的外設(shè)資源，CAN總線是一種多主串行通信協(xié)議，可有效地支持分布式實(shí)時(shí)傳輸，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。將DSP與CAN總線技術(shù)相結(jié)合，系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性能也得到很大提高[2]。

1 測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象分析

本設(shè)計(jì)要對(duì)角位移、跟蹤速度和加速度3個(gè)能夠反映系統(tǒng)性能的重要參量進(jìn)行準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的測(cè)量，從而正確評(píng)價(jià)火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的性能。角位移信號(hào)的變化情況反映了位置式隨動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)變化，角速度和加速度的大小也能反映出系統(tǒng)調(diào)轉(zhuǎn)快速性和跟蹤快速性的好壞。

根據(jù)火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可推知[3]，方位、高低系統(tǒng)的跟蹤速度和方位、高低執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速存在線性關(guān)系，對(duì)執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)試，再根據(jù)積分、微分運(yùn)算就可以得到系統(tǒng)的角位移和角加速度，進(jìn)而可對(duì)火炮隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行性能分析。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分析

測(cè)試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成，其都選用了TI公司的TMS320系列DSP器件TMS320LF2407A作為中央處理核心[4]。下位機(jī)通過(guò)霍爾式傳感器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)采集高低方位執(zhí)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)，經(jīng)過(guò)DSP捕獲單元（CAP）轉(zhuǎn)換后通過(guò)核心處理器件DSP進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，計(jì)算出跟蹤速度、角位移和加速度，利用CAN總線把實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)配有鍵盤輸入和LCD顯示，負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令，并接收下位機(jī)送來(lái)的采樣數(shù)據(jù)，對(duì)火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的性能參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 下位機(jī)硬件總體設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)選用TMS320LF2407A為核心構(gòu)建火炮隨動(dòng)系統(tǒng)性能測(cè)試裝置的硬件電路，完成對(duì)所需監(jiān)測(cè)的轉(zhuǎn)速信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。整個(gè)下位機(jī)硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 下位機(jī)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 CAN總線通信接口電路

內(nèi)置于LF2407A的CAN總線控制器可以用來(lái)完成CAN總線通信協(xié)議CAN2．0B的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能。LF2407A的CAN控制器是一個(gè)16位的外設(shè)模塊，具有以下特性：提供6個(gè)郵箱對(duì)象，其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為0～8個(gè)字節(jié)；針對(duì)郵箱0、1和2、3有局域接收屏蔽寄存器；可編程波特率；可編程中斷配置；可編程的CAN總線喚醒功能；總線錯(cuò)誤診斷功能；自測(cè)試模式。

CAN總線通信的硬件電路如圖3所示。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力并保護(hù)DSP器件，在LF2407A控制器和收發(fā)器PCA82C250之間增加了由高速光電隔離器6N137構(gòu)成的隔離電路，實(shí)現(xiàn)了總線上各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。光耦部分電路所采用的兩個(gè)電源必須完全隔離，故電源模塊采用B0505S－1W現(xiàn)場(chǎng)總線專用的電源模塊。PCA82C250通過(guò)引腳8與地直接相連，采用高速方式[5]，因此系統(tǒng)用屏蔽雙絞線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，30 m以內(nèi)可以提供1 Mb/s的傳送速率，且必須在雙絞線兩端連接兩個(gè)120 Ω的匹配電阻來(lái)消除長(zhǎng)線反射所引起的干擾。

圖3 CAN總線通信接口電路

3 測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

TMS320LF2407A 的軟件設(shè)計(jì)和調(diào)試是在DSP集成開(kāi)發(fā)環(huán)境CCS2000下進(jìn)行的，采用C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言相結(jié)合的方式編寫，在軟件功能調(diào)試完成后，就可以將程序固化在片內(nèi)的Flash內(nèi)，在上電時(shí)加載程序。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的主要流程如圖4所示，首先系統(tǒng)程序進(jìn)行初始化，啟動(dòng)DSP定時(shí)器和捕獲單元，采集轉(zhuǎn)速傳感器輸出的信號(hào)，然后對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，DSP與CAN控制器之間以響應(yīng)中斷方式實(shí)現(xiàn)通訊。經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后的數(shù)據(jù)送給LCD顯示，以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析，并掃描有效按鍵，判斷鍵值，并進(jìn)入相應(yīng)的處理。

3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

圖4 主程序流程

霍爾式傳感器輸出的轉(zhuǎn)速信號(hào)為脈沖信號(hào)，則對(duì)脈沖信號(hào)的頻率進(jìn)行測(cè)量即可測(cè)出轉(zhuǎn)速的大小。利用LF2407A器件上的事件管理器（Event Manager）模塊帶有的通用定時(shí)器和捕獲單元可完成計(jì)數(shù)和測(cè)量計(jì)算任務(wù)。

將轉(zhuǎn)速信號(hào)送入EVB的CAP6引腳，選擇定時(shí)器3作為其獨(dú)立時(shí)間基準(zhǔn)，采用中斷的方式捕獲計(jì)數(shù)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速信號(hào)的測(cè)量。本系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為40 MHz，計(jì)數(shù)器最大計(jì)數(shù)為0xFFFF，即65 535，而方位、高低執(zhí)行電機(jī)的頻率范圍大致為1～600 Hz。為使精度最高，將通用定時(shí)器控制寄存器T3CON的TPS2～TPS0設(shè)置為011，選8分頻，則定時(shí)器3每隔T=8/40 MHz=0．2 ms計(jì)數(shù)一次。測(cè)速主程序如圖5所示。

圖5 測(cè)速主程序

進(jìn)入捕獲中斷子程序后，首先清CAP6中斷標(biāo)志位，從2級(jí)深度FIFO中依次讀出兩次捕獲的計(jì)數(shù)值num1和num2，進(jìn)而可得在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)定時(shí)器T3的脈沖數(shù)m。如果num2大于num1，則直接相減之差即為脈沖數(shù)m；若num2小于num1，則說(shuō)明在計(jì)數(shù)過(guò)程中有計(jì)數(shù)溢出，即計(jì)數(shù)到周期寄存器T3PR內(nèi)寫入0xFFFF后回零重新計(jì)數(shù)，因此再求脈沖數(shù)m＝num2-num1+0xFFFF。則可得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)大小為n=60 m/zT，其中，m為一個(gè)周期內(nèi)的定時(shí)器T3脈沖數(shù)，z為霍爾傳感器的磁鋼數(shù)，T為定時(shí)器采樣周期。根據(jù)執(zhí)行電機(jī)轉(zhuǎn)速和跟蹤速度關(guān)系可推導(dǎo)出隨動(dòng)系統(tǒng)的跟蹤速度，再經(jīng)數(shù)字積分和微分運(yùn)算就可得到系統(tǒng)的角位移和角加速度。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在完成了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)各部分硬件和軟件設(shè)計(jì)調(diào)試之后，將編寫好的軟件燒入LF2407A板的Flash中，然后對(duì)火炮隨動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試。這里僅以測(cè)試火炮隨動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能為例。利用正弦機(jī)給定方位系統(tǒng)θ＝2 000密位的階躍響應(yīng)[6]，在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由LF2407A每20 ms記錄一次系統(tǒng)的角位移，每次記錄采樣100點(diǎn)，利用DSP的集成開(kāi)發(fā)工具CCS2000采用描點(diǎn)法對(duì)記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可以方便顯示出時(shí)間與角位移的關(guān)系，如圖6所示。由響應(yīng)跟蹤曲線可看出最大峰值時(shí)間為1.401 5 s，超調(diào)量為0.869 2%，上升時(shí)間1.368 9 s，過(guò)渡時(shí)間1.334 s。由以上數(shù)據(jù)可以看出隨動(dòng)系統(tǒng)在階躍響應(yīng)下具有很好的響應(yīng)快速性，跟蹤測(cè)試能夠達(dá)到預(yù)期的精度。

5 結(jié)論

圖6 方位系統(tǒng)階躍響應(yīng)跟蹤曲線

測(cè)試系統(tǒng)以TMS320LF2407A為核心處理器，借助DSP高速的處理速度、強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，有足夠的時(shí)間完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理分析和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸采用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線，增強(qiáng)了系統(tǒng)的開(kāi)放性和通信的可靠性，并且有良好的可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)在實(shí)際檢測(cè)中已經(jīng)得到了可靠性檢測(cè)，效果良好。

[1]朱新華.某自行高炮使用及性能檢測(cè)與故障診斷[M].石家莊：軍械工程學(xué)院，1999：41-63.

[2]WU Yong，QIN Juan-ying.CAN bus system based on DSP[J].Industrial Control Computer，2002（6）：13-17.

[3]孫世宇，段修生.某自行高炮火控計(jì)算機(jī)與火炮隨動(dòng)系統(tǒng)[M].石家莊：軍械工程學(xué)院，1995：24-31.

[4]劉和平，王維俊，江渝，等.TMS320LF240x DSP C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：13-24.

[5]饒運(yùn)濤，邵繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003：3-23.

[6]李永軍.電液伺服閥性能測(cè)試系統(tǒng)研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2008.