于仕財(cái)，康 健， 叢 瑜， 韓建立，劉智勇

（1.海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺(tái) 264001；2.海軍航空工程學(xué)院 科研部，山東 煙臺(tái) 264001；3.海軍航空工程學(xué)院 訓(xùn)練部，山東 煙臺(tái) 264001）

當(dāng)前，雷達(dá)技術(shù)迅速發(fā)展，雷達(dá)裝備處于更新?lián)Q代的崩發(fā)期。但大量報(bào)廢的雷達(dá)裝備并沒有質(zhì)量問題，利用這些裝備開展雷達(dá)教學(xué)活動(dòng)切實(shí)可行。

文中利用一套報(bào)廢的雷達(dá)天線，指導(dǎo)學(xué)員設(shè)計(jì)與制作了雷達(dá)伺服系統(tǒng)，配以液晶顯示界面，可以完整地演示雷達(dá)天線伺服系統(tǒng)的各個(gè)環(huán)節(jié)的原理。該系統(tǒng)幾乎“零”成本地實(shí)現(xiàn)了教學(xué)設(shè)備的補(bǔ)充，同時(shí)設(shè)計(jì)與制作過程中鍛煉了本科生的實(shí)踐技能[1-3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

報(bào)廢的雷達(dá)天線只有天線的機(jī)械部分，要完成伺服系統(tǒng)教學(xué)演示功能，先期提出了3個(gè)方面的要求：1）完成天線的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、快轉(zhuǎn)、慢轉(zhuǎn)、換向、急停等基本的天線的運(yùn)轉(zhuǎn)方式；2）能實(shí)時(shí)顯示天線的相關(guān)運(yùn)動(dòng)要素，例如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、實(shí)時(shí)方位等；3）演示系統(tǒng)要有良好的可參觀性，即需要設(shè)計(jì)一個(gè)合理的支撐裝置[4-5]。

針對(duì)以上所提出的3個(gè)基本要求，接受指導(dǎo)的兩名學(xué)員分工合作，設(shè)計(jì)了基本方案。

1.1 支撐裝置

支撐裝置的基本要求有3點(diǎn)：1）支撐天線并保證天線旋轉(zhuǎn)時(shí)的穩(wěn)定；2）保證天線及其內(nèi)部各器件都能直接觀察到；3）為內(nèi)部器件和外部的操縱開關(guān)及顯示屏提供牢固的安裝位置[6-7]。

為此采用3 cm角鐵加工整體支架，支架四周敷2 mm不銹鋼板，美觀大方，同時(shí)其硬度也能承受面板開關(guān)和顯示組件的重量。支架上下兩面空著，便于觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài)。

組裝好的系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)的基本功能要保證完成天線的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、快轉(zhuǎn)、慢轉(zhuǎn)、換向、急停等天線的基本運(yùn)轉(zhuǎn)方式。

由于天線較小，質(zhì)量輕，又有減速箱，電機(jī)選型論證時(shí)沒有充分地研究電機(jī)參數(shù)要求，只是憑經(jīng)驗(yàn)在以下3個(gè)方面比較后選擇了電機(jī)和配套的驅(qū)動(dòng)器。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall system structure of FIG

1）電動(dòng)機(jī)的體積：電動(dòng)機(jī)的大小不能太大，否則無法裝在天線的控制臺(tái)上。另外，天線與電動(dòng)機(jī)的接口部分螺絲的位置已經(jīng)確定，無法改變，因此，電動(dòng)機(jī)的大小和形狀是嚴(yán)格按安裝位置來選定的。

2）電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速：由于天線驅(qū)動(dòng)減速比為40:1，所以最后確定，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速大概在6 000 r/min即可。

3）電動(dòng)機(jī)的扭矩：扭矩是一個(gè)重要的參數(shù)，扭矩太小，將會(huì)導(dǎo)致無法帶動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)。由于天線伺服系統(tǒng)扭矩的計(jì)算過于復(fù)雜，就在扭矩較大的直流電機(jī)中選型并留有裕量，如果一次選型不成功，則再次選型，即通過實(shí)驗(yàn)確定電機(jī)型號(hào)。

1.3 顯示裝置

顯示裝置能實(shí)時(shí)顯示天線的相關(guān)運(yùn)動(dòng)要素，例如轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、實(shí)時(shí)方位等。

顯示裝置采用通用的信號(hào)變換、嵌入式單片機(jī)處理、液晶顯示的結(jié)構(gòu)形式。如圖2所示。

圖2 顯示裝置結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Display apparatus structure diagram

根據(jù)系統(tǒng)需求及了解市場(chǎng)上元器件的性價(jià)比，選擇了3個(gè)模塊的器件。

信號(hào)變換模塊采用光電編碼器CHA3806-400BM，其輸出為TTL電平，易于與單片機(jī)直接連接，簡化了接口電路；每圈輸出400個(gè)脈沖，達(dá)到了方位分辨率的要求；具有A、B兩相輸出，可判斷天線轉(zhuǎn)向。

單片機(jī)采用AT89S52，技術(shù)成熟。

液晶顯示采用TG19264，可顯示三行漢字，符合系統(tǒng)需求。

光電編碼器與單片機(jī)接口電路如圖3所示。VCC和GND是電源信號(hào)，雷達(dá)真北信號(hào)Z接P3.2口（外部中斷0），A相接 P3.3口（外部中斷1），B相接P3.4口。

TG19264液晶顯示器的8位并行總線接口，能直接與AT89S52單片機(jī)的I/O口相連，控制簡單方便，如圖4所示，圖中10K可調(diào)電位器可以用來調(diào)節(jié)背光源的亮度。在本系統(tǒng)中，其使能端E與單片機(jī)的P2.4管腳相連，讀/寫選擇端RW與單片機(jī)的P2.5管腳相連，數(shù)據(jù)/指令選擇端RS與單片機(jī)的P2.6管腳相連，片選擇信號(hào)CS1、CS2、CS3分別于單片機(jī)的P2.0、P2.1、P1.2管腳相連，復(fù)位信號(hào)RST與單片機(jī)的P2.3管腳相連，并行總線DB0～DB7與單片機(jī)的P0口相連[6-8]。

圖3 光電編碼器與單片機(jī)接口電路Fig.3 Photoelectric encoder and microcontroller interface circuit

圖4 液晶顯示器與單片機(jī)接口電路Fig.4 LCD monitor and microcontroller interface circuit

1.4 真北脈沖

真北脈沖作為顯示方位的起始脈沖是必須有的。由于對(duì)該脈沖的參數(shù)沒有過高要求，達(dá)到幅度即可，系統(tǒng)設(shè)計(jì)用一干簧管接+5 V電源，干簧管接通時(shí)，+5 V電源連接于單片機(jī)引腳，形成TTL電平的真北脈沖輸入。用天線轉(zhuǎn)盤上安裝的一塊磁鐵作為真北脈沖的觸發(fā)裝置。干簧管安裝結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 干簧管安裝結(jié)構(gòu)Fig.5 Dry reed pipe installation structure

2 組裝調(diào)試

2.1 組 裝

在支撐裝置加工好以后，先把天線主體部分安裝在橫梁上，并用4顆螺釘固定，后續(xù)安裝了電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、面板開關(guān)、光電編碼器、干簧管、單片機(jī)及液晶顯示組件。

1）電機(jī)安裝

電機(jī)安裝注意兩點(diǎn)：`1）電機(jī)主體的固定，包括4顆固定螺釘及內(nèi)圈凹槽要對(duì)準(zhǔn)減速箱安裝孔，這一點(diǎn)在電機(jī)選型時(shí)已經(jīng)匹配；2）電機(jī)主軸與天線減速箱輸入口形狀要一致并結(jié)合緊密，且保持主軸質(zhì)心位于幾何中心，以保證電機(jī)能帶動(dòng)天線平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，不發(fā)生震動(dòng)。這通過對(duì)電機(jī)主軸的精密加工實(shí)現(xiàn)。

電機(jī)主軸加工完全靠學(xué)員手工打磨，鍛煉了學(xué)員的金工能力。加工后的主軸圖如6所示。

圖6 加工后的中心軸Fig.6 After processing of the central axis

2）光電編碼器安裝

光電編碼器的安裝與電機(jī)的安裝相似，編碼器主體外徑與原來的旋轉(zhuǎn)變壓器外部尺寸一致，以保證編碼器主體的安裝。編碼器主軸與齒輪中心孔不一致，原來想手工加工，但編碼器主軸非常堅(jiān)硬，只能分解編碼器，拆下主軸用數(shù)控機(jī)床加工。

編碼器是一件精密的機(jī)電一體化產(chǎn)品，尤其是光柵碼盤，只是一個(gè)塑料片，400個(gè)徑向長縫按圓周均勻分布，卡在固定面板與電路板之間，要把主軸抽出來進(jìn)行加工，需要非常仔細(xì)操作，正適合于鍛煉學(xué)員動(dòng)手能力，為將來雷達(dá)維修打下基礎(chǔ)。

拆解后的編碼器如圖7所示。將其主軸用數(shù)控機(jī)床加工后，重新組裝編碼器。

圖7 編碼器分解圖Fig.7 Encoder exploded view

編碼器加工處理完以后就要對(duì)其進(jìn)行安裝，天線底座上原有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器，現(xiàn)用編碼器替換一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器。安裝編碼器的主要要求就是主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的齒輪要咬合后在進(jìn)行固定，如圖8所示。編碼器左邊是原來的另一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器。

圖8 編碼器安裝圖Fig.8 Installation diagram of the encoder

3）干簧管安裝

干簧管的安裝相對(duì)簡單，只要將干簧管安裝在天線上不妨礙天線轉(zhuǎn)動(dòng)就可。如圖5所示。

4）其他器件安裝

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝在支撐裝置內(nèi)部的橫梁上，面板開關(guān)、單片機(jī)及液晶顯示組件都安裝在不銹鋼面板上。這些器件的安裝步驟簡單，注意選擇安裝位置使導(dǎo)線走向不凌亂、面板開關(guān)和顯示屏分布相對(duì)美觀和易操作即可。

組裝的整體效果如圖1所示。

2.2 調(diào) 試

調(diào)試分為單個(gè)部件的邊安裝邊調(diào)試和整體調(diào)試。

1）機(jī)械部分調(diào)試步驟

支撐裝置的外協(xié)加工后，放置于普通桌面上，底面邊框與桌面完全接觸，且滑動(dòng)系數(shù)很大，可以保證天線運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)支撐裝置的平穩(wěn)。

天線主體安裝在橫梁上，用手轉(zhuǎn)動(dòng)天線，無阻尼感。

電動(dòng)機(jī)安裝后，靜態(tài)測(cè)試：用手轉(zhuǎn)動(dòng)天線，稍有阻尼感，但轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，可以看到電機(jī)主軸與天線同步同向轉(zhuǎn)動(dòng)；動(dòng)態(tài)測(cè)試：將電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和控制開關(guān)與電源連接好以后，將轉(zhuǎn)速電位器置于最小位置，打開電源開關(guān)，慢慢旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速電位器，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，并帶動(dòng)天線同步轉(zhuǎn)動(dòng)。扳動(dòng)轉(zhuǎn)向開關(guān)，天線能順利換向。繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)電位器，電機(jī)速度逐步提高，并多次換向順利，觀察支撐裝置有所振動(dòng)時(shí)，停止試驗(yàn)，此時(shí)為能使整個(gè)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的天線的極限轉(zhuǎn)速。開環(huán)測(cè)量電位器阻值，選同級(jí)別固定電阻串聯(lián)于電位器上，以保證天線不會(huì)超過極限轉(zhuǎn)速。

安裝編碼器后，先用手轉(zhuǎn)動(dòng)天線，可以帶動(dòng)編碼器平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)并逐步提高轉(zhuǎn)速后，觀察到編碼器運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

干簧管安裝后，通電并接示波器，先用手轉(zhuǎn)動(dòng)天線，觀察真北脈沖的輸出，發(fā)現(xiàn)有干擾，就在干簧管兩端并聯(lián)高頻電容，同時(shí)焊接下拉電阻，以便于連接單片機(jī)端口。

2）軟件部分

軟件部分主要包括運(yùn)用AT89S52單片機(jī)讀取光電編碼器采集的關(guān)于天線的轉(zhuǎn)向、方位、轉(zhuǎn)速等信號(hào)并驅(qū)動(dòng)TG19264液晶顯示器顯示。主程序流程圖如圖9所示。其中包括轉(zhuǎn)向信息分析處理、方位信息分析處理、轉(zhuǎn)速信息分析處理、液晶顯示4個(gè)子程序。但在實(shí)際軟件設(shè)計(jì)時(shí)并不是按照主程序流程一步一步編寫的，先設(shè)計(jì)液晶顯示器的顯示程序，以后在需要顯示時(shí)就可以直接調(diào)用，便于軟件的編寫測(cè)試，再設(shè)計(jì)運(yùn)用中斷讀取數(shù)據(jù)的程序，最后編寫分析處理數(shù)據(jù)的程序。

圖9 主程序流程圖Fig.9 Main program flowchart

系統(tǒng)中光電編碼器是通過原有齒輪減速箱與天線主軸連接，因?yàn)闆]有減速比的資料，這樣通過硬件就無法算出雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一圈，光電編碼器輸出多少脈沖。解決的辦法是測(cè)量真北脈沖信號(hào)與編碼器器脈沖信號(hào)的比值，用軟件實(shí)現(xiàn)天線轉(zhuǎn)速測(cè)量[9-11]。

3）整體測(cè)試

驅(qū)動(dòng)器、面板開關(guān)、顯示組件安裝后重復(fù)一遍上述的調(diào)試過程，狀態(tài)良好。測(cè)試參數(shù)如下：

最低轉(zhuǎn)速：0 r/min

最高轉(zhuǎn)速：163 r/min

天線能順利完成轉(zhuǎn)向、急停、變速等運(yùn)轉(zhuǎn)方式；

液晶屏能顯示轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、方位等參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示。

3 結(jié)束語

兩名學(xué)員在教員指導(dǎo)下，共同設(shè)計(jì)了系統(tǒng)整體框架，一人設(shè)計(jì)實(shí)施了驅(qū)動(dòng)和控制部分，另一人設(shè)計(jì)實(shí)施了采集顯示部分，分工協(xié)作地完成了教學(xué)雷達(dá)伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作，這對(duì)他們來講，還是有挑戰(zhàn)性的；并且在設(shè)計(jì)與制作過程中，通過與教員的共同討論、設(shè)計(jì)、制作，激發(fā)了學(xué)員的興趣與潛力，而學(xué)員的創(chuàng)新思維也激發(fā)了教員的靈感，使研制工作形成了師生互動(dòng)的良性循環(huán)。

教學(xué)雷達(dá)伺服系統(tǒng)的研制需要電子線路、數(shù)據(jù)采集、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、機(jī)械工程等多學(xué)科的知識(shí)。由教員和學(xué)員組成研制團(tuán)隊(duì)，由教員負(fù)責(zé)指導(dǎo)，由學(xué)員負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)、調(diào)試的具體工作。這種研制團(tuán)隊(duì)結(jié)構(gòu)可作為激發(fā)學(xué)員的創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力的綜合平臺(tái)。

本系統(tǒng)的制作成功，可以在教學(xué)領(lǐng)域替代雷達(dá)裝備，由于體積小價(jià)格低，降低了對(duì)教學(xué)場(chǎng)所的要求，節(jié)約了經(jīng)費(fèi)，緩解了儀器短缺的困難。同時(shí)，為探索為創(chuàng)新人才的培養(yǎng)、為實(shí)驗(yàn)教育技術(shù)的探索、為實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革、為實(shí)驗(yàn)資產(chǎn)管理等實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的各方面提供了初步探索。

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