吳春光，何四華，劉成浩

(中國人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

在反艦類武器系統(tǒng)考核試驗(yàn)中，經(jīng)常會(huì)在被攻擊的靶船上安裝如目標(biāo)特性實(shí)現(xiàn)、船體姿態(tài)測量和中靶數(shù)據(jù)采集等必要的設(shè)備，該類設(shè)備統(tǒng)稱為靶載設(shè)備[1]。靶載設(shè)備多數(shù)工作在無人值守的環(huán)境下，特別是在海上環(huán)境惡劣、保障時(shí)間不確定的情況下，如何實(shí)時(shí)獲取設(shè)備工作狀態(tài)尤為重要。同時(shí)在延長設(shè)備電源工作時(shí)間或恢復(fù)設(shè)備初始工作狀態(tài)時(shí)，要求靶載設(shè)備必須具備遠(yuǎn)程遙控開關(guān)機(jī)功能，以達(dá)到靈活控制設(shè)備工作狀態(tài)的目的。

遙測監(jiān)控類裝備在國內(nèi)已有廣泛應(yīng)用，其中在船舶主機(jī)遙控[2-4]和移動(dòng)機(jī)器人遠(yuǎn)程遙控[5-6]等方面應(yīng)用較為廣泛。盧超[7]利用GSM網(wǎng)絡(luò)，采用2片單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)了一種多通道遠(yuǎn)程遙控開關(guān)，通過用戶手機(jī)發(fā)出控制指令短信或者通過按鍵模塊輸入定時(shí)開關(guān)時(shí)間實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制多組電器的通斷。楊法紅[8]等以超短波電臺為通信介質(zhì)，設(shè)計(jì)一種遠(yuǎn)程遙控開關(guān)機(jī)模塊，實(shí)現(xiàn)了機(jī)場通信導(dǎo)航臺站的全功能遙控和無人值守。楊偉寧[9]等利用短距離無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對氣象站溫度、濕度、壓力和光照等環(huán)境信息的遠(yuǎn)程采集、監(jiān)測。晏岱[10]采用無線數(shù)傳作為通信媒介，PLC為核心，實(shí)現(xiàn)了對壓路機(jī)基本操作的遠(yuǎn)程控制和工作參數(shù)的采集，提高系統(tǒng)的作業(yè)能力?？梢?，遙測監(jiān)測功能在多數(shù)行業(yè)均有應(yīng)用[11-13]，而海上試驗(yàn)環(huán)境下的設(shè)計(jì)應(yīng)用卻較為鮮見。本文針對某型靶載設(shè)備的使用要求，通過有線專用網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信的工作模式，設(shè)計(jì)了一套海上靶載嵌入式遙測監(jiān)控設(shè)備，主要用于采集靶載設(shè)備正常工作時(shí)的電流、電壓、環(huán)境溫濕度等信息，并通過對電源的控制實(shí)現(xiàn)靶載設(shè)備遠(yuǎn)程遙控開機(jī)和關(guān)機(jī)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該裝置根據(jù)不同功能需求采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電流電壓采集模塊、溫度濕度采集模塊和電源開關(guān)模塊組成，系統(tǒng)組成框圖及流程圖如圖1和圖2所示。

圖1 遙測監(jiān)控裝置組成框圖Fig.1 Telemetry monitoring device block diagram

圖2 系統(tǒng)工作流程框圖Fig.2 System workflow diagram

系統(tǒng)具體工作流程為：

① 靶載設(shè)備通電(交流電或直流電)并開始正常工作后，地面控制設(shè)備與靶載遙測監(jiān)控設(shè)備采用請求應(yīng)答的工作方式。地面控制設(shè)備首先向遙測監(jiān)控設(shè)備發(fā)送一個(gè)請求上傳數(shù)據(jù)的命令，遙控監(jiān)測設(shè)備收到指令后向地面指揮中心回送數(shù)據(jù)，地面控制設(shè)備開始對靶載設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)。

② 電流電壓采集模塊以及溫濕度采集模塊實(shí)時(shí)采集被測靶載設(shè)備的電流、電壓以及環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)據(jù)處理模塊對電流值、電壓以及溫濕度值進(jìn)行處理。

③ 模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量結(jié)束后，數(shù)據(jù)處理標(biāo)志位置位，數(shù)據(jù)處理模塊對電流電壓采集模塊和溫度采集模塊的測量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)解算，靶載設(shè)備所需電流電壓事前已經(jīng)標(biāo)定好，數(shù)據(jù)處理模塊實(shí)時(shí)與標(biāo)定值進(jìn)行對比，計(jì)算是否超出標(biāo)定誤差范圍，若超出標(biāo)定誤差范圍，則將相應(yīng)數(shù)據(jù)標(biāo)志位置位。

④ 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測電源開關(guān)狀態(tài)以及供電電源(交流電或直流電)，并將相應(yīng)數(shù)據(jù)標(biāo)志位置位。

⑤ 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行編碼，對編碼后的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲，最后通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面控制設(shè)備。

⑥ 地面控制設(shè)備在必要時(shí)對靶載設(shè)備進(jìn)行開機(jī)或關(guān)機(jī)控制[14]，數(shù)據(jù)處理模塊在收到遠(yuǎn)程遙控指令后，通過電源開關(guān)模塊對被測靶載設(shè)備供電電源執(zhí)行電源開或電源關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控功能。汪洋[15]在無人中繼的靶標(biāo)遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)中分析了靶載端與地面端相距300 km時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)對靶標(biāo)的遙控和靶載任務(wù)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。

2 模塊單元設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用8位的ATmega64作為數(shù)據(jù)處理單元的控制核心。Atmega64是一款高性能、高靈活性、低功耗的8位AVR單片機(jī)，其帶有8路10位高精度的A/D，64 kByte的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，2 kByte EEPROM，4 kByte SRAM，UART，SPI接口等，完全可以滿足設(shè)計(jì)要求，且成本低、可靠性高。本文設(shè)計(jì)的ATmega64芯片外圍電路如圖3所示。其中PA口為雙向I/O 口，外接LED，用于顯示串口和系統(tǒng)工作狀態(tài)；PC口為雙向I/O口，用于按鍵開關(guān)控制和繼電器通斷控制；PF口為ADC的模擬與數(shù)字輸入端口，設(shè)計(jì)將PF口用于電流電壓采集；PD口為復(fù)用端口，將PD端口用于串行時(shí)鐘和串行數(shù)據(jù)、看門狗、串口輸入輸出；PE口為復(fù)用端口，將PE口用于另一個(gè)串口輸入輸出。

圖3 ATmega64外圍電路Fig.3 ATmega64 peripheral circuit

2.2 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計(jì)

2.2.1 電流電壓采集電路

采用JCE-VP閉環(huán)型霍爾電壓傳感器作為電壓測量元件。JCE-VP外接原邊電阻，將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，JCE-VP再隔離測量。傳感器額定測量電流范圍為：±5 mA，額定電壓輸出為2.5±0.625 V，基準(zhǔn)電壓為2.5 V。交流額定測量電壓為220 V，設(shè)計(jì)選用62 000精密電阻，則額定測量電流為3.55 mA，因此額定電壓輸出為2.5±0.444 V；直流額定測量電壓為24 V，設(shè)計(jì)選用5 620精密電阻，則額定測量電流為4.27 mA，因此額定電壓輸出為2.5±0.534 V。交流、直流電壓測量電路如圖4(a)，圖4(b)所示。

(a)交流電壓測量電路

(b)直流電壓測量電路

(c)交流電流測量電路

(d)直流電流測量電路

采用JCE-TSNP多量程閉環(huán)型電流傳感器作為電流測量元件。傳感器額定測量電流范圍為6 A，額定電壓輸出為2.5±0.625 V，基準(zhǔn)電壓為2.5 V。交流最大測量電流為2 A，直流最大測量電流為6 A。交流、直流電流測量電路如圖4(c)、圖4(d)所示。

2.2.2 溫度濕度采集電路

采用德州儀器的HDC1080作為溫濕度采集傳感器，HDC1080是一款具有集成溫度傳感器的數(shù)字濕度傳感器，能夠以超低功耗提供出色的測量精度，測量范圍為-40～+125℃，具有14位的測量分辨率，該器件可直接向AVR單片機(jī)傳輸數(shù)字信號，采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，便于AVR處理及控制。溫濕度采集電路如圖5所示。

圖5 溫濕度采集電路Fig.5 Temperature and humidity acquisition circuit

2.3 電源開關(guān)電路設(shè)計(jì)

采用繼電器對電源進(jìn)行開關(guān)控制，驅(qū)動(dòng)芯片采用ULN2803，其具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，單片機(jī)通過控制I/O的高低電平來控制繼電器的通斷。當(dāng)單片機(jī)的I/O為高電平時(shí)，經(jīng)過ULN2803，其變?yōu)榈碗娖剑^電器常開觸點(diǎn)閉合；當(dāng)I/O為低電平時(shí)，經(jīng)過ULN2803，其變?yōu)楦唠娖剑^電器常開觸點(diǎn)斷開。電源開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。

圖6 電源開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路Fig.6 Power switch drive circuit

2.4 數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計(jì)

遙測監(jiān)控裝置通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至衛(wèi)通交換機(jī)，利用衛(wèi)星通信與地面指揮中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。AVR單片機(jī)不具備網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，因此需要對數(shù)據(jù)傳輸接口進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本設(shè)計(jì)中將AVR單片機(jī)串口轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)接口，采用ZLAN1003進(jìn)行接口轉(zhuǎn)換。ZLAN1003是一款功能強(qiáng)大的單芯片串口轉(zhuǎn)TCP/IP芯片，支持TCP服務(wù)器、TCP客戶端、UDP、UDP組播工作模式，內(nèi)部集成了10/100 M快速以太網(wǎng)MAC和PHY接口、UART串口以及串口轉(zhuǎn)TCP/IP所需的軟件功能。

3 數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制

系統(tǒng)研制完成后，需要對系統(tǒng)進(jìn)行性能指標(biāo)檢測，本文采用標(biāo)準(zhǔn)交直流電源對系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校實(shí)驗(yàn)，分別選擇靶載設(shè)備交流供電模式和直流供電模式，地面控制端讀取系統(tǒng)電流電壓值，并與標(biāo)準(zhǔn)交直流電源輸出電流電壓進(jìn)行對比，驗(yàn)證系統(tǒng)檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1、表2、表3和表4所示。

表1 交流電壓測試數(shù)據(jù)
Tab.1 AC voltage measurements

序號輸出值/V實(shí)測值/V誤差/%1200.00200.420.212210.00210.810.393220.00220.460.214230.00230.750.335240.00240.690.29

表2 直流電壓測試數(shù)據(jù)
Tab.2 DC voltage measurements

序號輸出值/V實(shí)測值/V誤差/%120.0020.050.25221.0021.170.81322.0022.130.25423.0023.260.59524.0024.090.39625.0025.160.64726.0026.200.77827.0027.150.56928.0028.321.14

表3 交流電流測試數(shù)據(jù)
Tab.3 AC current measurements

序號輸出值/V實(shí)測值/V誤差/%10.1630.161.8420.1550.162.7330.1460.152.7440.1420.141.4150.1380.141.45

表4 直流電流測試數(shù)據(jù)
Tab.4 DC current measurements

序號輸出值/V實(shí)測值/V誤差/%11.8531.831.2421.7421.750.4631.7201.730.5841.6181.591.7351.5341.551.0461.4921.521.8771.4291.411.3381.3851.371.0891.3421.350.60

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電壓測量最大誤差為1.14%，電流測量最大誤差為2.74%，電壓測量結(jié)果誤差比電流測量結(jié)果誤差小，其主要原因?yàn)榈孛婵刂贫藬?shù)據(jù)結(jié)果只保留2位小數(shù)，而標(biāo)準(zhǔn)電源電流輸出保留3位小數(shù)，引入誤差；AVR單片機(jī)在進(jìn)行數(shù)模采集過程中，單片機(jī)引腳處由于存在電磁干擾等因素，會(huì)引起采集到的數(shù)值存在波動(dòng)，造成誤差。

系統(tǒng)研制完成后，對系統(tǒng)進(jìn)行了遠(yuǎn)程遙控開關(guān)控制實(shí)驗(yàn)測試。地面控制端對靶載設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開機(jī)關(guān)機(jī)指令下發(fā)，觀察系統(tǒng)電源開關(guān)電路繼電器接通斷開情況以及設(shè)備是否根據(jù)指令正常開機(jī)和關(guān)機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確按照相應(yīng)指令執(zhí)行開機(jī)關(guān)機(jī)動(dòng)作。

4 結(jié)束語

通過海上實(shí)測及應(yīng)用，該裝置易于安裝、操控簡便、工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，實(shí)現(xiàn)了海上無人值守情況下靶載設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測和控制能力，節(jié)省了操作過程中的人力物力，并有效提升了設(shè)備使用效率，具有成本低、操控性好和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)，基于該裝置模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)只需要進(jìn)行稍加改進(jìn)，便可應(yīng)用于其它型號設(shè)備和多種參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集任務(wù)，具有較高的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值[16-17]。