白 芳,郭寶鋒,李召瑞,3

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十八研究所，南京 210007;2.陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)，石家莊 050003;3.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210014)

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，以信息化主導(dǎo)的信息戰(zhàn)作為一種特殊的作戰(zhàn)手段，在戰(zhàn)爭(zhēng)中已成為出奇制勝的關(guān)鍵因素[1-2]。指揮信息系統(tǒng)在獲取、傳輸、處理信息等方面具有重要作用，是作戰(zhàn)過(guò)程中的核心。指揮系統(tǒng)可靠、高效、穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)通信指揮效率以及戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)有著重要影響，目前結(jié)合新體制新技術(shù)開(kāi)展指揮信息系統(tǒng)研制也是研究的熱點(diǎn)[3-5]。指控裝備構(gòu)成復(fù)雜，包含設(shè)備種類多[6]，目前，對(duì)這些設(shè)備的使用管理以人工記錄為主，存在記錄不詳實(shí)、主觀因素大、疏漏多等問(wèn)題，難以為裝備的維修、保障提供有效的數(shù)據(jù)支撐[7]。因此，有必要對(duì)指揮車使用管理技術(shù)進(jìn)行研究，以便提高對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、性能的及時(shí)掌握。

目前，對(duì)復(fù)雜電子設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)控大多通過(guò)在設(shè)備內(nèi)部加裝電子信號(hào)采集裝置完成[8-11]，采用這種方法存在以下缺點(diǎn)：1)各個(gè)子設(shè)備上加裝電子信號(hào)采集裝置，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本較高，并且占用較大的空間；2)對(duì)子設(shè)備的電壓信號(hào)采集時(shí)，產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)影響裝備的正常工作環(huán)境；3)部分子設(shè)備在加裝電子信號(hào)采集裝置時(shí)，需要改變?cè)b備的物理結(jié)構(gòu)，具有一定的破壞性。

而裝備運(yùn)行時(shí)的電流信號(hào)是電路工作特征的重要指示，是設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息的重要組成部分[12-14]，若裝備工作狀態(tài)發(fā)生改變，則輸出電流的波形將隨之發(fā)生相應(yīng)變化。另外，電流信息具有傳遞性，只需監(jiān)控電源主節(jié)點(diǎn)的電流信息，即可完成所有設(shè)備的電流狀態(tài)監(jiān)控，這給數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)帶來(lái)極大的便利[15-16]?；诖?，本文提出了基于電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的指控裝備使用記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，該方法能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的電流采集和模式匹配過(guò)程完成整個(gè)復(fù)雜裝備各設(shè)備的使用記錄管理，相對(duì)傳統(tǒng)方法，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少，又不會(huì)破壞裝備原工作環(huán)境。此外，系統(tǒng)基于MATLAB設(shè)計(jì)了串口接收及設(shè)備狀態(tài)顯示界面，數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳輸，簡(jiǎn)單方便，數(shù)據(jù)處理速度快，方法高效。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

基于電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的指控裝備使用記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集板及計(jì)算機(jī)上GUI軟件界面。指控裝備直流供電后由電源分線盒分配給各個(gè)子設(shè)備，因此，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各子設(shè)備的電流變化信息，電流傳感器的放置位置應(yīng)在系統(tǒng)電源和電源分線盒之間，這樣，各子設(shè)備工作的電流信息均可在該監(jiān)測(cè)點(diǎn)上體現(xiàn)出來(lái)。電流傳感器將電流信號(hào)變換為電壓信號(hào)，信號(hào)傳至數(shù)據(jù)采集板，該板負(fù)責(zé)將電壓的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)USB232串口傳送給計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)上運(yùn)行MATLAB軟件，用于串行接收數(shù)據(jù)和處理，對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)波形特征進(jìn)行判別，判斷子設(shè)備工作狀態(tài)，并在GUI界面上實(shí)時(shí)顯示處理。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖

系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、以及GUI界面設(shè)計(jì)，其中硬件設(shè)計(jì)是指采集電路設(shè)計(jì)，軟件設(shè)計(jì)是指對(duì)硬件的單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，GUI界面設(shè)計(jì)則通過(guò)MATLAB編程進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并完成可視化界面顯示[17]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電源分線盒輸入節(jié)點(diǎn)的電流信息，需要電流傳感器，獲取電流信息后并轉(zhuǎn)化為電壓；為了完成數(shù)據(jù)采集，需要將電流傳感器的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，該過(guò)程可由內(nèi)部集成AD轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)控制器完成；數(shù)據(jù)采集轉(zhuǎn)換后，要完成存儲(chǔ)操作，可通過(guò)RS232串口與計(jì)算機(jī)連接。以上是數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)倪^(guò)程，涉及的硬件電路主要包括三部分：電流傳感器設(shè)計(jì)、單片機(jī)控制器設(shè)計(jì)和串口通信電路設(shè)計(jì)。

2.1 電流傳感器設(shè)計(jì)

電流傳感器選用HCS-LSP3系列閉環(huán)霍爾電流傳感器，能夠測(cè)量直流、交流、脈沖以及各種不規(guī)則電流。該傳感器具有精度高、線性度好、功耗低、電流過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電流監(jiān)控、逆變電源及太陽(yáng)能電源、變頻家電的驅(qū)動(dòng)控制等領(lǐng)域。本設(shè)計(jì)選用的是該系列的HCS-LSP3-10 A型芯片，芯片實(shí)物如圖3所示，其額定電流是10 A，測(cè)量范圍-20～20 A，額定輸出電壓1.65 V±0.625 V。

HCS-LP3-10 A型電流傳感器共有5個(gè)引腳，1腳為輸出腳，2腳為地，3腳為供電腳(+3.3 V)，4腳、5腳為電流串接管腳，即監(jiān)控電流時(shí)，可通過(guò)4、5腳把該傳感器串接在電路中，此外，該傳感器還支持另一種測(cè)量方式，就是將待測(cè)電流的線纜通過(guò)傳感器的圓孔穿過(guò)芯片，傳感器內(nèi)部的電磁圈會(huì)感應(yīng)到線纜的電流。本文采用第二種監(jiān)測(cè)方式，即讓線纜穿過(guò)傳感器電磁圈進(jìn)而感應(yīng)電流變化。

2.2 單片機(jī)控制器設(shè)計(jì)

本文選用Freescale公司的MC9S12XS128MAA單片機(jī)[18]，它是S12X家族中的一個(gè)成員。

在本設(shè)計(jì)中，需要用到MC9S12XS128M中的模塊有模擬轉(zhuǎn)數(shù)字(ATD)模塊和SCI模塊。其中ATD模塊完成電流轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)的AD轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換完成后，輸出數(shù)據(jù)是8/10/12位并行數(shù)據(jù)，進(jìn)而將數(shù)據(jù)傳至SCI模塊，將并行數(shù)據(jù)一位一位的按順序傳送出去，這樣，數(shù)據(jù)輸出只需一根傳輸線，大大降低了硬件成本，適合于遠(yuǎn)距離通信。電路設(shè)計(jì)時(shí)，單片機(jī)的51腳為ATD轉(zhuǎn)換的輸入腳，連電流傳感器的輸出腳；單片機(jī)的64腳為SCI串行輸出腳，連RS232的輸入端。

2.3 串口通信接口設(shè)計(jì)

串口通信按位(bit)發(fā)送和接收字節(jié)，雖然比按字節(jié)的并行通信慢，但由于串口通信可以只使用一根線發(fā)送數(shù)據(jù)，使得線路連接簡(jiǎn)單并能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。目前較為常用的串口包括RS232、RS422、RS485等，RS232采用不平衡傳輸方式，而RS422、RS485采用平衡傳輸方式，通過(guò)傳輸差分信號(hào)可抑制信號(hào)中的共模干擾。RS232通信使用3根線即可完成，分別是地線、發(fā)送線和接收線，該通信方式是現(xiàn)在最常用的串行通信接口。本設(shè)計(jì)采用RS232接口完成數(shù)據(jù)的串行傳輸，由于數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，只需將單片機(jī)控制器采集的電流信號(hào)傳送至計(jì)算機(jī)，而計(jì)算機(jī)不反向傳輸數(shù)據(jù)，因此，RS232與計(jì)算機(jī)串口只需兩根線即可完成通信，即地線和發(fā)送線。

本設(shè)計(jì)主要解決電流實(shí)時(shí)采集及采樣精度問(wèn)題，為了采集高精度的電流信息，希望增加采樣頻率以及采樣精度，但增大采樣頻率會(huì)增加后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和傳輸壓力，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，傳輸波特率設(shè)置為56 000 bit/s，能夠保證數(shù)據(jù)精度及傳輸效率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)Freescale單片機(jī)MC9S12XS128的控制，需要使用該公司提供的CodeWarrior軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，所用到的單片機(jī)控制器模塊主要包括ATD模塊和SCI串口模塊，由于單片機(jī)內(nèi)部集成的ATD模塊和SCI串口模塊均為2個(gè)，程序設(shè)計(jì)時(shí)均采用相應(yīng)的第一個(gè)模塊。軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)流程

軟件設(shè)計(jì)具體步驟如下。

1)初始化ATD模塊：

主要設(shè)置寄存器ATD0CTL1，使AD采樣分辨率選擇12位；設(shè)置寄存器ATD0CTL4，使數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為4個(gè)時(shí)鐘周期。

2)初始化SCI模塊：

主要設(shè)置寄存器SCI0BD，使數(shù)據(jù)串行傳輸波特率為56 000；設(shè)置寄存器SCI0CR1，數(shù)據(jù)串行傳輸無(wú)奇偶校驗(yàn)。

3)查看ATD狀態(tài)寄存器ATD0STAT2_CCF0，看是否完成轉(zhuǎn)換，若完成，改為置1，將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)的高8位、低8位分別存儲(chǔ)在AD_result_H和AD_result_L變量中，轉(zhuǎn)至4)；若轉(zhuǎn)換沒(méi)完成，則進(jìn)入等待狀態(tài)；

4)查看SCI狀態(tài)寄存器SCI0SR1_TDRE，看發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器是否為空(當(dāng)SCI0SR1_TDRE=1時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空)，若為空，則將變量AD_result_H賦值給數(shù)據(jù)寄存器SCI0DRL，并轉(zhuǎn)至5)；若SCI0SR1_TDRE非空，則說(shuō)明SCI數(shù)據(jù)寄存器不能接收新數(shù)據(jù)，進(jìn)入等待狀態(tài)；

5)查看SCI狀態(tài)寄存器SCI0SR1_TDRE，看發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器是否為空(當(dāng)SCI0SR1_TDRE=1時(shí)，發(fā)送數(shù)據(jù)寄存器為空)，若為空，則將變量AD_result_L賦值給數(shù)據(jù)寄存器SCI0DRL，并轉(zhuǎn)至6)；若SCI0SR1_TDRE非空，則說(shuō)明SCI數(shù)據(jù)寄存器不能接收新數(shù)據(jù)，進(jìn)入等待狀態(tài)；

6)數(shù)據(jù)采集是否結(jié)束，若沒(méi)有結(jié)束，轉(zhuǎn)至3)，進(jìn)行新一次的數(shù)據(jù)采樣和傳輸；若結(jié)束，則程序終止。

3.2 GUI界面設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)時(shí)，主要包括串行數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理及狀態(tài)顯示等模塊，具體設(shè)計(jì)流程如圖3所示，其中數(shù)據(jù)串行接收是程序的重難點(diǎn)，數(shù)據(jù)處理則通過(guò)鄰近法完成模式識(shí)別(具體可參考文獻(xiàn)[20])，狀態(tài)顯示是在GUI界面上顯示出裝備子設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間及使用時(shí)長(zhǎng)等情況。

圖3 程序設(shè)計(jì)流程

基于電源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的指控裝備使用管理平臺(tái)界面如圖4所示，界面中主要包含串口設(shè)置區(qū)域、串口接收數(shù)據(jù)顯示區(qū)域、電流顯示區(qū)域和設(shè)備使用統(tǒng)計(jì)表。其中串口設(shè)置區(qū)域用于設(shè)置與數(shù)據(jù)采集板的串口通信參數(shù)，包括串口號(hào)、波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位以及串口的打開(kāi)與關(guān)閉；串口接收數(shù)據(jù)顯示區(qū)域用于顯示串口接收到的數(shù)據(jù)，通過(guò)下方的【清空接收區(qū)】按鈕可把接收區(qū)數(shù)據(jù)完全清除；電流顯示區(qū)域用于繪制采集的電流波形；設(shè)備使用統(tǒng)計(jì)表用于統(tǒng)計(jì)指控裝備各子設(shè)備的開(kāi)機(jī)時(shí)間、關(guān)機(jī)時(shí)間及運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)。

圖4 基于電源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的指控裝備使用管理平臺(tái)界面

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性，在指控裝備上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。操作步驟如下。

步驟1：將電流傳感器放置于指控裝備的總電源干線節(jié)點(diǎn)；

步驟2：將所設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集板的串口與電腦串口連接；

步驟3：運(yùn)行MATLAB的GUI界面；

步驟4：數(shù)據(jù)采集板加電運(yùn)行，開(kāi)始實(shí)時(shí)采集指控裝備的電流狀態(tài)數(shù)據(jù)；

步驟5：通過(guò)下拉菜單選擇【串口】、【波特率】、【校驗(yàn)位】、【數(shù)據(jù)位】以及【停止位】等參數(shù)；

步驟6：在GUI界面點(diǎn)擊【打開(kāi)串口】按鈕，系統(tǒng)采集的電流數(shù)據(jù)開(kāi)始在【清空接收區(qū)】上方滾動(dòng)顯示，并在【電流參數(shù)顯示】區(qū)上方以圖形方式顯示出來(lái)；

步驟7：依次打開(kāi)指控裝備的子設(shè)備1、子設(shè)備2、子設(shè)備3、子設(shè)備4，【電流參數(shù)顯示】上方的電流變化如圖5(a)所示；

步驟8：依次關(guān)閉指控裝備的子設(shè)備4、子設(shè)備3、子設(shè)備2、子設(shè)備1，【電流參數(shù)顯示】上方的電流變化如圖5(b)所示。

圖5 指控裝備不同子設(shè)備開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)電流變化曲線

從圖5可以看出，不同設(shè)備開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)電流變化是不同的。設(shè)備開(kāi)機(jī)時(shí)，設(shè)備產(chǎn)生瞬間高電流，由于電流的傳導(dǎo)性，本系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的電源分線盒主節(jié)點(diǎn)的電流會(huì)隨之變化；設(shè)備關(guān)機(jī)時(shí)，不同設(shè)備的電流降低幅度不同，可據(jù)此作為典型特征，區(qū)分不用設(shè)備的關(guān)機(jī)時(shí)刻。那么，本系統(tǒng)依據(jù)采集的數(shù)據(jù)，與原始的數(shù)據(jù)庫(kù)(需提前采集數(shù)組數(shù)據(jù))進(jìn)行比對(duì)，通過(guò)模式識(shí)別判斷是哪個(gè)設(shè)備開(kāi)機(jī)或關(guān)機(jī)，據(jù)此給出指控裝備各設(shè)備的使用記錄與管理。

運(yùn)用整個(gè)系統(tǒng)對(duì)指控裝備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到的測(cè)試結(jié)果界面如圖6所示，可以看出，該系統(tǒng)能夠采集指控裝備的電流數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)串口傳輸，MATLAB設(shè)計(jì)的GUI界面能夠接收串口發(fā)送的數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)的將電流波形繪制出來(lái)，利用該波形信息，GUI還能夠判斷設(shè)備的開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)等動(dòng)作，記錄相應(yīng)的時(shí)間，進(jìn)而完成對(duì)指控裝備各子設(shè)備的使用管理。

圖6 使用管理平臺(tái)界面測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從指控裝備使用記錄的實(shí)際需求出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于電源監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的指控裝備使用記錄系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)電源電流信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，完成了裝備的子設(shè)備開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)確認(rèn)。相對(duì)傳統(tǒng)方法，該系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)少，又不會(huì)破壞裝備原工作環(huán)境，此外，基于MATLAB開(kāi)發(fā)的串口接收及顯示界面，具有簡(jiǎn)單方便、數(shù)據(jù)處理速度快、方法高效的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)能夠取代人工記錄方式完成裝備以及各子設(shè)備的全面管理，為裝備的維修、保障提供有效的數(shù)據(jù)支撐。