李玉軍，程林風(fēng)，譚華峰，劉 杰

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北宜昌 443003）

0 引言

發(fā)射裝置是通用發(fā)射平臺，可用于車載及艦載發(fā)射系統(tǒng)。該裝備配有控制設(shè)備，具有旋回、俯仰等功能，能隨時(shí)根據(jù)指令要求完成伺服調(diào)轉(zhuǎn)及發(fā)射功能。受信儀作為發(fā)射裝置的傳感設(shè)備，具有反饋裝置運(yùn)行角度位置和控制裝置運(yùn)行、射界范圍的功能［1-2］。隨著現(xiàn)代發(fā)射裝置的伺服精度及智能發(fā)射要求提高，設(shè)計(jì)一款高精度的集數(shù)據(jù)采集校驗(yàn)及智能控制等多功能于一體的電子受信儀就有了迫切需求。

國內(nèi)舊式發(fā)射裝置受信儀大多采用了傳統(tǒng)的單旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器采集角度，無法驗(yàn)證角度數(shù)據(jù)的正確性及可靠性，旋轉(zhuǎn)變壓器或光電編碼器一旦發(fā)生故障，易導(dǎo)致發(fā)射裝置超運(yùn)行范圍及射界范圍而引起事故；舊式受信儀的運(yùn)行、射界采用機(jī)械開關(guān)，安裝精度受限，占用空間大，出、入運(yùn)行、射界的角度誤差較大；運(yùn)行、射界范圍的調(diào)整過程極其繁瑣［3］，長時(shí)間使用后機(jī)械開關(guān)易損壞。因此，開發(fā)一款高可靠性、智能化、節(jié)省空間的電子受信儀對提高發(fā)射裝置伺服調(diào)轉(zhuǎn)及發(fā)射控制可靠性尤為重要。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本文以微控制器LPC2294為核心，通過采集雙機(jī)電編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了采集角度數(shù)據(jù)的正確性及可靠性驗(yàn)證，通過采集發(fā)射裝置的高低、方向角度數(shù)據(jù)與預(yù)設(shè)運(yùn)行、射界范圍進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行、射界智能控制，通過上級控制計(jì)算機(jī)對電子受信儀發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)對發(fā)射裝置的運(yùn)行、射界范圍進(jìn)行設(shè)定。本文通過以上方法提高發(fā)射裝置角度采集數(shù)據(jù)的可靠性，提高發(fā)射裝置運(yùn)行、射界范圍的控制精度，實(shí)現(xiàn)對發(fā)射裝置運(yùn)行、射界智能化設(shè)定功能，對提高現(xiàn)代發(fā)射裝置的伺服調(diào)轉(zhuǎn)精度及智能發(fā)射等都有重大意義。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

電子受信儀組成如圖1所示，由智能角度采集板、方向主機(jī)電編碼器［4］、方向從機(jī)電編碼器、高低主機(jī)電編碼器、高低從機(jī)電編碼器等5部分組成。機(jī)電編碼器選用單圈絕對值16位旋轉(zhuǎn)機(jī)電編碼器，分別采集高低及方向的角度信息。智能角度采集板通過雙冗余CAN總線接收高低及方向的角度信息進(jìn)行處理，通過另一對雙冗余CAN總線與上一級控制計(jì)算機(jī)通信。

圖1 電子受信儀組成

智能角度采集板包含微控制器LPC2294、電源模塊、復(fù)位模塊、EEPROM數(shù)據(jù)儲存模塊、硬件看門狗、控制信號輸出模塊及CAN通信模塊。

1.2 工作原理

電子受信儀在加電工作情況下，通過方向主機(jī)電編碼器、高低主機(jī)電編碼器實(shí)時(shí)采集發(fā)射裝置的回轉(zhuǎn)和俯仰角度。智能角度采集板對采集的主機(jī)電編碼器的角度值每隔5 ms進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)每隔50 ms分別比較方向主機(jī)電編碼器與從機(jī)電編碼器、高低主機(jī)電編碼器與從機(jī)電編碼器角度值，如果主、從編碼器比較超出誤差范圍（0.5°）則斷開運(yùn)行、射界并輸出報(bào)警信號。智能角度采集板對采集的主機(jī)電編碼器的角度值與設(shè)定的運(yùn)行、射界范圍角度值進(jìn)行比較，通過控制相應(yīng)的繼電器輸出射界信號和運(yùn)行信號，從而實(shí)現(xiàn)對運(yùn)行、射界的控制［5］。

采用軟件配置射界、運(yùn)行范圍角度值。當(dāng)系統(tǒng)需要修改射界、運(yùn)行范圍時(shí)，采用軟件配置射界、運(yùn)行范圍角度值。在電子受信儀智能角度采集板上設(shè)有一片EEPROM，微控制器LPC2294通過I2C總線與之通信，將射界、運(yùn)行角度值的配置數(shù)據(jù)存入EEPROM。需要修改射界、運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)，控制計(jì)算機(jī)通過給智能角度采集板發(fā)送數(shù)據(jù)對之進(jìn)行修改［6］。

當(dāng)需要對機(jī)械與電氣零位校準(zhǔn)時(shí)，將發(fā)射裝置調(diào)轉(zhuǎn)到機(jī)械零位時(shí)，通過智能角度采集板輸出控制指令，對主、從機(jī)電編碼器進(jìn)行電氣置零。

2 電子受信儀的技術(shù)設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

電子受信儀包括方向與高低兩部分，具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 電子受信儀結(jié)構(gòu)

方向受信儀由箱體、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸、柔性聯(lián)軸器、主機(jī)電編碼器、從機(jī)電編碼器、角度采集板、電纜旋緊接頭等組成；高低受信儀由箱體、傳動(dòng)齒輪、傳動(dòng)軸、柔性聯(lián)軸器、主機(jī)電編碼器、從機(jī)電編碼器、接線端子排和電纜旋緊接頭等組成。

考慮到齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)制造誤差、安裝誤差、齒輪浮動(dòng)和系統(tǒng)彈性，受信儀的齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)多次仿真計(jì)算及改進(jìn)設(shè)計(jì)［7］。受信儀的聯(lián)合齒輪與發(fā)射裝置回轉(zhuǎn)支承外齒圈相嚙合，受信儀的傳動(dòng)比使其內(nèi)部的方向機(jī)電編碼器的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與發(fā)射裝置回轉(zhuǎn)的方向角度相一致（即為1∶1），機(jī)電編碼器將采集的發(fā)射裝置方向角度信號反饋給角度采集板進(jìn)行信息處理。

高低機(jī)電編碼器安裝在炮架上，其輸入軸與搖架上的耳軸相連接，傳動(dòng)比為1∶1，即高低機(jī)編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)角度與發(fā)射裝置俯仰的高低角度相一致，并將發(fā)射裝置的高低角度信號反饋給角度采集板進(jìn)行信息處理。

2.2 電氣設(shè)計(jì)

電子受信儀電路連接如圖3所示，其電路連接關(guān)系如圖4所示。智能角度采集板及4個(gè)機(jī)電編碼器的電源由上一級控制計(jì)算機(jī)單元統(tǒng)一提供。智能角度采集板通過雙路CAN總線（CAN3、CAN4）分別采集4個(gè)機(jī)電編碼器數(shù)據(jù)。智能角度采集板通過雙冗余CAN總線（CAN1、CAN2）與上一級控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，主要是向控制計(jì)算機(jī)發(fā)送發(fā)射裝置的運(yùn)行、射界及角度信息，接收并執(zhí)行控制計(jì)算機(jī)發(fā)送的各種指令［8］。

圖3 電子受信儀電路連接

圖4 電子受信儀電路連接關(guān)系

智能角度采集板主要包含微控制器LPC2294、電源模塊、硬件看門狗模塊、復(fù)位模塊、EEPROM數(shù)據(jù)儲存模塊、控制信號輸出模塊及CAN通信模塊。

電源模塊采用DC／DC電源轉(zhuǎn)換模塊將外部提供28 V／G1工作電源轉(zhuǎn)換成5 V模塊工作電源，同時(shí)通過線性電源將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V電源和1.8 V電源，供ARM7計(jì)算機(jī)LPC2294工作及部分集成電路使用，電源模塊原理框圖如圖5所示。

圖5 電源模塊原理

硬件看門狗模塊采用單穩(wěn)態(tài)電路實(shí)現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，由硬件電路切斷運(yùn)行和射界信號輸出的電源，避免整個(gè)系統(tǒng)誤動(dòng)作。

復(fù)位模塊的功能是利用復(fù)位芯片輸出低電平的脈沖來提供微控制器LPC2294的復(fù)位信號。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)瞬時(shí)掉電時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，不至于出現(xiàn)死機(jī)或誤動(dòng)作。

EEPROM數(shù)據(jù)儲存模塊采用在智能角度采集板上設(shè)有一片EEPROM，微控制器LPC2294通過I2C總線與之通信，將射界、運(yùn)行的配置數(shù)據(jù)存入。需要修改射界、運(yùn)行數(shù)據(jù)時(shí)，控制計(jì)算機(jī)單元通過給微控制器LPC2294發(fā)送數(shù)據(jù)對之進(jìn)行修改。

控制信號輸出模塊主要是由微控制器LPC2294根據(jù)采集的角度信息進(jìn)行比較、判斷，依據(jù)設(shè)定范圍決策輸出運(yùn)行和射界控制信息，通過繼電器將控制信號轉(zhuǎn)換成28 V電源控制信號，供外部設(shè)備使用。

CAN通信模塊采用微控制器LPC2294自帶4路CAN控制器外擴(kuò)CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)，CAN收發(fā)器選用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司生產(chǎn)的CAN收發(fā)芯片CTM8251T，該芯片可以連接任何一款CAN協(xié)議控制器，實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)的收發(fā)與隔離功能。而該芯片內(nèi)部集成了所有必須的CAN隔離及CAN收發(fā)器件，且隔離電壓高達(dá)DC2500 V，能保證CAN總線數(shù)據(jù)的可靠收發(fā)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

電子受信儀軟件主要完成角度信息采集，并通過CAN總線實(shí)時(shí)傳送給外部控制計(jì)算機(jī)。其工作流程如圖6所示。

圖6 電子受信儀工作流程

軟件主要由CAN通訊模塊、報(bào)文分析模塊、數(shù)據(jù)比較模塊組成。

CAN通訊模塊主要功能是接收和發(fā)送CAN數(shù)據(jù)，主要包含以下功能函數(shù)。

（1）GetRecvBufData（void）：獲取接收緩沖區(qū)函數(shù)，將CAN1、CAN2、CAN3、CAN4接收到的數(shù)據(jù)，寫入報(bào)文緩沖區(qū)。

（2）ReadCanRxBuf（eCANNUM CanNum）：用于驅(qū)動(dòng)將收到的CAN數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的CAN接收緩沖區(qū)。

（3）SetSendBusBufData（eCANNUM CanNum，uint8 dst_brdID，uint8 type，uint8*data）：向發(fā)送緩沖區(qū)添加數(shù)據(jù)。

（4）SendBrain（）：CAN發(fā)送腦函數(shù)。

報(bào)文分析模塊主要功能是對接收CAN1、CAN2的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，主要包含以下功能函數(shù)：AnalyseCANBusRevData（）：對接收到的報(bào)文進(jìn)行分析，并判斷是什么命令且調(diào)用相關(guān)命令函數(shù)。

數(shù)據(jù)比較模塊主要功能是對接收的主從機(jī)電編碼器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，主要包含以下功能函數(shù)：MatchAngle（）：對接收到的主、從機(jī)電編碼器數(shù)據(jù)進(jìn)行比較分析。

3 電子受信儀技術(shù)實(shí)現(xiàn)中的主要問題

3.1 旋轉(zhuǎn)編碼器選型及同步比較

發(fā)射裝置既要承受裝置設(shè)備的動(dòng)靜載荷，又要傳遞艦船所受載荷，受力情況十分復(fù)雜，特別是在武器發(fā)射過程中，尾焰會給基座結(jié)構(gòu)造成強(qiáng)大的沖擊［9］。因此，旋轉(zhuǎn)編碼器要求具有較好抗沖擊性、耐溫性、抗腐蝕性。這對于回轉(zhuǎn)精度要求較高的發(fā)射裝置而言尤為重要［10］。

旋轉(zhuǎn)編碼器分為光電編碼器和機(jī)電編碼器，其中機(jī)電編碼器在抗振性、耐溫性、抗腐蝕性、抗灰塵及油污及抗干擾性等方面有很好的性能，更能適應(yīng)惡劣環(huán)境的要求［4］，考慮到使用環(huán)境及精度控制要求，旋轉(zhuǎn)編碼器選用單圈絕對值16位旋轉(zhuǎn)機(jī)電編碼器。

機(jī)電編碼器通過機(jī)械齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)其軸轉(zhuǎn)動(dòng)，獲得實(shí)時(shí)的角度信息，通過CAN通信方式將采集角度的數(shù)字信號傳遞給智能角度采集板。機(jī)電編碼器分為主、從機(jī)電編碼器，其數(shù)據(jù)采集周期均為5 ms（采樣周期可調(diào)）。智能角度采集板在對主、從機(jī)電編碼器檢測比較后將主機(jī)電編碼器將采集的的角度值轉(zhuǎn)發(fā)給上級控制計(jì)算機(jī)［11］。

智能角度采集板CPU單元每隔50 ms對主機(jī)電編碼器與從機(jī)電編碼器的角度值進(jìn)行檢測比較，若二者的角度差值始終小于0.5°，則認(rèn)為主機(jī)電編碼器的角度值可靠，可以輸出給上級控制計(jì)算機(jī)；反之，則停止數(shù)據(jù)輸出并報(bào)故障，提示停機(jī)整修。這樣，任有一個(gè)機(jī)電編碼器出現(xiàn)故障，電子受信儀即停止數(shù)據(jù)輸出并報(bào)故障。

通過雙機(jī)電編碼器的采樣及同步比較技術(shù)，使得電子受信儀既保證了數(shù)據(jù)輸出的實(shí)時(shí)性又保證了輸出數(shù)據(jù)的可靠性。

3.2 電子受信儀機(jī)械電氣零位對準(zhǔn)及狀態(tài)監(jiān)測

當(dāng)發(fā)射裝置處于機(jī)械零位時(shí)，通過電子受信儀發(fā)指令對機(jī)電編碼器自動(dòng)電氣置零。省去了傳統(tǒng)的機(jī)械、電氣零位調(diào)整的大量調(diào)試工作量。

檢測發(fā)射裝置狀態(tài)是否正常，擴(kuò)展部分監(jiān)測功能［12］，如裝置內(nèi)部設(shè)置漏水檢測板檢測是否漏水，裝置伺服調(diào)轉(zhuǎn)時(shí)間及次數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)等功能，以提高發(fā)射裝置的可靠性，減少發(fā)射故障。

3.3 電子受信儀機(jī)械精度控制

機(jī)電編碼器傳動(dòng)軸設(shè)計(jì)為可調(diào)節(jié)軸，具備消除齒輪間隙的能力，可以有效提高傳動(dòng)精度，保證兩個(gè)機(jī)電編碼器同步；受信儀輸入端為彈性聯(lián)合齒輪與回轉(zhuǎn)支承內(nèi)齒相嚙合，有效消除了間隙空回。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的電子受信儀采用雙機(jī)電編碼器采樣角度，進(jìn)行數(shù)據(jù)同步比較，采用軟件指令快速準(zhǔn)確配置運(yùn)行、射界范圍，出入運(yùn)行、射界范圍精度達(dá)到0.1°，通過軟件指令，快速對主、從機(jī)電編碼器電氣置零或?qū)C(jī)械與電氣角度校準(zhǔn)，采用EEPROM數(shù)據(jù)存儲、修改運(yùn)行、射界范圍等多種方式實(shí)現(xiàn)智能化設(shè)計(jì)。

電子受信儀采用結(jié)構(gòu)巧妙布局，取消機(jī)械開關(guān)，由繼電器替代運(yùn)行、射界機(jī)械開關(guān)，整體尺寸比舊版減小40%。其生產(chǎn)成本與傳統(tǒng)受信儀持平，但大大提高了產(chǎn)品可靠性并極大節(jié)省調(diào)試時(shí)間及工作量。

電子受信儀由智能角度采集板及4個(gè)完全相同的機(jī)電編碼器組合而成，方向、高低受信儀的機(jī)電編碼器具備通用性，4個(gè)編碼器可以任意互換，僅需設(shè)定零位。目前已列裝于多型發(fā)射裝置，經(jīng)過長期試驗(yàn)及可靠工作，證明該設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。后續(xù)電子受信儀可通過更改嚙合齒輪變比及CAN通信波特率實(shí)現(xiàn)適應(yīng)各型發(fā)射裝置的使用，實(shí)現(xiàn)電子受信儀產(chǎn)品系列化應(yīng)用。