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由于火箭炮發射的是簡易控制火箭彈，因此其定向管與火箭彈之間的電氣信號接口除了與普通無控火箭彈一樣具有點火信號接口外，還另有一個32芯參數裝定信號接口。在發射程序中，如果火控系統計算的火箭彈的飛行控制參數能夠準確地裝定至火箭彈的控制系統中，則火箭彈按照簡易控制方式飛行，否則按照無控方式飛行，導致火箭彈的射擊精度大大下降。為了確保火箭彈能夠順利發射以及射擊的準確性，在技術陣地進行裝填之前，需要對火箭炮上的點火信號線路以及參數裝定線路進行嚴格檢測，確保信號線路處于良好的工況。 對于發控系統的檢測，在火箭炮配套的機電檢測維修車上有發控時序檢測裝置，用于定性檢查定向管的發控時序。該檢測裝置不能對檢測結果進行量化處理與顯示，檢測時只能通過LED的亮滅來確定發控系統是否正常，對于處于臨界故障狀態的線路則不能定量觀察，具有一定的局限性。 本文基于MSP430F149單片機，設計一種發控時序檢測系統。該系統運用數字信號處理技術、計算機自動控制技術等，在點火觸頭和對接插頭采集發控信號，并對信號的電壓幅值、電流大小、信號噪聲、信號上升、下降沿寬度進行分析，顯示檢測信號與標準值的偏差并給出評估值；同時檢測對接的可靠性，對同一號管進行三次對接并分析信號的差異，從而評估對接的可靠性；詳細記錄每次的檢測數據，每次檢測時都與歷史數據進行對比分析，得出同一號管數據的變化規律及與其他所有管數據的一致性，從而確定發控系統的潛在故障，給出維修指導。該檢測系統不僅使檢測數據準確、過程簡化，還節省時間，能有效提高火箭炮的作戰效能。 發控時序檢測系統總體方案設計 檢測系統主要功能 本系統主要實現對火箭炮發控裝置的日常維護和故障檢測，系統具有如下功能： （1）定向管發控時序信號的檢測； （2）火箭發動機點火信號的檢測； （3）直觀顯示檢測內容和檢測結果； （4）系統自檢； （5）檢測過程聲音提示； （6）超標參數聲音和燈光報警； （7）檢測結果現場打印； （8）檢測結果斷電保存和回查； （9）與串行主機通信。 檢測系統結構組成 為了能實現系統的靈活性，系統利用串口來實現與微機之間的通信；同時，系統要便于攜帶。根據系統功能，檢測系統結構如圖1所示。 發控時序檢測系統硬件設計 
圖1 系統結構框圖 基于MSP430F149的最小系統設計 MSP430F149單片機適合于許多較復雜控制應用場合，選用該芯片來構建最小系統，完全能滿足系統正常工作的要求。本系統基于MSP430F149所設計的最小系統作為硬件的核心控制部分，系統除了包括單片機正常工作所必須的電源電路和復位電路外，還包括多芯切換電路、鍵盤和液晶顯示電路、通信接口電路、數據存儲電路和聲音報警電路等。 電源電路設計 在單片機應用中必須提供復位信號，以保證單片機能正確復位，從而進入正確的工作狀態。此外，單片機也需要穩定的電壓信號，因此必須提供電源電路。電源電路及復位電路如圖2所示。圖中，輸入的電壓經TPS70633芯片轉換成3.3V的電壓，以滿足單片機的工作電壓要求。通過MAX809STR產生復位信號送給單片機。為了減小干擾，每個芯片的電源端都加上一個0.1μF的電容進行濾波處理。 多芯自動切換電路設計 在自動測試系統中，經常需要對多路數據進行采集，有時還需在不同的測試流程中獲取不同通道的數據信號。以前人們常通過增加A/D采樣前端的模擬開關數目來解決，但是如果檢測系統中含有高壓電路的切換，模擬開關則不再合適，繼電器在這方面則具有明顯的優勢，其具有能夠切換較大電流和電壓的能力，同時還可以使驅動控制電路與被控觸點電路完全隔離，使用安全系數高。 在選擇繼電器時，綜合考慮實際的技術要求、功能特性和環境適應性，參照繼電器的性能參數、體積大小、安裝方式、負載特性等，本方案選擇了松下公司生產的TX2-5V繼電器作為測量電路切換的開關器件。該繼電器具有響應時間快、耐壓值高、體積小和功耗低等優點，可以滿足測試時的長時間連續掃描和在高壓下工作的要求。
圖3 多芯自動切換電路原理圖 32芯電纜的點火裝置的端電壓和回路電阻的測量，是相對于火箭炮系統地，檢測系統還需對模擬信號進行調整、模數轉換、單片機處理數據，因此，多芯自動切換電路，既要實現恒壓、恒流的自動切換，又要實現多路信號之間的切換。電路設計時每芯采用一個雙路繼電器實現切換，既能實現該芯電纜的恒壓、恒流的加載，又能實現多路信號的測量與切換。自動切換電路原理如圖3所示，圖中，在IN31之前省略了IN1~IN30，IN1~IN30的線路連接與IN31的相同；J32的1引腳與J1的6引腳相連接。 數據采集電路設計 A/D芯片選型 模/數轉換器是一種器件，簡稱為A/D，它把采集到的采樣模擬信號經量化和編碼后，轉換成數字信號并輸出。為滿足雷達、圖像處理、高速數據采集系統等對于高速度、高精度A/D轉換器的需求，一些IC廠家相繼推出了流水線結構的A/D轉換器，德州儀器公司的ADS1241芯片便是其中一款。 ADS1241是一款高性能、寬動態范圍、高精度的24位A/D轉換芯片。該芯片具有以下特性：①24位的A/D轉換；②可以通過程序來設置增益和輸出速率；③外部提供差分方式的參考電壓源，外部參考電壓為0.1V~5V；④具有片內自校正功能；⑤采用SPI串口與其他芯片接口；⑥低功耗：功耗只有600μW；⑦具有較寬的工作電壓，電壓范圍為2.7V~5.5V；⑧最多可以實現8路模擬采集。ADS1241芯片內部提供復用器和緩沖區來實現多路采集，此外，芯片內部還進行濾波處理。 A/D芯片接口電路設計 ADS1241需要外部時鐘才能工作，因此需要在XIN和XOUT管腳外接晶體，提供芯片工作時所需要的時鐘。本系統采用的是頻率為2.4576MHz的晶體，電容為20pF，電容的選擇是與晶體的頻率有關系的。ADS1241通過SPI串口與單片機進行連接，這里使用的是4線方式，即SCLK、DIN、DOUT和CS管腳與單片機進行連接。另外，ADS1241的DRDY管腳與單片機的一般I/O管腳進行連接，這樣可以通過該管腳來判斷是否準備好，由于該管腳輸出低電平有效，因此需要將該管腳拉高。ADS1241接口電路如圖4所示。 在圖4中，數字電源和模擬電源都采用3.3V電壓供電，為了減小電源處的干擾，因此需要加0.1μF的電容進行濾波處理。本系統中也將數字地和模擬地接在一起，但在某些具體的應用中可能需要將數字地和模擬地分開。AS1241的外部參考電源可以是差分方式，也可以是非差分方式，本系統中采用非差分方式，因此只需要將Vref+管腳接外部參考電源，Vref-管腳接地就可以了。在本系統中，將PWND管腳接高電平，使該芯片一直處于工作狀態；低功耗場合下，可以將該管腳與單片機的一般I/O進行連接，通過單片機來控制ADS1241的低功耗狀態。
圖4 ADS1241接口電路圖 數據存儲電路設計 檢測系統數據存儲選用大容量的EEPROM CAT24WC256，它是一個256K位串行CMOS EEPROM，內部含有32768個字節，每字節為8位。CATALYST公司的先進CMOS技術減少了器件的功耗，CAT24WC256有一個64字節頁寫緩沖器，該器件通過I2C總線接口進行操作，如圖5所示。
圖5 數據存儲電路原理圖 測量電路設計 發控時序電壓測量電路設計 輸出電壓VS分壓后進行差分采樣，采樣后送給單片機進行AD采樣，通過AD采樣值與設定值進行比較實現過壓警告和過壓保護，同時AD采樣值可以通過通訊接口上傳計算機，進行該路輸出電壓顯示，電壓檢測電路如圖6所示。
圖6 電壓測量電路圖 發控時序電流測量電路設計 采樣電流用平衡式電流互感器進行電流檢測，輸出電流信號轉化成電壓信號送給單片機進行AD采樣，通過AD采樣值與設定值進行比較實現過流警告和過流保護，電流檢測電路如圖7所示。電流信號產生兩路模擬電壓信號送給單片機進行采樣，保障在電流全范圍內的精度。
點火負載阻值測量電路設計 火箭炮發動機點火負載電阻值通常很小，使用通用器材和方法測量達不到要求的精度。雙臂電橋測小電阻很準確，但是測量使用大電流，線纜容易發熱，影響檢測結果，如要精確測定，則需調平衡，所以不能滿足快速測試的要求。為了準確測定點火電阻，本系統采用帶溫控反饋的恒流源以及高精度比例運放測量點火負載電阻，而且儀器通過自檢的方式排除系統誤差（包括系統線路阻值和接觸點阻值等），點火回路電阻的測量原理如圖8所示。
圖8 點火負載阻值測量原理圖 本系統中，根據測定電阻的范圍和精度要求，選擇DH900型精密恒流三極管，使用電阻調節，測定標準恒流為20mA。 恒流三極管有極好的恒流和調整特性，溫度系數低、電流穩定度高，是一種精密的集成電路恒流器件。國產的DH900系統為新型超精密恒流源器件，恒流范圍擴展到1μA~20A，可并聯使用、可遠距離傳輸，負載可斷開等。 單片機控制電路設計 鍵盤電路設計 在單片機應用系統中，通常具有人機對話功能，能隨時發出各種控制命令和數據輸入以及報告應用系統的運行狀態與運行結果。本系統人機交互的主要作用是選擇檢測內容、查看檢測結果、控制通信和打印等，沒有設計數據輸入，而且檢測過程是自動控制，所以只需要幾個功能按鍵。系統采用獨立式端口鍵，每個按鍵接入一個中斷引腳，采用端口中斷方式獲取鍵值，如圖9所示。
圖9 鍵盤電路圖 液晶顯示電路設計 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就有顯示，這樣即可顯示出圖形。液晶顯示器按其顯示方式分為點陣式、段式、字符式等。點陣液晶顯示器具有體積小、重量輕、外形薄、耗能小、工作電壓低、無輻射，特別是視域寬、顯示信息量大等優點。 本文選用的LM2029-6液晶顯示屏是一種圖形點陣液晶顯示器，它主要由行驅動器/列驅動器及320×240全點陣液晶顯示器組成，可完成圖形顯示，也可以顯示漢字。主要技術參數和性能：①電源VDD為+5V，模塊內自帶-10V負壓，用于LCD的驅動電壓；②顯示內容為320（列）×240（行）點；③全屏幕點陣；④七種指令；⑤與CPU接口采用8位數據總線并行輸入輸出和8條控制線；⑥占空比1/64；⑦工作溫度為-10℃~+55℃。 液晶顯示屏通過一個20腳的插座與主芯片相連，通過一個50K的可調電阻調節驅動電壓的大小控制液晶的亮度，通過兩個三極管控制液晶的背光，如圖10所示。P1.5控制液晶顯示數據/顯示指令數據，P1.6控制數據的讀/寫，P1.7控制使能信號，P2的8個引腳作為數據引腳，P3.0和P3.1作為液晶的片選信號，P4.1控制液晶的背光顯示。
圖10 液晶顯示電路圖 通信接口電路設計 通信接口擔負與外圍的串行主機數據交換和支持打印等任務。 串行通訊只需較少的端口就可以實現單片機和PC機的互通，具有無可比擬的優勢。MSP430系列都有USART模塊來實現串行通信。在本設計中，MSP430F149的USART模塊通過RS232串口與外圍的串行主機通信。系統采用專用電平轉換芯片MAX3232來實現電平轉換，如圖11所示。MAX3232芯片是MAXIM公司生產的電平轉換芯片，包含兩路接收器和驅動器，性能可靠。
圖11 通信接口電路原理圖 聲音蜂鳴報警電路設計 聲音報警使用蜂鳴器，通過I/O端口輸出脈沖控制，改變脈沖的頻率和作用時間進行不同種類的提示或者報警。為了提高驅動能力，讓蜂鳴器產生一定強度的聲音，采用了對稱的晶體管驅動，其電路如圖12所示。
圖12 聲音蜂鳴報警電路原理圖 發控時序檢測系統軟件設計 為了便于軟件系統的維護和以后硬件系統升級與改動，本系統軟件采用模塊化、結構化設計和程序編寫，各個硬件模塊獨立開發驅動接口，同時提供與硬件無關的應用程序接口，這樣如果硬件因資源問題需要改動時，只需要修改該硬件的驅動程序，省去了修改與該硬件相關的應用軟件和主系統軟件的繁瑣，大大提高了軟件開發和維護效率。系統軟件結構如圖13所示。
圖13 系統軟件結構框圖 系統軟件共分四層：硬件層、驅動層、接口層和應用層。硬件層提供系統數據采集、數字處理和輸入輸出控制支持；驅動層提供各個硬件使用和操作的驅動支持，保證軟件功能通過相應的硬件設備完成；接口層提供與各個硬件模塊無關的應用程序使用接口以及系統時序和邏輯控制服務；應用層主要完成檢測任務和相關的環境設置等功能。 結束語 本文根據某型火箭炮發控時序信號的特點和檢測需求，基于MSP430F149單片機設計了發控時序檢測系統。論文給出了系統總體設計方案，詳細介紹了發控時序檢測系統各個部分硬件和軟件的具體實現方法。該系統工作穩定可靠、效率高，且檢測數據精度高。 Source:解放軍陸軍軍官學院 |
