某型自行火炮水平角速度傳感器智能檢測儀設計

陳保社，劉 恒，蔡 昱

（中國人民解放軍68129部隊 甘肅 蘭州 730060）

由于沒有專用的性能檢測和故障分析設備，某型自行火炮水平角速度傳感器通常依靠人工進行檢測和故障判斷，不僅程序復雜、操作不便，而且檢測的可靠性和安全性都難以保證。針對這一問題，我們運用單片機控制技術，設計制作“某型自行火炮水平角速度傳感器智能檢測儀”[1]，實現對該水平角速度傳感器的自動快速檢測[2-3]。

1 系統組成及作用

水平角速度傳感器智能檢測儀系統，主要由信號檢測處理模塊、計算控制模塊、指示顯示模塊、角度編碼器模塊和電源模塊等組成。其中信號檢測處理模塊用于對水平角速度傳感器輸出的計數信號和觸發信號進行采集和處理[4]；計算控制模塊用于對水平角速度傳感器輸出信號的脈沖計數、周期測量、占空比和相位差計算、誤差分析和故障判斷；指示顯示模塊用于指示水平角速度傳感器輸出信號狀態、相位關系、測試類別和檢測結果合格與否，并顯示測試數據及故障種類；角度編碼器模塊[5]用于輸出單位角度對應的脈沖數，為水平角速度傳感器工作精度檢測提供比較基準；電源模塊用于為水平角速度傳感器、角度編碼器和檢測儀提供工作電源。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖Fig.1 Composion block diagram of system

2 設計思路

由于系統要完成對水平角速度傳感器輸出的兩路信號的狀態檢測、參數計算與結果顯示、故障判斷與指示，所以選擇具有計數、定時和計算控制功能的AT89S52單片機[6]為控制單元，將水平角速度傳感器兩路輸出信號分別接入單片機的T0和T1端，同時，將角度傳感器的輸出信號接到單片機的T2端，利用單片機計數和定時功能，對水平角速度傳感器輸出的兩路方波脈沖信號和角度傳感器輸出的角度脈沖信號進行計數和周期測量，通過計算、分析和判斷，實時顯示水平角速度傳感器輸出精度、信號的狀態、相位差和占空比。單片機將檢測結果與標準值進行比對后，指示比對結果，并給出信號相位差和占空比輔助調整意見。調整后，重新進行上述檢查，直到合格為止。

水平角速度傳感器檢測原理框圖如圖2所示。

圖2 檢測原理框圖Fig.2 Principle block diagram of detecting

3 實現方法

3.1 信號狀態檢測與故障判斷

應用單片機的計數功能實現對水平角速度傳感器輸出信號狀態的檢測。具體方法是，將單片機的“定時器/計數器”設置成計數方式，利用單片機“定時器/計數器”T0和T1，分別對水平角速度傳感器輸出的計數信號和觸發信號進行脈沖計數，若有信號注入且信號為標準方波信號時，計數器計數，并在連續計滿一定數值后，控制相應的信號狀態指示燈點亮，表明信號正常。若沒有信號注入，或者注入信號不是標準方波信號，不能觸發計數器計數，則對應的狀態指示燈不點亮，表明信號不正常，這時故障指示燈會點亮，指示水平角速度傳感器有故障。

3.2 信號相位關系的檢測與判斷

相位關系檢測是指對兩路方波信號的相對相位 （即超前、滯后關系）檢測。由D觸發器及其外圍電路實現。如圖3所示，水平角速度傳感器產生的計數信號和觸發信號在分別輸入到D觸發器的輸入端和觸發端，在觸發脈沖上跳沿觸發后，計數信號的電平狀態會從D觸發器的輸入端傳送到觸發器的輸出端。若順時針轉動水平角速度傳感器齒輪傳動機構時，D觸發器輸出高電平，說明觸發信號超前計數信號，相位關系正常，反之則不正常；若逆時針轉動水平角速度傳感器齒輪傳動機構時，D觸發器輸出低電平，說明計數信號超前觸發信號，相位關系正常，反之則不正常。

圖3 信號相位關系判斷原理圖Fig.3 Principle block diagram of signal phase correlation diagnose

3.3 信號相位差的計算

將單片機的“定時器/計數器”T0和T1設置成計時方式，分別對計數信號和觸發信號計時。在計數信號由低電平變為高電平時，T0啟動計時，當計數信號再一次由低電平變為高電平時，T0所計時間T即為計數信號一個周期的計時 （觸發信號與計數信號周期相同）。在計數信號由低電平變為高電平時，如果觸發信號為低電平，則啟動T1計時，當計觸發號由低電平變為高電平時，T1所計時間即為計數信號與觸發信號相位上的時間差△T；在計數信號由低電平變為高電平時，如果觸發信號為高電平，則等觸發信號由高電平變為低電平時，則啟動T0計時，當計數信號由高電平變為低電平時，T0所計時間即為觸發信號與計數信號相位上的時間差△T。兩信號相位差上的時間測量方法如圖4所示。可用所測得的周期將相位差上的時間差換算為以角度表示的相位差△Φ，換算公式為：△Φ=360°×（△T/T）。

圖4 信號相位差計算示意圖Fig.4 Symbolic diagram of signal phase difference calculation

3.4 信號占空比的計算

如圖5所示，將單片機“定時器/計數器”T0設置成定時方式，當計數信號由低電平變為高電平時，啟動T0計時，當計數信號由高電平變為低電平時，T0所計時間t為計數信號高電平持續時間，當計數信號由低電平變為高電平時，T0所計時間T為一個信號周期的時間。同時，將單片機“定時器/計數器”T1設置成定時方式，當觸發信號由低電平變為高電平時，啟動T1計時，當觸發信號由高電平變為低電平時，T1所計時間t為觸發信號高電平持續時間，當觸發信號由低電平變為高電平時，T1所計時間T為一個信號周期的時間。所以，信號占空比可由計算公式K=（t/T）×100%求得。

圖5 信號占空比計算示意圖Fig.5 Symbolic diagram of signal occupancy ratio calculation

3.5 水平角速度傳感器工作精度檢測

工作精度[7]指水平角速度傳感器轉過一定角度時輸出脈沖數的精度，正常情況下，水平角速度傳感器轉動固定角度時，對應輸出的脈沖數是固定的。用分辨率對較高的角度編碼器作為測量基準，與水平角速度傳感器同軸轉動進行檢測。由于角度編碼器的分辨率要比水平角速度傳感器分辨率高，所以可以確保檢測的準確性和可靠性。將單片機 “定時器/計數器”T0和T2設置成計數方式，在角度編碼器與水平角速度傳感器同軸轉動時，對水平角速度傳感器輸出脈沖和角度編碼器輸出的基準脈沖同時計數，根據角度編碼器與水平角速度傳感器同軸轉動固定角度時，二者輸出的脈沖數是否符合一定的對應關系，可對水平角速度傳感器的工作精度做出判斷。

3.6 水平角速度傳感器的驅動

在進行性能檢測時，要求方位角速度傳感器能與角度編碼器一同低速平穩轉動，以模擬傳感器在自行火炮炮塔內的運行環境，這樣才能確保檢測結果真實可靠。為此，采用步進電機作為同步驅動電機，帶動同軸聯動的方位角速度傳感器和角度編碼器轉動，并通過程序控制，實現方位角速度傳感器的正向和反向轉動，完成方位角速度傳感器正、反向轉動時各項性能指標的檢測。

3.7 軟件設計

軟件由主程序和信號狀態檢測、信號相位差計算、占空比計算和水平角速度傳感器工作精度檢測四個子程序組成。軟件用C51語言編寫。系統工作流程圖如圖6所示。

圖6 系統工作流程圖Fig.6 Flow chart of system operation

4 結 論

首先，項目運用單片機控制技術，實現了水平角速度傳感器性能的自動檢測。其次，通過對水平角速度傳感器輸出信號狀態檢測與故障判斷、信號相位關系檢測與相位差計算、信號占空比計算與輔助調整以及工作精度的檢測，實現了水平角速度傳感器性能的綜合檢測。第三，應用單片機定時/計數器以及高分辨率角度傳感器進行信號參數檢測，實現了水平角速度傳感器性能的精確檢測。另外，項目以計算機智能檢測代替人工檢測，提高了檢測效率，確保了檢測安全。

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[3]劉慧.傳感器及變換器測試儀[J].儀表技術與傳感器，2011（10）：29-31.

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[4]張麗楠.基于單片機的四通道數據采集器設計[J].計算機測量與控制，2011，19（12）：3172-3174.

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[5]張洪潤.傳感器原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2008.

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