嵌入式坦克射擊訓練運動參數監測系統設計

邵思杰，劉全勝，林 海

(1.裝甲兵工程學院兵器工程系，北京100072;2.裝甲兵工程學院訓練部，北京100072)

單車射擊訓練是裝甲機械化部隊專業訓練的重要組成部分，是集單車指揮、武器操作、通信、駕駛于一體的綜合應用訓練。為規范訓練，保證質量，總參謀部頒發了《裝甲兵專業技術教范》(射擊專業)，對訓練的內容、條件、組織、考核進行了明確的規范。《教范》規定的單車射擊方式有原地、短停、行進間射擊3種，其中短停射擊應用最為普遍。短停射擊動作的質量標準反映在短停時間、躍進距離和躍進速度上，尤其短停時間既可反映射手的射擊技能，又可反映全車乘員的技術動作和協同動作。在坦克實彈射擊訓練中，全車的成績是由坦克行駛過程的平均速度、總行駛時間、短停次數、每次短停時間及射彈命中數來綜合評定的。因此需要通過技術手段來自動監測坦克實彈射擊過程中運動參數，記錄考核過程中的時間、速度、距離等數據，以保證考核的公正性和客觀性。

目前，在單車射擊訓練和考核時，采用人工方式僅對短停時間進行記錄。由于射擊過程中揚塵大，觀察距離遠(為保證記時人員的安全)，手動計時的誤差比較大，存在考核工作量大、主觀影響因素多、準確度差等問題，不能完全滿足部隊訓練考評需求。

本文研究的嵌入式坦克射擊訓練運動參數監測系統(以下簡稱“系統”)采用傳感器及計算機控制技術，實時監測坦克運行狀況，以坦克進入考核場地的時刻為相對初始時刻，以駛出考核場地的時刻為相對終止時刻，測量和記錄坦克的瞬時速度、短停時間、短停次數、總行駛時間、躍進速度、躍進時間等，并將上述結果以無線通訊的方式傳回后方指揮所，結合實彈射擊命中結果自動給出射擊成績，實現了短停射擊訓練成績的自動評定。

1 系統組成及主要功能

系統組成如圖1所示，由標志坦克進、出考核場地的地面標桿，車上嵌入式系統和終端處理3大部分組成。

圖1 系統組成框圖

地面標桿部分安裝于底座上，分置于考核跑道的兩端，其上安裝的線激光發射器產生的線激光信號被車上嵌入式系統的光電傳感器接收，并以此信號作為坦克在考核場地行駛總時間計時的起、止信號。安裝于坦克側甲板上的霍爾傳感器探頭正對以圓周方式均勻分布在車輪上的磁鋼，車輪轉動時，每一個磁鋼經過探頭都會使霍爾傳感器輸出一個信號，從而反映坦克的運動狀態:運動或停止。光電傳感器和霍爾傳感器的輸出信號輸入到AVR單片機系統，經過處理運算得到坦克的全部運動參數，并由無線數傳模塊傳送至終端處理部分的考核終端主機，進行數據的進一步處理、分析與結果輸出。

系統具備如下功能:

1)自動、實時、準確記錄坦克運動參數;

2)具有數據的無線傳輸功能，傳輸距離不小于2 km;

3)不對坦克進行改裝，適合多種車型;

4)適應野外行車環境。

2 機械結構設計

為了滿足不改裝坦克以及便于野外行車的需求，采用如圖2所示的機械結構設計，圖中虛線所框部分為車上嵌入式系統，由坦克蓄電池供電。將單片機控制電路的PCB板及無線通信模塊置于控制盒內，控制盒下端空心連桿內放置磁鐵，安裝時只需將車上嵌入式系統吸附在履帶上方車體上。為了避免太陽光對光電接收電路的影響，將光電接收電路的PCB板置于空心圓柱體內，將正對光電三極管的圓柱體表面開一細縫，組成光柵結構。

圖2 機械結構

3 系統硬件設計

系統的硬件設計主要包括光電接收電路設計、AVR單片機系統設計和無線通信電路設計。

3.1 光電接收電路設計

光電傳感器選用光電三極管，采用并聯方式實現線“與”功能，呈直線布于PCB板上。通過PNP三極管9012來增大光接收的靈敏度。光電接收電路如圖3所示。

坦克經過考核場地起點處地面標桿時，只要有一個光電三極管接收到線激光器的信號，三極管Qi立即導通，LR端輸出低電平信號至單片機，此為計時開始信號。同理，當車體經過跑道終點標桿的線激光器時，LR再次輸出低電平信號至單片機，此信號為計時終止信號。因此，根據LR輸出信號，單片機系統可以計算出坦克行駛的總時間，實現計時功能。

圖3 光電接收電路

3.2 AVR單片機系統設計

ATmega8是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器［1］。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega8的數據吞吐率高達每秒百萬條指令，從而可以緩解系統在功耗和處理速度之間的矛盾。另外，ATmega8的3個具有比較模式的靈活的定時器/計時器(T/C)、片內/外中斷以及可編程串行USART接口，可以方便地實現系統的計時、速度計算以及通訊功能。表1為ATmega8的主要管腳分配。

表1 ATmega8管腳分配

3.3 無線通信電路設計

采用上海商銳電子的SRWF-1028通用透明傳輸模塊［2］。該模塊工作頻率可在 403、433、470、868、915 MHz中選擇，傳輸距離遠，抗干擾能力強。同時，該模塊提供8種可選信道，具有TTL、RS232、RS485三種接口方式。

本設計中，用于終端處理部分的無線通信模塊選用RS232接口方式直接和終端考核主機相連。用于車上測試部分的無線通信模塊選用TTL接口方式和AVR單片機Atmega8的TXD、RXD相連。由于系統利用坦克蓄電池供電，為了避免發電機啟動、車載電臺工作、炮塔轉動、武器使用等坦克負載變化對電源的強電流干擾，無線通信電路采用光電隔離措施，電路設計如圖4所示。

圖4 無線通信電路

4 系統軟件設計

4.1 測速、計時軟件

4.1.1 測速軟件設計

利用霍爾傳感器進行測速時［3－5］，采用脈沖計數法:車輪旋轉時，傳感器產生一個或多個脈沖信號，脈沖信號送入單片機進行計數，通過單片機計算出坦克瞬時速度、短停時間、躍進距離，通過串口模塊發送到上位機進行數據的統計處理。測速處理軟件流程如圖5所示。

圖5 測速軟件流程

圖2所示的磁鋼一共有10個，均勻地分布于主動輪上，結合其到負重輪軸的距離，可以得出磁鋼間的距離，再除以所用的時間，從而得到坦克的瞬時行駛速度。坦克瞬時行駛速度低于某一設定值即認為坦克處于短停狀態，到再次運動為止的時間為此次短停時間。躍進距離由2次短停之間的時間乘以霍爾傳感器讀出的磁鋼個數，再乘以磁鋼間的距離計算得出。

4.1.2 計時軟件設計

坦克計時功能主要是利用光電傳感器接收坦克運行過程中的起始標桿和終止標桿的激光信號，觸發單片機計時器開始計時和終止計時來實現，此時間為坦克在射擊跑道上的用時。具體計時軟件流程如圖6所示。

圖6 計時軟件流程

4.2 系統上行通信協議

為了反映坦克行駛狀況以及為考核提供數據，嵌入式系統需要實時向終端PC發送信息，上行通信協議如圖7所示。

圖7 嵌入式系統上行通信協議

通信數據包以0xFF后跟0xAA、0x55兩個字節為幀頭;以0xFF后跟0x55、0xAA兩個字節為幀尾。這種形式在噪聲中不易發生，因而接收協議只接收這種幀頭和幀尾的數據包。通過發送協議嵌入式系統將坦克的編號、計時器啟動與停止狀況、計時時間、瞬時速度以及平均速度等信息發送到終端PC機上，作為乘員控制坦克和乘員之間配合熟練程度的成績。

5 結論

以前坦克單車射擊訓練時只能使用秒表人工計時，即對坦克在射擊跑道上的用時和短停時間進行手動計時。筆者設計的嵌入式坦克運動參數監測系統，可以在坦克行駛中實時監測坦克運行速度以及行駛時間、距離等運動參數，并通過無線通信的方式發送到考核終端，提供考核數據。系統使用簡單，拆卸方便、靈活，在野外行車環境下可靠性高，能夠不受強光照射、坦克行駛的揚塵、坦克電源電壓波動大等惡劣因素的影響。目前，此考評系統已在坦克實彈射擊訓練中得到應用，解決了坦克實彈射擊訓練中的成績綜合評定問題，提高了射擊訓練的信息化水平。

［1］馬潮，詹衛前，耿德根.ATmega8原理及應用手冊［M］.北京:清華大學出版社，2002.

［2］上海桑銳電子科技有限公司.SRWF-1028(V1.5)無線模型使用說明書［EB/OL］.［2011-11-01］.http:∥www.51sunray.com

［3］楊繼生，劉芬.霍爾傳感器A44E在車輪測速中的應用研究［J］.電子測量技術，2009，32(10):100-102.

［4］路國慶，趙曉博，胡立強，等.脈沖檢測方法的霍爾傳感器在里程表中的應用［J］.機械設計與制造，2009(1):87-88.

［5］丁芝琴.基于霍爾傳感器的電機測速裝置設計［J］.農機化研究，2010(5):81-83.