基于某型艦炮的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與試驗*

談芳吟 孫寬雷 韓 峻

(1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033)(2.92056部隊 桂平 537200)

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基于某型艦炮的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與試驗*

談芳吟1孫寬雷2韓 峻1

(1.海軍工程大學(xué) 武漢 430033)(2.92056部隊 桂平 537200)

隨著艦炮一體化程度的提高,其結(jié)構(gòu)越來越精密,這對故障檢測及診斷提出了更高的要求。為了適應(yīng)這一需要,在深入研究某型艦炮結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,利用現(xiàn)代測試技術(shù),結(jié)合單片機(jī)技術(shù)和Labwindows/CVI開發(fā)平臺,設(shè)計出了某型艦炮自動機(jī)運行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并將其應(yīng)用于現(xiàn)役的某型艦炮上。實際應(yīng)用結(jié)果表明,它可穩(wěn)定地采集艦炮及自動機(jī)有效信息,并能通過上位機(jī)準(zhǔn)確地還原艦炮運動過程,為故障診斷提供了堅實基礎(chǔ)和可靠依據(jù)。

數(shù)據(jù)采集; 系統(tǒng)設(shè)計; 單片機(jī)技術(shù); Labwindows/CVI

Class Number TJ391

1 引言

由于現(xiàn)代艦炮自動化程度的提高,其結(jié)構(gòu)更加緊密復(fù)雜,加之較為惡劣的使用環(huán)境,其故障率也隨之升高[1]。傳統(tǒng)的故障檢測方法效率低下且難以認(rèn)知其故障規(guī)律,以預(yù)測可能發(fā)生的故障[2],故現(xiàn)代艦炮亟需更先進(jìn)的檢測手段及檢測設(shè)備。

隨著兵器動態(tài)測試技術(shù)的發(fā)展,聲發(fā)射技術(shù)在故障診斷中愈加凸顯出其優(yōu)越性[3]。鑒于此,筆者設(shè)計的艦炮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),在全方位地采集艦炮電氣信號的同時,還可實時采集艦炮運行時的聲信號,并通過后續(xù)的分析處理提取艦炮各狀態(tài)的特征信息,為艦炮運行狀態(tài)聲學(xué)特征數(shù)據(jù)庫的建立奠定一個堅實的基礎(chǔ)。

2 系統(tǒng)總體構(gòu)成

該艦炮數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用計算機(jī)嵌入式控制、分布式設(shè)計,由采集盒和顯示處理器兩部分構(gòu)成,采集盒由兩個模塊構(gòu)成:電氣信號模塊和聲信號模塊。電氣信號模塊通過CAN總線與艦炮各控制箱保持實時通信,以采集并存儲艦炮各傳感器、旋鈕及開關(guān)的電信號,如:在射控回路中安裝霍爾電流傳感器,通過采集、校對傳感器和射擊開關(guān)信號,可以檢測艦炮射控系統(tǒng)工作是否正常,并將結(jié)果實時顯示在操作界面。聲信號模塊在時鐘上與電氣信號模塊保持同步,并通過安置在采集盒內(nèi)的兩路聲傳感器,利用優(yōu)化算法,采集并儲存艦炮自動機(jī)運行時產(chǎn)生的聲信號。

顯示處理器是一臺平板計算機(jī),在其系統(tǒng)內(nèi)裝載基于Labwindows/CVI平臺編寫的上位機(jī)軟件,以用于分析處理采集盒中提取的電氣信號和聲頻信號,從而實現(xiàn)對艦炮的運行狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)測,以及對電氣故障進(jìn)行判別。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

一般的數(shù)采系統(tǒng)并不考慮聲信號的采集、分析,而本系統(tǒng)將電氣信號和聲信號有機(jī)結(jié)合,進(jìn)行同步采集、處理,以更全面地呈現(xiàn)艦炮的運動狀態(tài),由此也在硬件及軟件設(shè)計方面帶來了挑戰(zhàn)。

本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要是采集盒功能板的設(shè)計,包括電氣信號和聲信號采集兩個模塊的硬件電路設(shè)計,功能板如圖1所示。

圖1 采集板硬件實物圖

采集板主要功能是高效地采集、存儲、傳輸電氣及聲信號等,為實現(xiàn)這些功能,根據(jù)實際需求對各個子模塊進(jìn)行了科學(xué)設(shè)計。

C8051F060單片機(jī)具有多接口、操作簡單、工作穩(wěn)定等優(yōu)點,其集成有兩個1Msps、16位分辨率的ADC,以及兩個可工作在同/異步、全/半雙工方式的串行通信模塊UART0和UART1。由于艦炮機(jī)械特征信息即聲信號多集中在2KHz以下[2],而采集板內(nèi)部及采集板與上位機(jī)之間采用串行通信,故該單片機(jī)的各項技術(shù)指標(biāo)均能滿足采集板的需求。

每塊采集板選用兩片C8051F060單片機(jī),分別作為電氣信號和聲信號模塊的核心。通過將兩單片機(jī)的UART0對應(yīng)引腳相連,實現(xiàn)電氣信號和聲信號模塊間的異步通信,以便聲信號模塊獲得電氣信號模塊采集的開閂信號。兩單片機(jī)的UART1共享一個串口電平轉(zhuǎn)換芯片,即共用一個端口與上位機(jī)進(jìn)行通信。兩模塊的單片機(jī)通過按優(yōu)先級訪問其共用的PCF8563芯片,來獲取當(dāng)前系統(tǒng)時間,從而保證兩模塊在時鐘上的一致。

由于NAND Flash作為一種非易失性存儲器,具有體積小、功耗小、讀寫速度快等優(yōu)點。綜合考慮采樣率、艦炮持續(xù)工作時間、數(shù)據(jù)提取速度等因素,兩模塊均選用容量為8Gb的NAND08GW3C2A flash,并與單片機(jī)引腳直接相連,如圖2所示,NAND Flash的8位總線接單片機(jī)P2口,相應(yīng)控制接口接在單片機(jī)P3口上。

圖2 存儲器接線框圖

聲信號模塊與電氣信號模塊不同之處在于,其涉及傳聲器的選擇、濾波放大電路的設(shè)計等。選取結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻響好、輸出電平較高的駐極體式傳聲器,作為聲傳感器;由于艦炮在運行時的最大聲強(qiáng)在140分貝左右,故選取EPE9767型傳聲器,其可測聲強(qiáng)達(dá)150分貝,經(jīng)驗證,其滿足該型艦炮對測試設(shè)備最大聲強(qiáng)的具體要求。采用二階有源低通濾波,以降低系統(tǒng)頻率混疊[5]。選用音質(zhì)好、電壓范圍寬的功率放大器TDA2822,對其接線時采用立體聲式電路形式,以方便外圍電阻取值及后續(xù)信號的測量、處理。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計包括下位機(jī)軟件設(shè)計和上位機(jī)軟件設(shè)計,從而實現(xiàn)兩模塊準(zhǔn)確、高效地運行及對采得信號的有效處理。

4.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

通過對單片機(jī)編程,對數(shù)據(jù)采集方案和存儲方案等進(jìn)行設(shè)計,其總流程如圖3所示。

聲信號模塊采用變頻采樣方式[6]——系統(tǒng)在檢測到艦炮開閂信號之前,采用低頻采樣,而之后則采用高頻采樣——這是本系統(tǒng)設(shè)計的一個特色,可在存儲空間有限的情況下,提高有效數(shù)據(jù)的存儲量。為提高采樣速率,采用單片機(jī)的系統(tǒng)時鐘且不分頻,同時使用單片機(jī)定時器的自動重載方式。為使采集數(shù)據(jù)存儲快速穩(wěn)定,通過配置DMA接口相關(guān)寄存器,使ADC0轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)由DMA接口直接存至XRAM,從而避免了通過調(diào)用軟件操作的弊端。

圖3 系統(tǒng)下位機(jī)軟件總流程圖

存儲方案的設(shè)計是本系統(tǒng)的另一特色。系統(tǒng)將NAND Flash分為目錄區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)兩部分[7],以方便對數(shù)據(jù)的管理。目錄區(qū)為flash的前64頁,每頁使用2100字節(jié)的存儲空間,其余頁為數(shù)據(jù)區(qū)。

如表1所示,每條目錄由10字節(jié)組成,前6個字節(jié)為艦炮通電時間即數(shù)據(jù)采集結(jié)點,即每次數(shù)據(jù)提取時的單文件名,由年月日時分秒組成;后4個字節(jié)為16進(jìn)制表示的地址索引,用來表征單文件在數(shù)據(jù)區(qū)的起始地址。數(shù)據(jù)區(qū)每頁的2112個字節(jié)被分為四塊,如表2所示,除了10個字節(jié)的目錄標(biāo)志和1個字節(jié)的高頻采樣標(biāo)志以及53個字節(jié)備用,其余2K字節(jié)用于存儲采集的數(shù)據(jù)。

表1 目錄區(qū)存儲格式

表2 數(shù)據(jù)區(qū)存儲格式

由于單片機(jī)的處理器和DMA不能同時訪問片內(nèi)XRAM[6],故需進(jìn)行處理器和DMA接口交叉訪問XRAM方案的設(shè)計。即使數(shù)據(jù)要先通過DMA接口暫存至片內(nèi)XRAM,每當(dāng)采滿2KB數(shù)據(jù),單片機(jī)內(nèi)核便將片內(nèi)XRAM的數(shù)據(jù)讀取出來,轉(zhuǎn)存至NAND Flash中。因A/D轉(zhuǎn)換不需要單片機(jī)內(nèi)核的參與,故將單片機(jī)內(nèi)核訪問片內(nèi)XRAM設(shè)為系統(tǒng)的主程序,同時設(shè)定每當(dāng)ADC0完成一次轉(zhuǎn)換,便自動產(chǎn)生一個中斷,使內(nèi)核處理器進(jìn)入一個空的服務(wù)程序,而此時DMA接口可以訪問片內(nèi)XRAM,如此交叉進(jìn)行,保證了兩個過程互不干擾。系統(tǒng)每次中斷過程共需12個系統(tǒng)周期,而DMA轉(zhuǎn)存2字節(jié)數(shù)據(jù)需要8個系統(tǒng)周期,故此設(shè)計得以實現(xiàn)。

4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件包括艦炮綜合檢測系統(tǒng)GUI和數(shù)據(jù)提取與分析系統(tǒng)GUI,本處主要介紹后者的設(shè)計。軟件通過調(diào)用Labwindows/CVI中的RS-232庫函數(shù),實現(xiàn)串口配置及與下位機(jī)的通信。如圖4,打開串口1,將波特率配置為115200bps,命令如下:

OpenComConfig (1,"",115200,0,8,1,0,0);

打開串口后,點擊用戶界面上的“刷新列表”按鈕,程序響應(yīng)“獲取事件時間列表回調(diào)”函數(shù),此時,通過串口向下位機(jī)聲信號采集系統(tǒng)依次發(fā)送讀頁指令Y00000000～Y00000039,直到所有事件的目錄信息全部返回,然后程序會將采集到的目錄信息識別、整合并顯示在用戶界面的下拉列表控件中,供用戶選擇,如圖4右側(cè)框圖所示。

圖4 聲信號提取顯示及目錄區(qū)獲取流程圖

為充分利用單片機(jī)的空閑時間,系統(tǒng)采用多線程技術(shù)來執(zhí)行提取音頻數(shù)據(jù)回調(diào)函數(shù),實現(xiàn)如下:

CmtScheduleThreadPoolFunction(DEFAULT_THREAD_POOL_HANDLE,ACQUIREThreadFunction,NULL,&acquireThreadID);

在函數(shù)中,首先查到要提取事件在Flash中的內(nèi)存地址,并以其為文件名創(chuàng)建WAVE格式文件,然后把地址首、末頁分別賦給FIRST_PAGE和LAST_PAGE,據(jù)此提取數(shù)據(jù)。每提取一頁數(shù)據(jù)(2059字節(jié)),其中前2049字節(jié)—2048字節(jié)音頻數(shù)據(jù)+1字節(jié)高采標(biāo)志—轉(zhuǎn)存至剛創(chuàng)建的文件中;關(guān)閉文件,文件自動保存。在上述過程中,主程序一直檢測主面板的“停止”按鈕,點擊按鈕,停止標(biāo)志被置位;而在ACQUIREThreadFunction中每進(jìn)行一次讀寫循環(huán),都會檢查該標(biāo)志位,檢測到其被置位時便關(guān)閉并保存文件。

5 監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示及處理

主程序?qū)?shù)據(jù)提取完畢后,首先打開電氣信號數(shù)據(jù),此時程序會將各項電氣信號保存在不同的指針數(shù)組里,以便調(diào)用plot函數(shù)時的分類顯示。待電氣信號顯示完畢,主程序讀取聲信號數(shù)據(jù)文件,每次讀取2049字節(jié),并判斷最后一個字節(jié)的值,值為0代表低頻采樣,值為1代表高頻采樣,然后按照采樣率將其整合至一個數(shù)組中,并同步顯示在主面板上,顯示效果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)同步顯示界面

此外,主面板還增加了信號的播、縮放能。通過播放主面板信號,可以較為直觀地再現(xiàn)艦炮的運動形態(tài),如何時開閂何時擊發(fā)以及射擊彈量等,亦可以通過縮放功能,對聲信號數(shù)據(jù)波形進(jìn)行局部細(xì)節(jié)查看,以發(fā)現(xiàn)較為明顯的異常。

采用離線方式對采得數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步分析,即利用小波分析方法、盲源分離方法及Matlab軟件,對聲信號數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,從而得到不同時刻、不同狀態(tài)下的頻率信息,結(jié)合艦炮的工作狀態(tài),可形成艦炮的頻率特征庫。

6 結(jié)語

作為基于現(xiàn)代測試技術(shù)而設(shè)計的監(jiān)測系統(tǒng),本系統(tǒng)不僅能穩(wěn)定、高效地實時采集艦炮的電氣信號和聲信號,而且能準(zhǔn)確、全面地將其在上位機(jī)還原。試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)不僅滿足了設(shè)計初衷,而且為之后利用聲信號進(jìn)行故障分析,以及故障數(shù)據(jù)庫的建立,提供了較為詳細(xì)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支持,更為今后復(fù)雜的實時診斷系統(tǒng)的建立,提供了依據(jù)。

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Design and Test for Data Acquisition System of Naval Gun

TAN Fangyin1SUN Kuanlei2HAN Jun1

(1. Naval University of Engineering, Wuhan 430033)(2. No. 92056 Troops of PLA, Guiping 537200)

As the integrative degree of naval gun improves, its structure becomes more precision, which puts forward higher standards for failure detection and diagnose. In order to catch up these standards, based on the deep research of certain naval gun, with modern testing technology, combined with the technology of microcontroller and the Labwindows/CVI development platform, the data acquisition system of running automaton for a certain type of naval gun is designed, and is applied on a certain type of active naval gun. The result shows that the system can collect effective information of naval gun stably and its automatic mechanism, and can also restore the naval gun’s working stateaccurately, providing a solid foundation and reliable basis for fault diagnosis.

data acquisition, system design, single-chip microcomputer technology, Labwindows/CVI

2015年4月7日,

2015年5月26日

談芳吟,女,碩士研究生,研究方向:兵器測試技術(shù)。孫寬雷,男,碩士,研究方向:兵器測試技術(shù)。韓峻,男,碩士生導(dǎo)師,研究方向:兵器測試技術(shù)。

TJ391

10.3969/j.issn.1672-9730.2015.10.028