基于PC/104的某型自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置檢測(cè)系統(tǒng)

崔云先，郭立明，呂作良，安陽(yáng)，祁洋

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大連大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，遼寧 大連 116028)

基于PC/104的某型自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置檢測(cè)系統(tǒng)

崔云先1，郭立明1，呂作良2，安陽(yáng)1，祁洋1

(1.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028;2.大連大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，遼寧 大連 116028)

針對(duì)某型自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置在實(shí)際應(yīng)用中的測(cè)試和維修需求，研制了一種基于PC104工業(yè)主板的自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置檢測(cè)系統(tǒng).該檢測(cè)系統(tǒng)以PC104工業(yè)主板為硬件核心，通過PC104總線控制PCM-3718HG數(shù)據(jù)采集模塊采集數(shù)據(jù)，采用NI公司的LabVIEW軟件編譯檢測(cè)軟件系統(tǒng).系統(tǒng)可完成信號(hào)的采集、實(shí)時(shí)運(yùn)算、數(shù)據(jù)波形實(shí)時(shí)顯示、故障分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能.該檢測(cè)設(shè)備操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，大大縮短了設(shè)備維修時(shí)間，為該型號(hào)自行榴彈炮武器系統(tǒng)的快速維護(hù)提供了有力保障.

榴彈炮；供輸彈驅(qū)動(dòng)控制；PC104；LabVIEW；檢測(cè)系統(tǒng)

0 引言

在當(dāng)今信息化時(shí)代，戰(zhàn)爭(zhēng)呈現(xiàn)高技術(shù)特征，隨之武器裝備的快速保障也成為軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力提升的重要保證.某型自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置主要功能是控制炮管、協(xié)調(diào)器、彈倉(cāng)等設(shè)備的協(xié)調(diào)工作，實(shí)施對(duì)地面目標(biāo)的精確打擊.目前，該型號(hào)自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置并沒有適合基層二級(jí)或中繼級(jí)修理機(jī)構(gòu)的檢測(cè)設(shè)備，該控制裝置如果需要修理，必須拆卸后送到裝備有相應(yīng)型號(hào)自行榴彈炮檢測(cè)車的一級(jí)維修機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試、維修.該控制裝置的拆卸、運(yùn)輸?shù)冗^程需要浪費(fèi)大量時(shí)間，嚴(yán)重影響了該型號(hào)自行榴彈炮的保障效率和部隊(duì)的應(yīng)急作戰(zhàn)能力.因此，急需研制一種自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置檢測(cè)系統(tǒng) ，用于基層二級(jí)或中繼級(jí)修理機(jī)構(gòu)的檢測(cè)維修.

1 供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置的基本功能與要求

某型自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置，已預(yù)留出數(shù)據(jù)采集接口.對(duì)該裝置進(jìn)行檢測(cè)時(shí),需開啟自行榴彈炮輔機(jī)，通過操縱自行榴彈炮控制箱輸出炮管、協(xié)調(diào)器和彈倉(cāng)工作指令,并同時(shí)通過數(shù)據(jù)采集接口采集自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置輸出的指令信號(hào)和相應(yīng)設(shè)備的工作信號(hào)，將采集到的信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)值數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比較，從而自動(dòng)判斷并顯示檢測(cè)結(jié)果.同時(shí)，需要實(shí)時(shí)顯示檢測(cè)信號(hào)波形、存儲(chǔ)檢測(cè)結(jié)果，以便后期查看結(jié)果、總結(jié)故障規(guī)律.

表1 待測(cè)信號(hào)與信號(hào)特征

此外，檢測(cè)系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)要求防震性能好,方便拆卸，操作簡(jiǎn)單[1]；能夠準(zhǔn)確采集各項(xiàng)被測(cè)信號(hào)值，測(cè)量誤差不超過0.5%；能夠多通道并行依次進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，最低采樣頻率50 kHz；能夠?qū)崟r(shí)顯示并記錄保存測(cè)試信息結(jié)果，按輸入條件隨時(shí)查詢測(cè)試結(jié)果.榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置中所需測(cè)試信號(hào)及信號(hào)特征如表1所示.

2 檢測(cè)系統(tǒng)硬件組成

根據(jù)某型榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)必須能夠滿足野戰(zhàn)和惡劣環(huán)境下的便攜儀器的需要，采用小體積、高可靠性的嵌入式系統(tǒng).與通用型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相比，嵌入式系統(tǒng)具有功耗低、可靠性高、功能強(qiáng)大、性價(jià)比高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、支持多任務(wù)、占用空間小、效率高等特點(diǎn)，可面向特定應(yīng)用，根據(jù)需要靈活定制，并越來越多地應(yīng)用到測(cè)控領(lǐng)域[2].基于驅(qū)動(dòng)控制裝置的檢測(cè)需求,結(jié)合成本控制要求，在滿足全部測(cè)試任務(wù)和一定的擴(kuò)展性的前提下，構(gòu)建了基于PC/104的嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái).硬件設(shè)備主要包括PC104嵌入式工業(yè)主板、PCM- 3718HG數(shù)據(jù)采集卡、AA084XA03型8.4寸工業(yè)LCD液晶屏、觸摸屏等，以及自行研制的電源系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理板和矩陣鍵盤等.系統(tǒng)原理圖如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)原理圖

2.1 PC/104嵌入式工業(yè)主板

由于設(shè)備應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，根據(jù)供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置的測(cè)試需求，選擇Advantech公司的PCM3362N-S6型嵌入式工業(yè)主板，該主板集成Intel Atom N450低功耗處理器，工作主頻最高可達(dá)1.66 GHz，能夠充分滿足對(duì)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的要求.在接口方面，提供18/24位TFT LCD接口，PC/104總線接口，以及USB等多種外設(shè)接口[3- 4].能夠在溫度范圍為-40～+85℃、相對(duì)濕度范圍為5%～95%的環(huán)境下正常工作[5].

2.2 數(shù)據(jù)采集卡

由于需要采集的供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置的9路信號(hào)均為模擬電壓信號(hào)，為了配合使用PC/104工業(yè)主板，采集卡選用Advantech公司的PCM- 3718HG數(shù)據(jù)采集卡.它是一種高性能多功能數(shù)據(jù)采集模塊，提供16單端或8微分模擬輸入接口，輸入信號(hào)范圍0～10 V，以及12位A/D轉(zhuǎn)換器，通過DMA(直接存儲(chǔ)器存取)轉(zhuǎn)移，采樣率可達(dá)100 kHz.該采集卡能夠通過PC104總線接口直接與PCM3362N-S6型嵌入式工業(yè)主板連接，利用標(biāo)準(zhǔn)的固定孔進(jìn)行固定，形成棧接式的緊湊結(jié)構(gòu)[3].

2.3 信號(hào)調(diào)理板

由于供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置待測(cè)信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，范圍在0～28 V之間，所選采集卡輸入模擬信號(hào)電壓范圍為0～10 V，所以要對(duì)待測(cè)信號(hào)進(jìn)行處理，以匹配采集卡的輸入范圍[6].同時(shí)搭建數(shù)據(jù)采集卡PCM3718HG與自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置檢測(cè)端口之間的信號(hào)通道.根據(jù)各路待測(cè)信號(hào)特征，將所需信號(hào)進(jìn)行濾波、衰減或電平處理輸入計(jì)算機(jī).為了減小負(fù)載對(duì)測(cè)試信號(hào)的影響，根據(jù)電阻串聯(lián)分壓公式

(1)

選擇R1=11kΩ,R2=100kΩ,將信號(hào)衰減為原來的1/10，以滿足采集卡對(duì)輸入電壓信號(hào)的要求.

采用濾波器在一定的頻率范圍內(nèi)去除干擾噪聲.幾乎所有的數(shù)據(jù)采集應(yīng)用都會(huì)在一定程度上受到來自于電線或機(jī)械設(shè)備等50Hz或60Hz的噪聲影響[7].為了最大程度上抑制50Hz或60Hz噪聲而專門設(shè)計(jì)了低通濾波器.RC無(wú)源濾波器截止頻率計(jì)算公式

(2)

當(dāng)選用相同截止頻率值時(shí)，電阻越小，負(fù)載對(duì)濾波器的影響越小.取R=2kΩ，由式(2)計(jì)算得出C=2μF.信號(hào)調(diào)理板前端電路如圖2所示.

圖2 信號(hào)調(diào)理板電路

2.4 鍵盤

鍵盤功能主要有按鍵識(shí)別、去抖、發(fā)送掃描碼、自動(dòng)重發(fā)、接收鍵盤命令、處理命令等.為實(shí)現(xiàn)設(shè)備的簡(jiǎn)單操作，鍵盤采用4行×6列的矩陣行列結(jié)構(gòu)，采用行掃描法識(shí)別按下的按鍵.

89C51單片機(jī)有4個(gè)8位I/O端口,因此可以采用P0口的4個(gè)(P0.0-P0.3)作為行掃描線.P2口的6個(gè)(P2.0-P2.5)作為列輸入線.采用P3.0、P3.1作為數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線與PC系統(tǒng)進(jìn)行通信.鍵盤硬件原理圖如圖3所示.單片機(jī)主程序流程圖如圖4所示.

圖3 鍵盤硬件原理圖

圖4 主程序流程圖

鍵盤與PC104工業(yè)主板通過一個(gè)五芯插座相接，4個(gè)有效引腳的定義分別是電源(VCC)、地(GND)、串行時(shí)鐘線(CLK)、串行數(shù)據(jù)線(DATA).其接口如表2所示.

2.5 電源系統(tǒng)

為了適應(yīng)野戰(zhàn)環(huán)境要求，電源由自行榴彈炮自身提供+24V直流電壓源，需分別為PC/104工業(yè)主板和散熱器提供12V和5V直流電壓源.根據(jù)需求，采用SF24S12- 10W模塊和SF24S5- 20W模塊構(gòu)成設(shè)備電源系統(tǒng).其中SF24S12- 10W模塊為24V輸入，12V輸出，輸出功率10W，SF24S5- 20W模塊為24V輸入，5V輸出，輸出功率20W.電源入口采用自熔斷恢復(fù)器保護(hù)電路安全.模塊前端采用LC濾波，使電源更加穩(wěn)定、可靠.

3 檢測(cè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)軟件基于Windows2000操作系統(tǒng)，在LabVIEW環(huán)境下編寫面向?qū)ο蟮目梢暬瘧?yīng)用程序.軟件采用模塊化設(shè)計(jì)[8]，其主要功能是控制PC104計(jì)算機(jī)采集自行榴彈炮供輸彈驅(qū)動(dòng)控制裝置檢測(cè)端口的輸出信號(hào)，將實(shí)際采集值與理論基準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，最終判斷并顯示和存儲(chǔ)結(jié)果.

為了能夠更好地顯示測(cè)試結(jié)果，軟件中除表針和數(shù)字窗指示測(cè)試結(jié)果外，還設(shè)置了波形顯示窗口、故障指示燈等顯示方式，能夠?qū)崟r(shí)顯示采集的信號(hào)波形，提示檢測(cè)項(xiàng)目運(yùn)行狀態(tài).同時(shí)能夠根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中已知故障數(shù)據(jù)進(jìn)行故障分析，幫助檢修人員完成快速診斷.檢測(cè)儀單項(xiàng)測(cè)試界面如圖5所示.同時(shí)該軟件可提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能，每次測(cè)試的結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便技術(shù)人員對(duì)故障原因進(jìn)行分析、總結(jié)，最終對(duì)故障數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行升級(jí).歷史檢測(cè)數(shù)據(jù)查詢界面及檢測(cè)數(shù)據(jù)如圖6所示.

圖5 單項(xiàng)測(cè)試界面圖

圖6 檢測(cè)數(shù)據(jù)查詢界面圖

軟件程序調(diào)用第三方控件，循環(huán)采集數(shù)據(jù)采集卡各通道數(shù)據(jù)，通過判斷、比較，最終將所需結(jié)果顯示在前面板.數(shù)據(jù)采集部分程序框圖如圖7所示.

圖7 數(shù)據(jù)采集部分程序框圖

4 結(jié)論

本測(cè)試系統(tǒng)以PC104工業(yè)主板為硬件核心，具有小體積、高可靠性等特點(diǎn)，能夠滿足惡劣環(huán)境下的便攜儀器的需要.軟件系統(tǒng)以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，其人機(jī)界面友好，功能強(qiáng)大；開發(fā)效率高、可維護(hù)性強(qiáng)；測(cè)試精度高、穩(wěn)定性和可靠性能得到充分保證；具有很高的性價(jià)比.檢測(cè)結(jié)果表明，測(cè)試系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、穩(wěn)定、連續(xù)地提供自行榴彈炮供輸彈系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)信息，從而能更好地掌握驅(qū)動(dòng)控制裝置的工作狀態(tài)，為自行榴彈炮武器系統(tǒng)的快速維護(hù)提供了保障.

[1]丁超.基于PC104的視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2010.

[2]ZHANGYE,LIWENXING.TheDesignofVibrationMonitoringSystemBasedonPC104Bus[J].ProcardiaEngineering,2011,15：3911- 3915.

[3]張志勇,李亮.基于PC104總線技術(shù)和EVC軟件平臺(tái)的分布式測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011,24(10):3- 5.

[4]吳昊.USB-PC104接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：四川大學(xué),2005.

[5]張武,張春華,唐勁松,等.基于PC/104-Plus總線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2006(1):57- 60.

[6]胡明華.基于PC104工控機(jī)的切割機(jī)數(shù)控系統(tǒng)研制[D].成都：西南交通大學(xué),2011.

[7]房紀(jì)濤.基于PC104總線的數(shù)據(jù)采集儀與數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的研究開發(fā)[D].淄博：山東理工大學(xué),2006.

[8]陳勇,劉曉平,應(yīng)懷樵.基于PC104的高性能便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].測(cè)控技術(shù),2009(1):28- 31.

A Detection System of Ammunition Drive Control Device for a Howitzer based on PC/104

CUI Yunxian1,GUO Liming1,LYU Zuoliang2,AN Yang1,QI Yang1

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.School of Economic and Management,Dalian University,Dalian 116028,China)

A drive control device detection system is developed to detect the accuracy of transport ammunition for howitzer with PC104 industrial motherboard as the core.To cope with a drive control device testing and maintenance requirements in practical application,the detection system uses the compile testing software Lab VIEW to collect data through PCM- 3718-HG data acquisition module which controlled by PC104 bus.The system has functions such as signal acquisition,real-time operation,waveform data real-time display,fault analysi and data storage.The equipment provides a powerful guarantee,with simple operation,stable performance and short maintenance time for the rapid maintenance of the howitzer weapon system.

howitzers;ammunition drive control;PC104;Lab VIEW;detection system

1673- 9590(2015)01- 0051- 04

2014- 04- 14

遼寧省教育廳高等學(xué)校科學(xué)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目(L2013184);遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(201202024)

崔云先(1963-)，女，教授，博士，主要研究方向?yàn)閭鞲衅髋c測(cè)試技術(shù)，先進(jìn)制造技術(shù)的研究

E-mail:dlcyx007@126.com.

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