牽引火炮輪胎狀態數據自動監測與報警系統設計*

胡朝根,焦貴偉

(1.陸軍軍官學院兵器工程教研室,合肥 230031;2.陸軍軍官學院研究生管理大隊,合肥 230031)

項目來源:裝備預研基金項目(9140A27020314JB91441)

2017-02-16修改日期2017-07-07

牽引火炮輪胎狀態數據自動監測與報警系統設計*

胡朝根1*,焦貴偉2

(1.陸軍軍官學院兵器工程教研室,合肥 230031;2.陸軍軍官學院研究生管理大隊,合肥 230031)

牽引火炮是當前部隊裝備很多的炮種,行軍要通過牽引車牽引車輪運動,因此牽引火炮輪胎的狀態參數是火炮行軍過程中的需要密切關注掌握的情況。針對目前炮兵部隊尚無專門設備對行軍中火炮輪胎狀態進行監測這一狀況,基于現代傳感器技術、單片機技術以及無線傳輸技術,介紹設計了一種牽引火炮輪胎狀態數據自動監測和報警系統。分析了系統的總體設計,硬件設計,軟件設計,進行了驗證分析,結果表明此系統能夠實現牽引火炮在行軍中的溫度壓力等狀態的實時準確監測,有效防止輪胎爆胎,減少輪胎的損毀,避免故障發生,降低火炮的非戰斗損失,具有很強的實用性。

牽引火炮;輪胎;監測與報警系統;傳感器;無線傳輸

輪胎作為牽引火炮運動體的核心部分,其溫度壓力值的正常與否決定著牽引火炮在行軍過程中的安全以及火炮正常作戰功能的發揮。在行軍過程中,胎溫過高,胎壓過壓和欠壓都會影響輪胎的正常使用壽命。行軍過程中輪胎異常溫度壓力還會相互影響,產生惡性循環。胎壓過高,輪胎摩擦力、附著力降低,影響制動效果,同時輪胎耐軋性能下降,遇尖銳物體導致爆胎;胎壓過低,輪胎變軟,與地面摩擦增大,牽引車油耗上升,過度碾壓導致輪胎磨損、老化加劇,同時也會使溫度升高,導致爆胎。火炮輪胎溫度壓力異常引起的故障輕則造成輪胎壽命降低,增加裝備維護費用,重則造成人員傷亡,延誤作戰時機。而如果在火炮輪胎狀態數據異常時就能發現并及時處理,就能將非戰斗損失降到最小。因此,對牽引火炮輪胎的溫度壓力進行實時監測和報警具有十分重大的意義[1]。

目前各炮兵部隊對火炮輪胎溫度壓力尚無專門的配套監測設備,僅靠原始人工觀察。針對牽引火炮在行軍過程中輪胎狀態數據的重要性,以及變化波動不易察覺,很難預防的特點,筆者利用傳感器技術,單片機技術以及無線傳輸技術,設計了一種牽引火炮輪胎狀態數據實時監測和報警系統[2]。不僅能對單門火炮輪胎狀態數據進行監測,還可以對牽引火炮編隊行軍中的狀態數據變化進行監測和管理,同時在超過臨界值時進行聲光報警,提醒分隊人員及時停止行軍進行處理,避免了事故的發生,保證作戰任務的順利完成,延長了輪胎的使用壽命,節省了維修的人力物力,能顯著提高部隊裝備的信息化管理水平。

1 系統總體結構設計

牽引火炮輪胎狀態數據自動監測和報警系統由數據檢測發射裝置、無線中繼裝置、接收顯示手持終端和PC機組成[3]。系統總體結構框圖如圖1所示。無線中繼裝置為選用部分,當牽引火炮編隊行軍時縱深過大時,為保證通信傳輸質量,安裝無線中繼裝置。數據檢測發射裝置由多類傳感器、微控制模塊(MCU)以及RF發射模塊等構成,主要將檢測到的狀態數據信號發送給中繼裝置或手持終端。接收顯示手持終端包含多個功能部分,主要是接收傳感器發送的信號,經過解調,處理,顯示,報警,同時將所有采集到的數據通過無線傳輸模塊發送給PC機。PC機主要是將監測到的實時數據以變化曲線形式顯示出來。本系統所有數據流均采用無線模塊來進行傳輸,減少了線路的設置,快捷高效,數據流方向如圖2所示[4]。

圖1 系統總體結構框圖

圖2 數據傳輸圖

系統工作過程如下:在建制規模的牽引火炮的每個輪胎輪轂處安裝一個胎壓傳感器,利用智能傳感器中的溫度、壓力、加速度、電壓傳感器測量各狀態參數,A/D轉換后送入存儲模塊,處理器檢測到火炮開始行軍時(通過徑向加速度傳感器),RF發射模塊則以特定頻率向接收顯示手持終端發射檢測到的數據信號,火炮行軍停止時,發射裝置進入省電狀態;手持終端在接收發射裝置的RF信號,進行轉換,譯碼,提取出各個狀態數據,存儲,以RF信號形式發送給PC機(上位機),同時送入中央處理模塊,當某輪胎數據值超過設定標準值時,處理器驅動進行聲光報警,并在液晶屏上顯示火炮編號,輪胎位置及異常值;PC機在接收到手持終端無線傳輸過來的實時檢測數據,包括溫度、壓力、加速度、電池電壓等,在顯示屏上以變化曲線的形式顯示[5]。

本系統主要是監測火炮輪胎的溫度壓力,手持終端通過提前設定合理的危險臨界值,在行軍過程中達到異常狀態及時報警,顯示異常處位置和狀態值。而PC機上顯示的狀態實時變化曲線則能給編隊指揮人員提供依據,指揮人員可以通過分析其規律及時預警,調整部署,比如輪胎緩慢漏氣不易引發報警的現象,同時在牽引火炮編隊在返回炮場時可根據胎壓,電池電壓等狀態曲線,進行輪胎維護等保養工作,提高裝備保障效率。

2 系統的硬件設計

2.1 數據發射裝置硬件設計

數據檢測發射裝置的硬件主要是由將傳感器與單片,所需RF機以及RF發射模塊集成封裝的智能傳感器構成。本系統采用的是德國Infineon公司的SP37胎壓監測傳感器,該傳感器集成度高,小型化,功耗低,符合系統設計要求。其內部結構示意圖如圖3所示。它采用系統級封裝(SIP),集成了范圍從100 kPa～450 kPa的壓力傳感器、徑向加速度傳感器、溫度傳感器、電源電壓傳感器,嵌入8051兼容的8 bit微控制器、6 KB片上閃存存儲器、256 Byte RAM,低功耗RF發射機,高靈敏度LF接收器[6-7]。SP37接收到的數據信號處理后,以434 MHz的FSK調制方式從RF天線發射出去。電源供電方式采用3 V紐扣電池供電,內置電源管理模塊,通過行駛速度不同工作在不同模式,以減小功耗,可以使用較長時間。SP37工作溫度范圍在-40 ℃～+125 ℃,在惡劣環境下具有高度可靠性,可在野戰條件下穩定工作。

圖3 SP37結構示意圖

2.2 無線中繼裝置硬件設計

無線中繼裝置由收發器IA4421,微控制器MC9S08DZ60以及電源模塊構成。結構示意圖如圖4所示。

圖4 無線中繼裝置結構示意圖

選用的IA4421是一款單晶片低功耗,多頻道的FSK收發器,工作在無須注冊的433M、868M、915M頻段。它是一個完整的收發機,內部集成了高功率放大器(PA)、低噪聲放大器、I/Q轉換混頻器、基帶濾波器、中頻放大器、信號強度指示等RF功能模塊,外設電路簡單,性能穩定可靠。

MC9S08DZ60內部為40 MHz的時鐘頻率,20 MHz的總線速率,具有60 KB Flash存儲器,4 KB的RAM,2 K的EEPROM在線可編程內存,大容量的存儲空間可以保證開發軟件代碼的完備性。設置參數如輪胎ID、工作模式等可以存儲在EEPROM存儲,保證掉電數據不丟失,上電無需重新設置,提高了系統可靠性。單片機內部還有SPI模塊,RF芯片可通過SPI總線與單片機連接。

2.3 手持終端硬件設計

接收顯示手持終端采用功能模塊化設計,與檢測發射裝置結構類似,結構示意圖如圖5所示。內部系統分為中央處理模塊、RF傳輸(收發)模塊、信息顯示模塊、數據存儲模塊、聲光報警模塊、電源管理模塊。中央處理模塊作為手持終端的主控模塊,以Freescale公司的MC9S12XS128MAL作為中央處理芯片,MC9S12XS128MAL是16 bit單片機,由16 bit中央處理單元(CPU12X)、128 KB程序Flash、8 KB RAM、8 KB數據Flash組成,112引腳封裝,可以集成多種模塊,符合系統設計的要求。無線收發模塊使用與中繼裝置相同的IA4421,信號經FSK調制以434 MHz頻段發射[8]。

圖5 接收顯示手持終端結構示意圖

整個手持終端采用鋰電池供電,為了減小功耗,嵌入了電源管理模塊,設計時注重充電控制避免過沖和電池的欠壓保護,利于延長電池使用壽命。

3 系統的軟件設計

系統的軟件設計主要包括數據通信協議,檢測發射裝置的軟件設計,無線中繼裝置的軟件設計,手持終端的軟件設計,以及加密算法設計。

3.1 數據傳輸通信協議

該系統無線傳輸頻段采用434 MHz的通用標準,調制方式為頻移鍵控調制(FSK),傳輸波特率為9 600 bit/s。同步傳輸過程中,系統信源編碼采用曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼可編碼同步位流的時鐘和數據,抗干擾性能強,能自動同步。傳輸數據在發送前,需重新編排,為使數據有效傳輸,采用CRC循環冗余校驗,傳感器發射的每幀數據格式如表1所示[9]。

表1 數據幀格式

其中前導碼2 byte,由SP37自動生成,需預先設置在手持終端芯片的內部寄存器中,只有前導碼與寄存器中的相匹配,才開始接收;標識碼1 byte;用于標識數據幀來自傳感器;設備ID為4 byte,用于標識火炮輪胎的位置信息;溫度、壓力、加速度、電壓等數據根據傳感器的量程,均為1 byte;CRC校驗和1 byte,用于檢驗接受數據是否準確。

3.2 數據檢測發射裝置軟件設計

檢測發射的主程序如圖6所示,主要進行數據的采集,A/D轉換,送入微處理器編碼發送無線信號。同時通過SP37內置的加速度傳感器來判斷火炮的運動與停止,進而控制檢測數據的發射間隔,進而降低功耗。運動時每隔6 s發射一次狀態數據;停止時,進入省電狀態,每隔2 min發射一次數據。系統每小時復位一次,以保證可靠性。

圖6 檢測發射裝置主程序流程圖

圖7 中繼裝置主程序流程圖

3.3 中繼裝置軟件設計

無線中繼軟件主要是對RF信號進行中繼,即接收傳感器發射的信號,驗證數據正確性后,以相同頻段和波特率將數據幀重新發送出去,供手持終端接收。中繼裝置處理流程圖如7所示[10-11]。

3.4 手持終端軟件設計

手持終端在接收到發射過來的射頻信號后,解析出數據值,先檢驗數據完好性,然后將輪胎的ID信息與提前設定好的信息進行驗證,得出輪胎序號,若輪胎ID不匹配數據不完備則丟棄數據幀重新接收新數據,數據驗證完畢后轉碼送入存儲器存儲,同時將數據發送給PC機[12]。微處理器將正確數據與設定好的閾值進行比較,若符合報警條件則進行聲光報警并在顯示器上顯示出輪胎位置和異常狀態值,否則繼續接收數據進行下一次判別。程序流程圖如圖8所示。

圖8 手持終端主程序流程圖

3.5 加密算法設計

由于野戰環境存在各種電磁干擾,在通信過程中會使數據一定程度上產生差錯,同時基于軍用通信的保密性要求,為提高系統的安全性和可靠性,設計了一種加密算法。在檢測發射裝置發送無線數據信號之前,加密數據。手持終端相應的也要先對接收的數據進行解密,若解密后不能通過校驗,則說明數據錯誤,丟棄數據幀。

加密算法設計:發送的數據幀共13 byte,對前6 byte和后7 byte采用兩種處理方式。前6 byte,設為A={A0A1A2A3A4A5},對A先循環右移3位得B,B按位取反得C,C循環左移3位得到D。后7 byte,設為G={A6A7A8A9A10A11A12},對G先按位取反得到H,H再循環左移4位得到I,I再按位取反得到J。而手持終端接收到無線信號后,進行相應的反操作解密得到A和G,最后計算是否A0^A1^A2^A3^A4^A5^A6^A7^A8^A9^A10^A11=A12,來驗證數據可靠性。

4 實驗分析

為了驗證該系統能否準確反應狀態變化,用加裝該系統的某型牽引火炮在2 km野外行軍條件下,控制行軍速度逐漸加快,勻速行駛一段距離后停止行軍,采集30組數據,所得變化曲線如圖9所示。

圖9 行軍過程壓力溫度變化曲線

從曲線總體走勢上可以看出,溫度和壓力的變化是同步的,這是由于輪胎內部可看做定容條件,根據氣體方程可知壓力和溫度是成正比的。火炮開始行軍時,輪胎與地面摩擦生熱,溫度由初始常溫逐漸升高,壓力也逐漸上升,當速度加快時摩擦加劇,溫度大幅度上升,壓力也同步上升,停止行軍時,摩擦停止,胎溫下降,壓力緊跟下降。總體來說,得到的壓力溫度曲線能夠真實有效反映行軍過程中的壓力溫度變化過程,通過設定好合理的閾值就能很好達到監測報警目的。

為驗證該系統的數據準確性和報警性能,以氣壓數據為例,對某加裝該系統的火炮輪胎先降壓放氣,再緩慢充氣到標準壓力,期間停頓數次采集輪胎壓力數據,再與專用胎壓測試表的測量值進行比對,得出表2的實驗數據。

表2 實測數據 單位:MPa

從實驗數據可以看出:本系統測試的數據準確性很高,當輪胎氣壓低于0.810 MPa時,輪胎氣壓過低,本系統會立即報警,氣壓位于0.813MPa ～0.820 MPa屬于正常胎壓范圍內,系統不會報警,當氣壓高于0.830 MPa,輪胎有爆胎風險,本系統也會提示報警。綜上可知,本系統滿足設計的功能要求,能準確測量并及時報警。

5 結束語

本文設計的系統能有效對牽引火炮行軍時輪胎狀態數據進行實時監控和自動報警,該系統準確度高,外圍電路少,功耗低,抗干擾性強,操作簡單,能顯著降低了牽引火炮的非戰斗損失,提高了部隊裝備的數字化水平,具有很強的實用和推廣價值。

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DesignofAutomaticMonitoringandWarningSystemforStateDataofTireofTowedGun*

HUChaogen1*,JIAOGuiwei2

(1.Weapon Engineering Section,Army Officer Academy,Hefei 230031,China; 2.Company of Postgraduate Management,Army Officer Academy,Hefei 230031,China)

Towed gun which was equipped in the army a lot,marches by pulling wheels with motor tractor,so towed gun’s tire state data should be paid close attention to in the process of artillery marching. Aimed at the situation,there are no special equipment for monitoring gun’s tire state in the marching,this paper describes the design of an automatic monitoring and warning system for state data of tire of towed gun based on the technology of modern sensor,microcontroller and wireless transmission. This paper performs the overall design of the system,hardware design,software design and test analysis. The test showed that the system,with strong practicability,can monitor real-time temperature and pressure in the marching accurately,effectively preventing the tire burst,avoiding failure,reducing the damage of the tire and the non-combat loss.

towed gun;tire;monitoring and warning system;sensor;wireless transmission

TJ303.9

A

1004-1699(2017)10-1608-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.10.026

胡朝根(1960-),男,學士,安徽合肥人,陸軍軍官學院兵器工程教研室副教授,長期從事兵器技術勤務檢查、火炮身管檢測和火炮壽命預測的教學和科研工作,15375549483@163.com;

焦貴偉(1993-)男,安徽淮南人,碩士研究生,主要研究方向從事兵器檢測技術,火炮壽命預測、精準射擊等方面的研究,465911725@qq.com。