一種靶載嵌入式遙測監(jiān)控裝置設(shè)計

吳春光，何四華，劉成浩

(中國人民解放軍92941部隊，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

在反艦類武器系統(tǒng)考核試驗中，經(jīng)常會在被攻擊的靶船上安裝如目標特性實現(xiàn)、船體姿態(tài)測量和中靶數(shù)據(jù)采集等必要的設(shè)備，該類設(shè)備統(tǒng)稱為靶載設(shè)備[1]。靶載設(shè)備多數(shù)工作在無人值守的環(huán)境下，特別是在海上環(huán)境惡劣、保障時間不確定的情況下，如何實時獲取設(shè)備工作狀態(tài)尤為重要。同時在延長設(shè)備電源工作時間或恢復設(shè)備初始工作狀態(tài)時，要求靶載設(shè)備必須具備遠程遙控開關(guān)機功能，以達到靈活控制設(shè)備工作狀態(tài)的目的。

遙測監(jiān)控類裝備在國內(nèi)已有廣泛應用，其中在船舶主機遙控[2-4]和移動機器人遠程遙控[5-6]等方面應用較為廣泛。盧超[7]利用GSM網(wǎng)絡(luò)，采用2片單片機為控制核心，設(shè)計了一種多通道遠程遙控開關(guān)，通過用戶手機發(fā)出控制指令短信或者通過按鍵模塊輸入定時開關(guān)時間實現(xiàn)遠程控制多組電器的通斷。楊法紅[8]等以超短波電臺為通信介質(zhì)，設(shè)計一種遠程遙控開關(guān)機模塊，實現(xiàn)了機場通信導航臺站的全功能遙控和無人值守。楊偉寧[9]等利用短距離無線通信技術(shù)實現(xiàn)對氣象站溫度、濕度、壓力和光照等環(huán)境信息的遠程采集、監(jiān)測。晏岱[10]采用無線數(shù)傳作為通信媒介，PLC為核心，實現(xiàn)了對壓路機基本操作的遠程控制和工作參數(shù)的采集，提高系統(tǒng)的作業(yè)能力。可見，遙測監(jiān)測功能在多數(shù)行業(yè)均有應用[11-13]，而海上試驗環(huán)境下的設(shè)計應用卻較為鮮見。本文針對某型靶載設(shè)備的使用要求，通過有線專用網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信的工作模式，設(shè)計了一套海上靶載嵌入式遙測監(jiān)控設(shè)備，主要用于采集靶載設(shè)備正常工作時的電流、電壓、環(huán)境溫濕度等信息，并通過對電源的控制實現(xiàn)靶載設(shè)備遠程遙控開機和關(guān)機。

1 系統(tǒng)設(shè)計

該裝置根據(jù)不同功能需求采用模塊化設(shè)計，主要由數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電流電壓采集模塊、溫度濕度采集模塊和電源開關(guān)模塊組成，系統(tǒng)組成框圖及流程圖如圖1和圖2所示。

圖1 遙測監(jiān)控裝置組成框圖Fig.1 Telemetry monitoring device block diagram

圖2 系統(tǒng)工作流程框圖Fig.2 System workflow diagram

系統(tǒng)具體工作流程為：

① 靶載設(shè)備通電(交流電或直流電)并開始正常工作后，地面控制設(shè)備與靶載遙測監(jiān)控設(shè)備采用請求應答的工作方式。地面控制設(shè)備首先向遙測監(jiān)控設(shè)備發(fā)送一個請求上傳數(shù)據(jù)的命令，遙控監(jiān)測設(shè)備收到指令后向地面指揮中心回送數(shù)據(jù)，地面控制設(shè)備開始對靶載設(shè)備工作狀態(tài)進行遠程監(jiān)控狀態(tài)。

② 電流電壓采集模塊以及溫濕度采集模塊實時采集被測靶載設(shè)備的電流、電壓以及環(huán)境的溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，數(shù)據(jù)處理模塊對電流值、電壓以及溫濕度值進行處理。

③ 模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量結(jié)束后，數(shù)據(jù)處理標志位置位，數(shù)據(jù)處理模塊對電流電壓采集模塊和溫度采集模塊的測量信息進行實時解算，靶載設(shè)備所需電流電壓事前已經(jīng)標定好，數(shù)據(jù)處理模塊實時與標定值進行對比，計算是否超出標定誤差范圍，若超出標定誤差范圍，則將相應數(shù)據(jù)標志位置位。

④ 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)實時監(jiān)測電源開關(guān)狀態(tài)以及供電電源(交流電或直流電)，并將相應數(shù)據(jù)標志位置位。

⑤ 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)通信協(xié)議進行編碼，對編碼后的數(shù)據(jù)進行實時存儲，最后通過數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送給地面控制設(shè)備。

⑥ 地面控制設(shè)備在必要時對靶載設(shè)備進行開機或關(guān)機控制[14]，數(shù)據(jù)處理模塊在收到遠程遙控指令后，通過電源開關(guān)模塊對被測靶載設(shè)備供電電源執(zhí)行電源開或電源關(guān)動作，實現(xiàn)遠程遙控功能。汪洋[15]在無人中繼的靶標遠程測控系統(tǒng)中分析了靶載端與地面端相距300 km時，能夠?qū)崿F(xiàn)對靶標的遙控和靶載任務數(shù)據(jù)的實時傳輸。

2 模塊單元設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)處理單元設(shè)計

設(shè)計采用8位的ATmega64作為數(shù)據(jù)處理單元的控制核心。Atmega64是一款高性能、高靈活性、低功耗的8位AVR單片機，其帶有8路10位高精度的A/D，64 kByte的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，2 kByte EEPROM，4 kByte SRAM，UART，SPI接口等，完全可以滿足設(shè)計要求，且成本低、可靠性高。本文設(shè)計的ATmega64芯片外圍電路如圖3所示。其中PA口為雙向I/O 口，外接LED，用于顯示串口和系統(tǒng)工作狀態(tài)；PC口為雙向I/O口，用于按鍵開關(guān)控制和繼電器通斷控制；PF口為ADC的模擬與數(shù)字輸入端口，設(shè)計將PF口用于電流電壓采集；PD口為復用端口，將PD端口用于串行時鐘和串行數(shù)據(jù)、看門狗、串口輸入輸出；PE口為復用端口，將PE口用于另一個串口輸入輸出。

圖3 ATmega64外圍電路Fig.3 ATmega64 peripheral circuit

2.2 數(shù)據(jù)采集單元設(shè)計

2.2.1 電流電壓采集電路

采用JCE-VP閉環(huán)型霍爾電壓傳感器作為電壓測量元件。JCE-VP外接原邊電阻，將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，JCE-VP再隔離測量。傳感器額定測量電流范圍為：±5 mA，額定電壓輸出為2.5±0.625 V，基準電壓為2.5 V。交流額定測量電壓為220 V，設(shè)計選用62 000精密電阻，則額定測量電流為3.55 mA，因此額定電壓輸出為2.5±0.444 V；直流額定測量電壓為24 V，設(shè)計選用5 620精密電阻，則額定測量電流為4.27 mA，因此額定電壓輸出為2.5±0.534 V。交流、直流電壓測量電路如圖4(a)，圖4(b)所示。

(a)交流電壓測量電路

(b)直流電壓測量電路

(c)交流電流測量電路

(d)直流電流測量電路

采用JCE-TSNP多量程閉環(huán)型電流傳感器作為電流測量元件。傳感器額定測量電流范圍為6 A，額定電壓輸出為2.5±0.625 V，基準電壓為2.5 V。交流最大測量電流為2 A，直流最大測量電流為6 A。交流、直流電流測量電路如圖4(c)、圖4(d)所示。

2.2.2 溫度濕度采集電路

采用德州儀器的HDC1080作為溫濕度采集傳感器，HDC1080是一款具有集成溫度傳感器的數(shù)字濕度傳感器，能夠以超低功耗提供出色的測量精度，測量范圍為-40～+125℃，具有14位的測量分辨率，該器件可直接向AVR單片機傳輸數(shù)字信號，采用了單總線的數(shù)據(jù)傳輸，便于AVR處理及控制。溫濕度采集電路如圖5所示。

圖5 溫濕度采集電路Fig.5 Temperature and humidity acquisition circuit

2.3 電源開關(guān)電路設(shè)計

采用繼電器對電源進行開關(guān)控制，驅(qū)動芯片采用ULN2803，其具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶載能力強等特點，單片機通過控制I/O的高低電平來控制繼電器的通斷。當單片機的I/O為高電平時，經(jīng)過ULN2803，其變?yōu)榈碗娖剑^電器常開觸點閉合；當I/O為低電平時，經(jīng)過ULN2803，其變?yōu)楦唠娖剑^電器常開觸點斷開。電源開關(guān)驅(qū)動電路如圖6所示。

圖6 電源開關(guān)驅(qū)動電路Fig.6 Power switch drive circuit

2.4 數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計

遙測監(jiān)控裝置通過網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至衛(wèi)通交換機，利用衛(wèi)星通信與地面指揮中心進行數(shù)據(jù)通信。AVR單片機不具備網(wǎng)絡(luò)傳輸接口，因此需要對數(shù)據(jù)傳輸接口進行轉(zhuǎn)換，本設(shè)計中將AVR單片機串口轉(zhuǎn)換為網(wǎng)絡(luò)接口，采用ZLAN1003進行接口轉(zhuǎn)換。ZLAN1003是一款功能強大的單芯片串口轉(zhuǎn)TCP/IP芯片，支持TCP服務器、TCP客戶端、UDP、UDP組播工作模式，內(nèi)部集成了10/100 M快速以太網(wǎng)MAC和PHY接口、UART串口以及串口轉(zhuǎn)TCP/IP所需的軟件功能。

3 數(shù)據(jù)監(jiān)測與控制

系統(tǒng)研制完成后，需要對系統(tǒng)進行性能指標檢測，本文采用標準交直流電源對系統(tǒng)進行標校實驗，分別選擇靶載設(shè)備交流供電模式和直流供電模式，地面控制端讀取系統(tǒng)電流電壓值，并與標準交直流電源輸出電流電壓進行對比，驗證系統(tǒng)檢測結(jié)果的準確性，實驗結(jié)果如表1、表2、表3和表4所示。

表1 交流電壓測試數(shù)據(jù)
Tab.1 AC voltage measurements

序號輸出值/V實測值/V誤差/%1200.00200.420.212210.00210.810.393220.00220.460.214230.00230.750.335240.00240.690.29

表2 直流電壓測試數(shù)據(jù)
Tab.2 DC voltage measurements

序號輸出值/V實測值/V誤差/%120.0020.050.25221.0021.170.81322.0022.130.25423.0023.260.59524.0024.090.39625.0025.160.64726.0026.200.77827.0027.150.56928.0028.321.14

表3 交流電流測試數(shù)據(jù)
Tab.3 AC current measurements

序號輸出值/V實測值/V誤差/%10.1630.161.8420.1550.162.7330.1460.152.7440.1420.141.4150.1380.141.45

表4 直流電流測試數(shù)據(jù)
Tab.4 DC current measurements

序號輸出值/V實測值/V誤差/%11.8531.831.2421.7421.750.4631.7201.730.5841.6181.591.7351.5341.551.0461.4921.521.8771.4291.411.3381.3851.371.0891.3421.350.60

從實驗結(jié)果可知，電壓測量最大誤差為1.14%，電流測量最大誤差為2.74%，電壓測量結(jié)果誤差比電流測量結(jié)果誤差小，其主要原因為地面控制端數(shù)據(jù)結(jié)果只保留2位小數(shù)，而標準電源電流輸出保留3位小數(shù)，引入誤差；AVR單片機在進行數(shù)模采集過程中，單片機引腳處由于存在電磁干擾等因素，會引起采集到的數(shù)值存在波動，造成誤差。

系統(tǒng)研制完成后，對系統(tǒng)進行了遠程遙控開關(guān)控制實驗測試。地面控制端對靶載設(shè)備進行遠程開機關(guān)機指令下發(fā)，觀察系統(tǒng)電源開關(guān)電路繼電器接通斷開情況以及設(shè)備是否根據(jù)指令正常開機和關(guān)機，實驗結(jié)果表明，系統(tǒng)能夠準確按照相應指令執(zhí)行開機關(guān)機動作。

4 結(jié)束語

通過海上實測及應用，該裝置易于安裝、操控簡便、工作穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，實現(xiàn)了海上無人值守情況下靶載設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)測和控制能力，節(jié)省了操作過程中的人力物力，并有效提升了設(shè)備使用效率，具有成本低、操控性好和實用性強等優(yōu)點，同時，基于該裝置模塊化設(shè)計的特點只需要進行稍加改進，便可應用于其它型號設(shè)備和多種參數(shù)的遠程監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集任務，具有較高的應用前景和推廣價值[16-17]。