- 基于MSP430的車體自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的學(xué)習(xí)
- 車體調(diào)平裝置總體設(shè)計(jì)
- 車體調(diào)平裝置機(jī)殼采用鋁合金整體加工
- 調(diào)平裝置將傳感器、數(shù)據(jù)模塊和無線數(shù)傳技術(shù)結(jié)合在一起
隨著國防技術(shù)的發(fā)展，根據(jù)任務(wù)需求，越來越多的軍用武器需要隨時(shí)變更工作地點(diǎn)。為了保證這些軍用武器的機(jī)動(dòng)性能，往往以載車為運(yùn)輸載體，如火箭炮這樣的大型武器就被安裝在載車上。載車到達(dá)目的地后，借助平臺(tái)快速將武器架設(shè)調(diào)至水平而后工作，工作完成后平臺(tái)能夠快速地撤收、轉(zhuǎn)移。既保證了武器的工作性能，又提高了機(jī)動(dòng)性。
傳統(tǒng)上，主要依靠人工手動(dòng)完成平臺(tái)的水平度調(diào)節(jié)，這需要一部分人員手動(dòng)調(diào)節(jié)千斤頂，另外一部分人員觀察水平儀的水泡位置。這種調(diào)平方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且精度低、抗傾覆能力差。隨著調(diào)平時(shí)間和調(diào)平精度要求的提高，過去的調(diào)平方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際情況的需要，所需時(shí)間短、精度高、抗傾覆能力強(qiáng)的自動(dòng)調(diào)平控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。
在軍用方面，自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)動(dòng)發(fā)射裝置、導(dǎo)彈車、坦克火控調(diào)試臺(tái)等裝備。以火箭炮為例，火箭炮被大量使用在高科技戰(zhàn)爭中，為了提高其生存能力，對(duì)其機(jī)動(dòng)性能也提出了更高的要求。制約火箭炮機(jī)動(dòng)性的主要因素是火箭炮進(jìn)入陣地后，進(jìn)行架設(shè)并調(diào)整到水平狀態(tài)的時(shí)間。自動(dòng)調(diào)平裝置是消除這一制約因素的關(guān)鍵設(shè)備。隨著電子元器件和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)調(diào)平裝置采用了許多新器件、新方法，使得調(diào)平時(shí)間和調(diào)平精度嚴(yán)格符合戰(zhàn)場要求。
設(shè)計(jì)火箭炮車體調(diào)平裝置的目的是使火箭炮在停車工作時(shí)其載車能夠迅速架設(shè)，實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)平臺(tái)傾斜度的快速測量、計(jì)算和無線數(shù)傳，使其快速精確地達(dá)到水平，即在保證火箭炮工作性能的條件下最大程度的提高系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性。
自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)發(fā)展趨勢概述
目前，調(diào)平技術(shù)都已逐步成熟，但隨著武器機(jī)動(dòng)性要求的不斷提高，也相應(yīng)提高了對(duì)調(diào)平時(shí)間和調(diào)平精度的要求，與之相適應(yīng)的自動(dòng)控制調(diào)平技術(shù)也不斷發(fā)展。自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的發(fā)展方向主要是：
（1）精確性：系統(tǒng)的精確性主要取決于傾角傳感器的分辨率。隨著新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝和新技術(shù)在高精度傾角傳感器中的應(yīng)用，傾角傳感器的性能大幅度地提高了，傾角傳感器正從傳統(tǒng)的液體擺、氣體擺原理向伺服加速度及力平衡、重力擺原理發(fā)展，傾角傳感器的分辨率已達(dá)到0.001度或更高。
（2）穩(wěn)定性：為了適應(yīng)現(xiàn)代武器高機(jī)動(dòng)性和快速反應(yīng)能力的需求，要求車載平臺(tái)有更高的穩(wěn)定性，采用機(jī)電伺服系統(tǒng)代替電液伺服系統(tǒng)，加上單片機(jī)系統(tǒng)可靠性與抗干擾技術(shù)的不斷發(fā)展，奠定了單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的基礎(chǔ)。尤其是計(jì)算機(jī)與傳感器技術(shù)的發(fā)展，使高穩(wěn)定性的調(diào)平系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。
（3）快速性：目前，傾角傳感器的響應(yīng)速度已顯著提高，新型傾角傳感器響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了5毫秒，響應(yīng)速度為200次/秒，再加上在系統(tǒng)中應(yīng)用先進(jìn)控制算法，都使得調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)平時(shí)間大大縮短了，也就提高了武器系統(tǒng)的快速性。
（4）可操作性：在自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有人機(jī)交互顯示面板，通過其圖形界面顯示系統(tǒng)的狀態(tài)及各種實(shí)時(shí)參數(shù)，并根據(jù)工作需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。面板設(shè)置有多個(gè)功能鍵，可根據(jù)需要自由定義，實(shí)現(xiàn)調(diào)平系統(tǒng)的各種操作。這些都將使系統(tǒng)的可操作性得到大大提高。
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車體調(diào)平裝置總體設(shè)計(jì)
火箭炮車體調(diào)平裝置總體設(shè)計(jì)包括：傾角傳感器的選型、數(shù)據(jù)處理與無線數(shù)傳電路設(shè)計(jì)。車體調(diào)平裝置機(jī)殼采用鋁合金整體加工，內(nèi)置傾角傳感器、電路板、電池和無線發(fā)射模塊等，水平檢查座與機(jī)殼由螺釘固連，采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，表面光潔度和水平度優(yōu)于水準(zhǔn)儀標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)射機(jī)天線位于機(jī)殼的上方，使用時(shí)旋擰上，裝箱時(shí)可以折疊放倒或旋擰下。車體調(diào)平裝置控制原理如圖1所示。
圖1 車體調(diào)平裝置控制原理圖
傾角傳感器及傳感器包數(shù)據(jù)輸出格式
傾角傳感器選型
傾角傳感器用于感應(yīng)火箭炮車體的縱橫向傾斜度，基本技術(shù)要求：①精度高于±0.012°；②使用環(huán)境溫度為﹣40℃~﹢55℃。根據(jù)這些要求，選用北京星網(wǎng)宇達(dá)科技公司的TW-TS1110傾角傳感器。該傳感器內(nèi)部采用高速數(shù)字處理器，對(duì)多維重力加速度信息進(jìn)行處理與姿態(tài)角解算，并采用角度數(shù)字輸出模式，輸出速度為5Hz，測量范圍為±15°。測量精度：當(dāng)傾角≤±5°時(shí)，精度為±0.005°；當(dāng)傾角≤±15°時(shí)，精度為±0.01°；當(dāng)傾角≤±30°時(shí)，精度為±0.035°。傳感器利用光刻電阻技術(shù)補(bǔ)償非線性誤差，解決了傳統(tǒng)傾角傳感器只有在小范圍才能保證精度的現(xiàn)象，使得傾角傳感器在全測量范圍內(nèi)線性化，保持同一額定精度指標(biāo)。傳感器還采用啟動(dòng)零位測試補(bǔ)償技術(shù)，具有快速穩(wěn)定輸出能力，單點(diǎn)重復(fù)性為0.0015°；采用動(dòng)態(tài)數(shù)字濾波技術(shù)，輸出噪聲低，且具有較高的分辨率，分辨率為0.002°，傳感器內(nèi)部采用動(dòng)態(tài)零位與標(biāo)度因數(shù)自校正技術(shù)。適合多種環(huán)境使用，使用環(huán)境溫度為﹣40℃~﹢55℃。
傳感器包數(shù)據(jù)輸出格式
1 發(fā)送數(shù)據(jù)格式定義
①ASCII碼發(fā)送格式（單角度）：24 FF XX XX XX XX XX 0D 0A
說明——24：頭標(biāo)識(shí)$；FF：角度值的符號(hào)位(+2b/-2d)；XX：ASCII碼角度值(30~39)；0D 0A：角度發(fā)送字尾標(biāo)識(shí)符（換行，回車）。
②二進(jìn)制碼發(fā)送格式（單角度）：AA XX XX CC
AA：角度發(fā)送字頭標(biāo)識(shí)符；XX：帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)。5度傾角標(biāo)度：6000bit/度；15度傾角標(biāo)度：2000bit/度；30度傾角標(biāo)度：1000bit/度；60度傾角標(biāo)度：500bit/度。
CC：校驗(yàn)碼；CC=數(shù)據(jù)字節(jié)1+數(shù)據(jù)字節(jié)2。
2 接受命令格式定義
讀角度命令格式如圖2所示。該命令僅在應(yīng)答工作模式下有效。每個(gè)傳感器都有固定ID字(FFFF)和用戶ID字（用戶可設(shè)定，初始為0000），2個(gè)ID字都可讀角度。
圖2 讀角度命令格式
數(shù)據(jù)處理與無線數(shù)傳電路設(shè)計(jì)
無線數(shù)傳系統(tǒng)是無線數(shù)字傳輸系統(tǒng)的簡稱，該系統(tǒng)以無線數(shù)傳模塊為平臺(tái)，在不影響裝備功能情況下，實(shí)現(xiàn)數(shù)字終端之間數(shù)字信息的無線傳輸。數(shù)據(jù)處理與無線數(shù)傳的主要任務(wù)是接收傾角傳感器的數(shù)據(jù)輸出，計(jì)算每個(gè)千斤頂相對(duì)車體水平面所要調(diào)整的角度，并通過無線數(shù)傳模塊傳輸給操縱指示器。
MSP430F149單片機(jī)簡介
單片機(jī)具有可靠性高、功耗低、擴(kuò)展靈活、體積小、價(jià)格低和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、專用設(shè)備智能化管理及過程控制等領(lǐng)域，有效地提高了控制質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益。本設(shè)計(jì)選用TI公司的16位超低功耗混合型微處理器MSP430F149（見圖3）作為核心控制器，它的主要特點(diǎn)是：
（1）低電壓、超低功耗
該單片機(jī)的電源電壓采用1.8V~3.6V低電壓，RAM數(shù)據(jù)保持方式下耗電僅0.1μA，在2.2V、1MHz主頻的活動(dòng)模式時(shí)工作電流為280μA，I/O輸入端口的漏電流最大僅50nA。
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（2）強(qiáng)大的處理能力
該單片機(jī)為16位的精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算，還有高效的查表處理方法及較高的處理速度，一個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行一條指令，使單片機(jī)在8MHz晶振工作時(shí)，指令速度可達(dá)8MIPS。
（3）豐富的片上外圍模塊
該單片機(jī)集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)：模擬比較器A、定時(shí)器A、定時(shí)器B、串行通信接口USART0和USART1、硬件乘法器、12位ADC、端口1~6、看門狗等。
（4）系統(tǒng)工作穩(wěn)定
該單片機(jī)在上電復(fù)位后，首先由DCOCLK啟動(dòng)CPU，保證程序從正確的位置開始執(zhí)行，同時(shí)也保證了晶體振蕩器有足夠的起振和穩(wěn)定時(shí)間；之后通過軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊泶_定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。在CPU運(yùn)行中，如果MCLK發(fā)生故障，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以確保系統(tǒng)正常工作。如果程序跑飛，可以用看門狗將其復(fù)位。
（5）方便高效的開發(fā)環(huán)境
MSP430F149片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先通過JTAG接口下載程序到FLASH內(nèi)，再由JTAG接口控制程序運(yùn)行、讀取片內(nèi)CPU狀態(tài)，以及存儲(chǔ)器內(nèi)容等信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試。由于單片機(jī)可支持串行在線編程，使開發(fā)變得更加簡便，并且開發(fā)的仿真器價(jià)格低廉，不需要昂貴的編程器。
無線數(shù)傳電路的設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)處理與無線數(shù)傳電路設(shè)計(jì)主要包括主控制器電路、傾角傳感器接口電路、無線數(shù)傳模塊接口電路、電源電路等。基本工作原理是：系統(tǒng)通上電后，主控制器控制傾角傳感器按固定間隔檢測火箭炮車體姿態(tài)，將接收到的檢測結(jié)果運(yùn)算處理，計(jì)算每個(gè)千斤頂?shù)恼{(diào)整量，再通過無線數(shù)傳模塊發(fā)送給操縱指示器。
（1）主控制器及接口電路設(shè)計(jì)
主控器采用MSP430F149單片機(jī)，串口1經(jīng)TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換接傾角傳感器，用于接收傳感器輸出數(shù)據(jù)，串口2 TTL電平接無線數(shù)傳模塊，發(fā)送車體縱橫向傾斜角度和調(diào)整角度至操縱指示器。主控制器及接口電路如圖3所示。
圖3 主控器及接口電路圖
（2）電源電路設(shè)計(jì)
電源采用12V/1000mAh的鋰電池，直接為傾角傳感器供電，再經(jīng)兩路DC-DC轉(zhuǎn)換，分別轉(zhuǎn)換至9V和3.3V，9V電源為無線數(shù)傳模塊供電，3.3V為主控制器及接口電路供電，充電電路采用LM317芯片，恒流方式充電。電源電路見圖4所示。
（3）無線數(shù)傳模塊的選用
在一些多測試點(diǎn)的系統(tǒng)中，伴隨傳感器而來的是大量數(shù)據(jù)線纜。眾多的線纜不僅帶來布線的復(fù)雜不便，而且存在著短路、短線隱患，成本高，易老化，還給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)增加了難度。另外，在一些特殊的應(yīng)用場合，需要將傳感器放置在有危險(xiǎn)的封閉環(huán)境中進(jìn)行工作，試圖通過連線的方法得到傳感器的信號(hào)顯然是有一定難度的。而采用無線方式來實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳送，可以解決這一問題。相比有線傳輸，無線傳輸具有不占據(jù)空間、沒有布線要求、成本低、可靠性高、維護(hù)方便及傳輸中的干擾較少等優(yōu)點(diǎn)，這也在一定程度上提高了傳輸?shù)目煽啃浴?
圖4 電源電路圖
根據(jù)實(shí)際情況，本文采用ZT-TR43F無線數(shù)傳模塊，它是一款無線收發(fā)一體的低功耗通信模塊。該模塊的技術(shù)指標(biāo)如下：①載波頻率為433MHz，工作頻率為428MHz~435MHz；②最大發(fā)射功率5mW，接收靈敏度﹣105dBm；③采用FSK調(diào)制，采用前向信道糾錯(cuò)編碼，抗干擾能力強(qiáng)；④有八個(gè)工作信道可供選擇；⑤傳輸速率9.6kbps；⑥降低噪聲放大器LNA、功率放大器PA、壓空振蕩器VCO等大部分功能集成在芯片內(nèi)，外圍電路簡單易于開發(fā)。采用該無線數(shù)傳模塊，可以使車體調(diào)平裝置滿足某型火箭炮調(diào)平時(shí)的無線數(shù)傳要求：①適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪嚯x，一般以不超過30m為宜，通信功率過大使通信距離過遠(yuǎn)，會(huì)造成炮與炮之間相互干擾；②較強(qiáng)的抗干擾能力，系統(tǒng)在較強(qiáng)的外界干擾中也能正常工作；③較低的功耗，該裝置野外應(yīng)用，無固定供電電源，只能靠電池維持系統(tǒng)運(yùn)行。
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無線模塊ZT-TR43F與單片機(jī)接口提供了RS232/TTL/RS485三種接口方式，本系統(tǒng)采用TTL接口方式，方便與MSP430F149單片機(jī)的接口。其中MSP430單片機(jī)的RXD、TXD口分別與無線模塊的TXD、RXD口相接，地線與地線相接。
考慮到多門火箭炮同時(shí)調(diào)平時(shí)，有多個(gè)調(diào)平裝置同時(shí)工作，為防止之間相互干擾，采取不同的通信信道或不同編碼方式識(shí)別，每個(gè)裝置上帶有撥碼盤，通過撥碼盤設(shè)置各自的通信信道或識(shí)別碼。
調(diào)整角度的計(jì)算
主控制器接收到車體的縱橫向傾斜角度后，需要計(jì)算每個(gè)千斤頂相對(duì)調(diào)整的角度，角度計(jì)算的幾何關(guān)系見圖5。
圖5 角度計(jì)算關(guān)系圖
如圖5所示，車體水平傾斜角度可反映在橫向和縱向兩個(gè)方向，圖5中a和b分別為橫向和縱向傾斜角度，設(shè)α和β為傾角傳感器得出的橫向和縱向角度。若α大于0，則A端千斤頂打高，B端千斤頂打低。兩端千斤頂各位移約為α/2乘以AB端點(diǎn)間隔的一半的距離，然后調(diào)整千斤頂直到橫向水準(zhǔn)氣泡居中。若β大于0，則A端和B端同時(shí)打低，若β小于0，則A端和B端同時(shí)打高。打高過程中調(diào)整千斤頂直到縱向水準(zhǔn)氣泡居中。
軟件設(shè)計(jì)
（1）軟件功能
軟件功能主要有：①檢測操縱指示器連接狀態(tài)；②連續(xù)讀取縱橫向傾斜角度并求平均值；③將角度值發(fā)送給操縱指示器。
（2）開發(fā)平臺(tái)
軟件開發(fā)選擇與裝置硬件中單片機(jī)相適應(yīng)的IAR開發(fā)平臺(tái)，使用C語言開發(fā)。
（3）軟件流程
調(diào)平軟件完成讀取縱向與橫向傾斜角度值、模擬顯示水準(zhǔn)氣泡指示、計(jì)算并顯示左右千斤頂調(diào)整方向等功能，其工作流程如圖6所示，其中單片機(jī)讀取角度數(shù)據(jù)的流程如圖7所示。車體調(diào)平裝置端程序通過串口讀取到傾角傳感器的縱、向傾斜角度值，根據(jù)角度值分別計(jì)算出左、右千斤頂?shù)恼{(diào)整方向和模擬水準(zhǔn)氣泡的中心位置坐標(biāo)，然后將這些值通過串行通信分別發(fā)送到左、右操縱指示器上。
圖6 車體調(diào)平裝置軟件流程圖
圖7 讀取角度數(shù)據(jù)流程圖
結(jié)束語
高精度調(diào)平裝置主要用于車載火箭炮平臺(tái)和導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)等，本文針對(duì)傳統(tǒng)車載平臺(tái)依靠人工手動(dòng)調(diào)整平臺(tái)水平，從而導(dǎo)致調(diào)整時(shí)間長、精度低，進(jìn)而限制影響到火箭炮等武器的機(jī)動(dòng)性和快速反應(yīng)能力，提出了個(gè)人的觀點(diǎn)和設(shè)計(jì)。本文基于MSP430F149單片機(jī)，對(duì)某型火箭炮車體調(diào)平裝置的控制原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述。該調(diào)平裝置將傳感器、數(shù)據(jù)模塊和無線數(shù)傳技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)車體傾斜度的自動(dòng)快速檢測、計(jì)算和傳輸。該裝置具有檢測迅速、控制靈活和操作簡單等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高某型火箭炮的機(jī)動(dòng)性和調(diào)平精度。
