MSP430F149實(shí)現(xiàn)車(chē)體調(diào)平裝置 - 全文

　　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(chē)、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(zhēng)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(chǎng)要求。

　　設(shè)計(jì)火箭炮車(chē)體調(diào)平裝置的目的是使火箭炮在停車(chē)工作時(shí)其載車(chē)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(cè)量、計(jì)算和無(wú)線(xiàn)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(shì)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(chē)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(guò)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。

　　車(chē)體調(diào)平裝置總體設(shè)計(jì)

　　火箭炮車(chē)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(wú)線(xiàn)數(shù)傳電路設(shè)計(jì)。車(chē)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(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(chē)體調(diào)平裝置控制原理如圖1所示。

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　　圖1 車(chē)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(chē)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(cè)量范圍為±15°。測(cè)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(xiàn)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(cè)量范圍內(nèi)線(xiàn)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(cè)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

　?、貯SCII碼發(fā)送格式(單角度)：24 FF XX XX XX XX XX 0D 0A

　　說(shuō)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(chē))。

　?、诙M(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(hù)ID字(用戶(hù)可設(shè)定，初始為0000)，2個(gè)ID字都可讀角度。

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　　圖2 讀角度命令格式

　　數(shù)據(jù)處理與無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電路設(shè)計(jì)

　　無(wú)線(xiàn)數(shù)傳系統(tǒng)是無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，該系統(tǒng)以無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳輸。數(shù)據(jù)處理與無(wú)線(xiàn)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(chē)體水平面所要調(diào)整的角度，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊傳輸給操縱指示器。

　　MSP430F149單片機(jī)簡(jiǎn)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(zhuān)用設(shè)備智能化管理及過(guò)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(jiàn)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。

　　(2)強(qiáng)大的處理能力

　　該單片機(jī)為16位的精簡(jiǎn)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(jiǎn)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(mén)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(kāi)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(guò)軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(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(mén)狗將其復(fù)位。

　　(5)方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　MSP430F149片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫(xiě)的FLASH存儲(chǔ)器，因此采用先通過(guò)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(xiàn)編程，使開(kāi)發(fā)變得更加簡(jiǎn)便，并且開(kāi)發(fā)的仿真器價(jià)格低廉，不需要昂貴的編程器。

　　無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電路的設(shè)計(jì)

　　數(shù)據(jù)處理與無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊接口電路、電源電路等?；?a href="http://ttokpm.com/v/tag/773/" target="_blank">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(cè)火箭炮車(chē)體姿態(tài)，將接收到的檢測(cè)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(guò)無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊，發(fā)送車(chē)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。

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　　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(wú)線(xiàn)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(jiàn)圖4所示。

　　(3)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊的選用

　　在一些多測(cè)試點(diǎn)的系統(tǒng)中，伴隨傳感器而來(lái)的是大量數(shù)據(jù)線(xiàn)纜。眾多的線(xiàn)纜不僅帶來(lái)布線(xiàn)的復(fù)雜不便，而且存在著短路、短線(xiàn)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(chǎng)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(guò)連線(xiàn)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(wú)線(xiàn)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳送，可以解決這一問(wèn)題。相比有線(xiàn)傳輸，無(wú)線(xiàn)傳輸具有不占據(jù)空間、沒(méi)有布線(xiàn)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?/p>

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　　圖4 電源電路圖

　　根據(jù)實(shí)際情況，本文采用ZT-TR43F無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊，它是一款無(wú)線(xiàn)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(jiǎn)單易于開(kāi)發(fā)。采用該無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊，可以使車(chē)體調(diào)平裝置滿(mǎn)足某型火箭炮調(diào)平時(shí)的無(wú)線(xiàn)數(shù)傳要求：①適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪嚯x，一般以不超過(guò)30m為宜，通信功率過(guò)大使通信距離過(guò)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(wú)固定供電電源，只能靠電池維持系統(tǒng)運(yùn)行。

　　無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)模塊的TXD、RXD口相接，地線(xiàn)與地線(xiàn)相接。

　　考慮到多門(mén)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(pán)，通過(guò)撥碼盤(pán)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(chē)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(jiàn)圖5。

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　　圖5 角度計(jì)算關(guān)系圖

　　如圖5所示，車(chē)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(guò)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(cè)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(kāi)發(fā)平臺(tái)

　　軟件開(kāi)發(fā)選擇與裝置硬件中單片機(jī)相適應(yīng)的IAR開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用C語(yǔ)言開(kāi)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(chē)體調(diào)平裝置端程序通過(guò)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(guò)串行通信分別發(fā)送到左、右操縱指示器上。

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　　圖6 車(chē)體調(diào)平裝置軟件流程圖

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　　圖7 讀取角度數(shù)據(jù)流程圖

　　結(jié)束語(yǔ)

　　該調(diào)平裝置將傳感器、數(shù)據(jù)模塊和無(wú)線(xiàn)數(shù)傳技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)車(chē)體傾斜度的自動(dòng)快速檢測(cè)、計(jì)算和傳輸。該裝置具有檢測(cè)迅速、控制靈活和操作簡(jiǎn)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。