单位文秘网 2021-10-24 08:11:49 点击: 次
信息,实现定位随时保障,将会极大提高自行火炮的作战效益。
同时,目前我军也大量装备有上世纪八、九十年代生产的各种自行火炮,这些火炮仍是炮兵战斗力的骨干力量,由于其检测技术手段的不足,直接影响了战斗力的发挥,因此,对以上自行火炮的动态检测维修保障,也是亟待解决的问题。
综上,研究设计一种自行火炮动态维修保障系统是非常必要的。该动态维修保障系统针对目前我军自行火炮动态维修保障手段的不足,运用CAN总线技术、在线检测技术、信号隔离处理技术、两级信息分析技术和无线网络等技术,通过对自行火炮工作过程中的各种参数的自动采集、分析处理,实现故障的动态检测、故障告警和维修保障指导,并将故障信息通过无线数传模块及时上传给营维修方舱,实现跟随保障。
自行火炮动态维修保障系统总体设计
在自行火炮动态维修保障系统的设计实现过程中,鉴于信号采集的数量及采集点的分布较为广泛,如采用单一的信号采集节点的方式实现对众多的监控数据的采集与处理,则显然不适合具体的应用环境与条件,因而,本设计采用多机分布式监控系统结构,如图1所示。
图1中,监控计算机发送控制信息到各个检测节点,同时各检测节点也将相关的检测信息传输到监控计算机。这一过程必然涉及节点问的数据通信问题。实际应用中,由于节点分布散乱而且相距甚远,因此,不宜采用并行方式进行节点问数据通信,而是采用串行通信的方式。比较传统的远距离数据传输通信方式有RS-422、RS-485等通信方式,以这些通信方式构成的监控系统工作在主从模式,下位机通常处于待命状态,等到主机呼叫时传输数据,而节点之间的数据传输必须经由主节点完成。随着通信技术的发展,基于现场总线的监控系统成为了主流,而作为现场总线之一的CAN总线成为目前应用较为广泛的现场总线之一。
自行火炮动态维修保障系统主要由炮长信息盒、驾驶员信息盒、瞄准手信息盒、电传动信息盒、CAN总线网络、无线网络及营主机盒等组成,如图2所示。
炮长信息盒作为单炮系统的核心,接收各信息盒的数据信息,进行数据处理与分析,显示全火炮的分析结果、告警信息及维护补给提示等,存储有关累积信息,并将主要信息通过无线网络发送至营主机盒。
驾驶员信息盒实现底盘部分与技术状态有关的信息的采集及处理,并通过CAN总线网络上传至炮长信息盒,利用信号灯显示底盘部分工作状态。
瞄准手信息盒实现火炮高低、方向姿态的测定和火炮瞄准状况的显示,可有效地提高火炮操瞄训练水平,同时也用于火炮安全射界的设定,超出射界自动告警和制动。
电传动信息盒实现转换盒、操纵台、扩大机配电盒、高低、方向电动机和电发射器件技术状态的信息采集及处理,通过CAN总线网络上传至炮长信息盒。
营主机盒作为全营自行火炮技术状态管理中心,收集各炮技术状态信息,监控和随时了解各炮技术状况。
CAN总线网络实现单炮内部各信息盒之间的数据的传输和交换。
无线网络实现各炮长信息盒与营主机盒之间的数据传输和交换。
自行火炮动态维修保障系统的拓扑结构如图3所示。
各信息盒之间通过CAN总线进行数据通信,控制局域网CAN为串行通信协议,能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤等,选择灵活;CAN总线上节点数主要取决于总线的驱动能力,目前直接节点可达110个;传输距离远,直接通信距离最远可达10km;通信速率高,最高通信速率可达1Mb/s;结构简单,性价格高;多主式依据优先权进行总线访问;无破坏性基于优先权的仲裁;错误检测和出错信息指示。
动态维修保障系统采用CAN总线,其优势体现在以下几个方面:
(1)CAN总线具有很高的稳定性和可靠性,特别适合野战条件下使用;
(2)CAN总线具有很高的灵活性,不需要应用层和节点的软件和硬件的任何改变,就可以在CAN网络中直接添加节点,因此,可以根据不同炮种的需要灵活设置检测点;
(3)每个节点都是一个独立的智能检测小系统,实现数据的采集和处理,因此,可以简化主机的配置;
(4)CAN总线为串行通信协议,两根双绞线即可实现网络的构建,因此,可简化系统总线结构。SJA1000概述
CAN系统主要由多个网络节点、转发器和上位机构成。节点是网络上信息接收和发送的中转站,CAN总线上的网络节点可以达到百余个。CAN总线控制器件可分为2种类型,一种是兼容性的控制器,即微处理和CAN功能结合,是带有在片CAN的微控制器,如P8XC582及16位微控制器87C196CA/CB等;另一种是独立的CAN控制器,如82C200、SJA1000及Inte182526/82527。本文所采用的SJA1000就是这种独立的设备。使用独立的CAN控制器是为了方便技术人员灵活地选择单片机,组成多样化的系统。
SJA1000 CAN通信控制器主要的核心是CAN模块,其他辅助有接口管理逻辑、缓冲发送、FIFO接收端口、滤波器等。SJA1000工作时,核心模块负责CAN信息的收发和CAN协议的实现,接口管理逻辑是一个中转站,利用其寄存器处理微处理与SJA1000之间的相互访问和数据,负责地址和数据纵向的访问。发送缓冲的功能是暂存一个长度固定的信息数据。微处理器将等待发送的带有标志的数据直接发送到缓冲区,然后通过指令对寄存器发送传输请求,以此启动CAN模块自行将发送缓冲中的数据读取出来,并按照CAN的协议编写完成符合CAN的信息,同时通过接收其发往总线。总线接收到信息后经过简单的验证和滤波,将符合要求的信息发送到FIFO的缓冲区,将状态标志到SR.0的位置,表明缓冲区成功接收了信息传递。微处理器根据SR,0的状态进行工作,读取FIFO的数据并进行下一步处理。
节点硬件电路设计
动态维修保障系统的总线电源模块采用的是超宽电压6W系列DC电源模块,总线电源与系统电源隔离。宽压(4:1)高隔离稳压单输出6W系列UFB2405MP-5W的特点:超宽电压输入(4:1);效率高达85%;工作温度为-40℃~+85℃;隔离电压1500VDC;稳压单输出;金属屏蔽封装;国际标准引脚方式;MTBF>1000000小时;高低温特性好,能满足工业级产品技术要求。
根据动态维修保障系统设计需要,本文以ADU C812单片机作为系统核心,采用SJAl000作为CAN总线的控制器。为了避免总线上的噪声影响单片机系统的正常工作,设计采用6N137高速光电隔离芯片,来实现驱动器和控制器之间的电气隔离,保护控制系统电路。光电隔离器6N137是电子线路中隔离电压冲击及噪声串扰的优选器材,具有体积小、隔离效果好、价格便宜、便于安装等特点。
同时,由于ADU C812单片机本身无CAN口,因此,本设计采用驱动器芯片TJA1050和专用CAN总线控制器芯片SJA1000形成标准CAN总线接口。TJA1050是CAN控制器与物理总线之间的接口,可以提供对总线的差动发送能力和对CAN控制器的差动接收能力,具有高速率,最高达1Mb/s;电磁抗干扰性极高;不上电的节点不会对总线造成扰动;输出驱动器受到温度保护;防止电池对地的短路。
图4所示为CAN接口电路图。从电路图可以看出,硬件接口异常简单,接口方式具备CAN总线的多主结构、高速、传输距离远、高可靠性等诸多优点。S接地主要是让器件工作在高速模式而不是静音模式,通信线最好采用双绞线。
单片机电路设计
单片机采用美国AD公司设计开发内部集成了完整的8052内核并具有数据采集系统的ADUC812,它具有8路12位ADC、2路12位DAC、256字节RAM、640字节FLASH数据存储器和8K的FLASH程序存储器,外围接口也很丰富,是一款高性能和高精度的完整数据采集微系统。最重要的是该芯片的在线串口编程下载技术使系统的应用和开发变得十分容易。
单片机A/D转换参考电压采用外部5V基准,用一片MCP1541实现。复位电路采用STM812复位芯片。单片机电路如图5所示。
通信接口电路设计
PC的串口为RS-232电平,该电平信号不可能与TJA1050直接连接。为了解决这一问题,需要将RS-232电平先转换为TTL电平,然后完成与TJA1050的硬件接口连接。完成这一转换只需一片专用的232芯片就可实现,其电路原理如图6所示。232接口主要用于动态维修保障系统调试时的程序的下载和外围器件的数据通信。系统软件设计
系统软件设计主要包括CAN初始化、发送数据、接收数据三部分。CAN初始化是设置CAN的通信参数。需要初始化的CAN控制寄存器有模式寄存器、时分寄存器、接收代码寄存器、屏蔽寄存器、总线定时寄存器、输出控制寄存器等。这些寄存器只能在CAN控制器处于复位状态时进行写访问。发送数据程序把数据存储区中待发送的数据取出,组成信息帧,并将主机的ID地址填入帧头,然后将信息帧发送到CAN控制器的发送缓冲区。在接收到主机的发送请求后,发送程序启动发送命令。由CAN控制器自动完成信息从CAN控制器发送到总线,以及信息从CAN总线发送到CAN控制器的接收缓冲区。接收数据程序则从接收缓冲区读取信息,并将其存储在数据存储区。CAN发送帧和接收帧的程序流程如图7和图8所示。
结束语
针对目前我军自行火炮动态维修保障手段的不足,本文将SJA1000控制器应用于自行火炮动态维修保障系统中,该动态维修保障系统具有高灵活性、高安全性、高可靠性和故障错误自检功能等特点,适应于宽温度范围、防震、防尘等恶劣使用环境的需求;同时,由于CAN总线不需要应用层及任何节点软件和硬件的改变,可以在CAN网络中直接添加节点,而且每个CAN节点都是具有完整功能的独立检测装置,因此,该系统可适应于各种自行火炮。
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