- 基于MSP430的車體自動調平系統的學習
- 車體調平裝置總體設計
- 車體調平裝置機殼采用鋁合金整體加工
- 調平裝置將傳感器、數據模塊和無線數傳技術結合在一起
隨著國防技術的發展，根據任務需求，越來越多的軍用武器需要隨時變更工作地點。為了保證這些軍用武器的機動性能，往往以載車為運輸載體，如火箭炮這樣的大型武器就被安裝在載車上。載車到達目的地后，借助平臺快速將武器架設調至水平而后工作，工作完成后平臺能夠快速地撤收、轉移。既保證了武器的工作性能，又提高了機動性。
傳統上，主要依靠人工手動完成平臺的水平度調節，這需要一部分人員手動調節千斤頂，另外一部分人員觀察水平儀的水泡位置。這種調平方式費時費力，且精度低、抗傾覆能力差。隨著調平時間和調平精度要求的提高，過去的調平方式已遠遠不能滿足實際情況的需要，所需時間短、精度高、抗傾覆能力強的自動調平控制技術應運而生。
在軍用方面，自動調平控制系統廣泛應用于機動發射裝置、導彈車、坦克火控調試臺等裝備。以火箭炮為例，火箭炮被大量使用在高科技戰爭中，為了提高其生存能力，對其機動性能也提出了更高的要求。制約火箭炮機動性的主要因素是火箭炮進入陣地后，進行架設并調整到水平狀態的時間。自動調平裝置是消除這一制約因素的關鍵設備。隨著電子元器件和自動控制技術的發展，自動調平裝置采用了許多新器件、新方法，使得調平時間和調平精度嚴格符合戰場要求。
設計火箭炮車體調平裝置的目的是使火箭炮在停車工作時其載車能夠迅速架設，實現武器系統平臺傾斜度的快速測量、計算和無線數傳，使其快速精確地達到水平，即在保證火箭炮工作性能的條件下最大程度的提高系統的機動性。
自動調平系統發展趨勢概述
目前，調平技術都已逐步成熟，但隨著武器機動性要求的不斷提高，也相應提高了對調平時間和調平精度的要求，與之相適應的自動控制調平技術也不斷發展。自動調平系統的發展方向主要是：
（1）精確性：系統的精確性主要取決于傾角傳感器的分辨率。隨著新結構、新材料、新工藝和新技術在高精度傾角傳感器中的應用，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、重力擺原理發展，傾角傳感器的分辨率已達到0.001度或更高。
（2）穩定性：為了適應現代武器高機動性和快速反應能力的需求，要求車載平臺有更高的穩定性，采用機電伺服系統代替電液伺服系統，加上單片機系統可靠性與抗干擾技術的不斷發展，奠定了單片機系統穩定可靠工作的基礎。尤其是計算機與傳感器技術的發展，使高穩定性的調平系統得以實現。
（3）快速性：目前，傾角傳感器的響應速度已顯著提高，新型傾角傳感器響應時間達到了5毫秒，響應速度為200次/秒，再加上在系統中應用先進控制算法，都使得調平系統的調平時間大大縮短了，也就提高了武器系統的快速性。
（4）可操作性：在自動調平系統中設計有人機交互顯示面板，通過其圖形界面顯示系統的狀態及各種實時參數，并根據工作需要對系統進行參數設置。面板設置有多個功能鍵，可根據需要自由定義，實現調平系統的各種操作。這些都將使系統的可操作性得到大大提高。
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車體調平裝置總體設計
火箭炮車體調平裝置總體設計包括：傾角傳感器的選型、數據處理與無線數傳電路設計。車體調平裝置機殼采用鋁合金整體加工，內置傾角傳感器、電路板、電池和無線發射模塊等，水平檢查座與機殼由螺釘固連，采用優質合金鋼，表面光潔度和水平度優于水準儀標準，發射機天線位于機殼的上方，使用時旋擰上，裝箱時可以折疊放倒或旋擰下。車體調平裝置控制原理如圖1所示。
圖1 車體調平裝置控制原理圖
傾角傳感器及傳感器包數據輸出格式
傾角傳感器選型
傾角傳感器用于感應火箭炮車體的縱橫向傾斜度，基本技術要求：①精度高于±0.012°；②使用環境溫度為﹣40℃~﹢55℃。根據這些要求，選用北京星網宇達科技公司的TW-TS1110傾角傳感器。該傳感器內部采用高速數字處理器，對多維重力加速度信息進行處理與姿態角解算，并采用角度數字輸出模式，輸出速度為5Hz，測量范圍為±15°。測量精度：當傾角≤±5°時，精度為±0.005°；當傾角≤±15°時，精度為±0.01°；當傾角≤±30°時，精度為±0.035°。傳感器利用光刻電阻技術補償非線性誤差，解決了傳統傾角傳感器只有在小范圍才能保證精度的現象，使得傾角傳感器在全測量范圍內線性化，保持同一額定精度指標。傳感器還采用啟動零位測試補償技術，具有快速穩定輸出能力，單點重復性為0.0015°；采用動態數字濾波技術，輸出噪聲低，且具有較高的分辨率，分辨率為0.002°，傳感器內部采用動態零位與標度因數自校正技術。適合多種環境使用，使用環境溫度為﹣40℃~﹢55℃。
傳感器包數據輸出格式
1 發送數據格式定義
①ASCII碼發送格式（單角度）：24 FF XX XX XX XX XX 0D 0A
說明——24：頭標識$；FF：角度值的符號位(+2b/-2d)；XX：ASCII碼角度值(30~39)；0D 0A：角度發送字尾標識符（換行，回車）。
②二進制碼發送格式（單角度）：AA XX XX CC
AA：角度發送字頭標識符；XX：帶符號二進制數。5度傾角標度：6000bit/度；15度傾角標度：2000bit/度；30度傾角標度：1000bit/度；60度傾角標度：500bit/度。
CC：校驗碼；CC=數據字節1+數據字節2。
2 接受命令格式定義
讀角度命令格式如圖2所示。該命令僅在應答工作模式下有效。每個傳感器都有固定ID字(FFFF)和用戶ID字（用戶可設定，初始為0000），2個ID字都可讀角度。
圖2 讀角度命令格式
數據處理與無線數傳電路設計
無線數傳系統是無線數字傳輸系統的簡稱，該系統以無線數傳模塊為平臺，在不影響裝備功能情況下，實現數字終端之間數字信息的無線傳輸。數據處理與無線數傳的主要任務是接收傾角傳感器的數據輸出，計算每個千斤頂相對車體水平面所要調整的角度，并通過無線數傳模塊傳輸給操縱指示器。
MSP430F149單片機簡介
單片機具有可靠性高、功耗低、擴展靈活、體積小、價格低和使用方便等優點，廣泛應用于儀器儀表、專用設備智能化管理及過程控制等領域，有效地提高了控制質量與經濟效益。本設計選用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，它的主要特點是：
（1）低電壓、超低功耗
該單片機的電源電壓采用1.8V~3.6V低電壓，RAM數據保持方式下耗電僅0.1μA，在2.2V、1MHz主頻的活動模式時工作電流為280μA，I/O輸入端口的漏電流最大僅50nA。
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（2）強大的處理能力
該單片機為16位的精簡指令集(RISC)結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算，還有高效的查表處理方法及較高的處理速度，一個時鐘周期可以執行一條指令，使單片機在8MHz晶振工作時，指令速度可達8MIPS。
（3）豐富的片上外圍模塊
該單片機集成了較豐富的片內外設：模擬比較器A、定時器A、定時器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）系統工作穩定
該單片機在上電復位后，首先由DCOCLK啟動CPU，保證程序從正確的位置開始執行，同時也保證了晶體振蕩器有足夠的起振和穩定時間；之后通過軟件可設置適當的寄存器的控制位來確定最后的系統時鐘頻率。在CPU運行中，如果MCLK發生故障，DCO會自動啟動，以確保系統正常工作。如果程序跑飛，可以用看門狗將其復位。
（5）方便高效的開發環境
MSP430F149片內有JTAG調試接口，還有可電擦寫的FLASH存儲器，因此采用先通過JTAG接口下載程序到FLASH內，再由JTAG接口控制程序運行、讀取片內CPU狀態，以及存儲器內容等信息供設計者調試。由于單片機可支持串行在線編程，使開發變得更加簡便，并且開發的仿真器價格低廉，不需要昂貴的編程器。
無線數傳電路的設計
數據處理與無線數傳電路設計主要包括主控制器電路、傾角傳感器接口電路、無線數傳模塊接口電路、電源電路等。基本工作原理是：系統通上電后，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，將接收到的檢測結果運算處理，計算每個千斤頂的調整量，再通過無線數傳模塊發送給操縱指示器。
（1）主控制器及接口電路設計
主控器采用MSP430F149單片機，串口1經TTL-RS232電平轉換接傾角傳感器，用于接收傳感器輸出數據，串口2 TTL電平接無線數傳模塊，發送車體縱橫向傾斜角度和調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）電源電路設計
電源采用12V/1000mAh的鋰電池，直接為傾角傳感器供電，再經兩路DC-DC轉換，分別轉換至9V和3.3V，9V電源為無線數傳模塊供電，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）無線數傳模塊的選用
在一些多測試點的系統中，伴隨傳感器而來的是大量數據線纜。眾多的線纜不僅帶來布線的復雜不便，而且存在著短路、短線隱患，成本高，易老化，還給系統的調試和維護增加了難度。另外，在一些特殊的應用場合，需要將傳感器放置在有危險的封閉環境中進行工作，試圖通過連線的方法得到傳感器的信號顯然是有一定難度的。而采用無線方式來實現信號的傳送，可以解決這一問題。相比有線傳輸，無線傳輸具有不占據空間、沒有布線要求、成本低、可靠性高、維護方便及傳輸中的干擾較少等優點，這也在一定程度上提高了傳輸的可靠性。
圖4 電源電路圖
根據實際情況，本文采用ZT-TR43F無線數傳模塊，它是一款無線收發一體的低功耗通信模塊。該模塊的技術指標如下：①載波頻率為433MHz，工作頻率為428MHz~435MHz；②最大發射功率5mW，接收靈敏度﹣105dBm；③采用FSK調制，采用前向信道糾錯編碼，抗干擾能力強；④有八個工作信道可供選擇；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，外圍電路簡單易于開發。采用該無線數傳模塊，可以使車體調平裝置滿足某型火箭炮調平時的無線數傳要求：①適當的通信距離，一般以不超過30m為宜，通信功率過大使通信距離過遠，會造成炮與炮之間相互干擾；②較強的抗干擾能力，系統在較強的外界干擾中也能正常工作；③較低的功耗，該裝置野外應用，無固定供電電源，只能靠電池維持系統運行。
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無線模塊ZT-TR43F與單片機接口提供了RS232/TTL/RS485三種接口方式，本系統采用TTL接口方式，方便與MSP430F149單片機的接口。其中MSP430單片機的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調平時，有多個調平裝置同時工作，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別，每個裝置上帶有撥碼盤，通過撥碼盤設置各自的通信信道或識別碼。
調整角度的計算
主控制器接收到車體的縱橫向傾斜角度后，需要計算每個千斤頂相對調整的角度，角度計算的幾何關系見圖5。
圖5 角度計算關系圖
如圖5所示，車體水平傾斜角度可反映在橫向和縱向兩個方向，圖5中a和b分別為橫向和縱向傾斜角度，設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端點間隔的一半的距離，然后調整千斤頂直到橫向水準氣泡居中。若β大于0，則A端和B端同時打低，若β小于0，則A端和B端同時打高。打高過程中調整千斤頂直到縱向水準氣泡居中。
軟件設計
（1）軟件功能
軟件功能主要有：①檢測操縱指示器連接狀態；②連續讀取縱橫向傾斜角度并求平均值；③將角度值發送給操縱指示器。
（2）開發平臺
軟件開發選擇與裝置硬件中單片機相適應的IAR開發平臺，使用C語言開發。
（3）軟件流程
調平軟件完成讀取縱向與橫向傾斜角度值、模擬顯示水準氣泡指示、計算并顯示左右千斤頂調整方向等功能，其工作流程如圖6所示，其中單片機讀取角度數據的流程如圖7所示。車體調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，根據角度值分別計算出左、右千斤頂的調整方向和模擬水準氣泡的中心位置坐標，然后將這些值通過串行通信分別發送到左、右操縱指示器上。
圖6 車體調平裝置軟件流程圖
圖7 讀取角度數據流程圖
結束語
高精度調平裝置主要用于車載火箭炮平臺和導彈發射平臺等，本文針對傳統車載平臺依靠人工手動調整平臺水平，從而導致調整時間長、精度低，進而限制影響到火箭炮等武器的機動性和快速反應能力，提出了個人的觀點和設計。本文基于MSP430F149單片機，對某型火箭炮車體調平裝置的控制原理和結構設計進行了闡述。該調平裝置將傳感器、數據模塊和無線數傳技術有機地結合在一起，可實現車體傾斜度的自動快速檢測、計算和傳輸。該裝置具有檢測迅速、控制靈活和操作簡單等優點，能有效提高某型火箭炮的機動性和調平精度。
