便攜式火箭炮行車數據采集系統設計范文

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摘要：基于多管火箭炮復雜的車炮系統行駛動力學的研究，需要對其行車過程中各項參數進行采集分析與處理。而現有的車炮系列武器裝置行軍路況測試系統普遍具有體積過大、接線復雜以及較差的拓展性等缺點。針對小型化、模塊化的設計要求，通過STM32芯片的軟件編程和相應模塊化電路的硬件設計，實現了多管火箭炮的便攜式行車沖擊載荷數據采集系統對動力學參數、定位信息、路況圖像的采集存儲與分析處理。所得數據資料作為相關武器系統研制的可靠實驗依據。

關鍵詞：多管火箭炮；數據采集；模塊化；便攜式

在以往的行駛動力學中，多以研究普通車輛為主，很少涉及武器系統[1]。多管火箭炮行軍途中，其道路的平坦程度與普通車輛有所差異，常見為壕溝、陡坡等惡劣障礙路況。這就要求研制的車炮系統能夠承受一定的瞬時沖擊，使得研究其極限路況下的行駛能力和行駛狀態下的動態特性成為必然。多管火箭炮的作戰性能很大程度上取決于其通過極限路面的能力，無論是從零部件的磨損、疲勞，還是駕駛員的舒適程度等方面的考慮，其間產生的振動是考量整個武器系統的使用壽命和其使用安全性的重要指標之一[2-3]。有關振動的參數采集，需要進行大量復雜的、長時間的路面試驗。然而，先前的車炮系統測試裝置一方面組線復雜，另一方面裝備在車身上對測量對象產生影響，這對路面試驗的可實施性提出了新的要求。目前，小型化、模塊化的便攜式自動測試系統應用廣泛[4-8]，現根據多管火箭炮行車路面試驗對人員和設備方面的要求，通過硬件電路的搭建與軟件功能的實現解決上述數據采集、分析與處理方面的問題，優化相關武器系統研制過程實驗數據的獲取途徑，對進一步的仿真分析具有指導作用。

1系統總體設計數據采集系統

總體硬件電路均基于STM32微控芯片進行搭建[9]。主板部分包括A/D轉換模塊、TFTLCD液晶顯示模塊與TF存儲模塊等主要功能模塊，外接部分包括OV7670圖像傳感模塊、GPS/北斗定位模塊、信號調理模塊以及用于結合上位機進行數據傳輸的WIFI模塊。系統下位機采用KeiluVision5基于C語言進行編程以實現各模塊之間的聯動[10]。系統上位機軟件基于LabVIEW平臺進行開發，與下位機之間通過協調進行各項參數數據的傳輸與控制以滿足多管火箭炮進行路面試驗的自動化測試要求。該系統框架結構如圖1所示。

2關鍵模塊設計

2.1動力學參數采存模塊設計

多管火箭炮在行車過程中的沖擊載荷參數，需要通過在特定部位安置傳感器，經過信號調理后進行A/D轉換以得到準確的參數數據。由于車身各部位均存在不同程度的沖擊，故將數采電路設計為8通道，每個通道可獨立采集各部位、各類型的動力學參數。在進入A/D轉換前，對電壓信號進行分壓、穩壓處理[11]。In_A0-In_A7接收為傳感器采集且經信號調理后的預處理電壓信號，每個通道3個相同阻值電阻將信號分壓為先前的1/3，通過穩壓管限制過大的電壓信號輸入。經初步處理后電壓信號通過軟件編程指定的PA0-PA3、PA5-PA7對應I/O傳入主控芯片內部ADC1和PF6對應I/O傳入ADC3（各模塊引腳合理分配下需同時用到ADC1、ADC3組成8通道），進行A/D轉換。外圍電路原理圖如圖2所示（以通道1為例）。STM32F103系列芯片采用12bitADC，由于行車過程需要長時間采樣，其整個系統對于存儲量的設計要求嚴格，如采用FLASH芯片進行數據存儲，無法滿足上述要求。因此，該部分電路設計采用SDIO外擴存儲，保證了整個采樣過程數據的完整性與準確性[12]。數據的寫入與讀取過程，采用移植的FatFS文件系統。FatFS是為小型、低成本嵌入式開發設計的。通用FileAllocationTable（FAT）文件系統模塊，其整個編寫遵循ANSIC，與磁盤I/O層徹底分開，因此整個文件系統對硬件架構沒有依賴性。在無需作出修改的情況下，靈活地嵌入多種類微控制器當中，實現對文件的控制。

2.2圖像與定位模塊設計

2.2.1圖像采集多管火箭炮在行軍途中極限路況的沖擊載荷數據無法直觀判斷造成沖擊的具體路況，因此，該數采系統通過對產生超過設定載荷閾值下的路況圖像數據采集存儲，對照相應動力學參數分析可以得知例如水平溝壑，垂直臺階、陡坡等惡劣障礙對車炮系統行進造成的影響。整體系統是在小型化的基礎上進行設計，因此圖像采集模塊使用小體積、低工作電壓的OV7670CAMERACHIP™圖像傳感器，其擁有單片VGA攝像頭并提供影像處理各項功能。通過SCCB總線接口編程，對所需采樣圖像質量、采樣數據格式和對應傳輸方式進行控制。利用此類OmmiVision圖像傳感器優化行車極限路況圖像浮散、拖尾等電光缺陷，可穩定采集到清晰的彩色圖像數據。

2.2.2定位信息由于作戰區域的不同，對多管火箭炮的設計需要考慮相應的環境因素，在相同的沖擊載荷下，地質、海拔以及當地氣候狀況均是整個地面行車試驗過程中需要收集的重要信息。通過上述考慮，數采系統利用實時定位技術，實現了對經緯度等多項定位信息的獲取。GPS/北斗定位模塊核心選擇SkyTraq生產的S1216F8-BD高性能模組，擁有通道數167，采樣頻率能夠達到20Hz，具備較高的捕獲靈敏度，追蹤靈敏度更是達到了-165dBm。同圖像采集模塊，其體積小巧，滿足設計要求。通過USART對采樣參數進行控制，并將其保存于FLASH。星歷數據在掉電情況下仍可保存完整。行車顛簸過程當中對模塊接收定位信息的穩定性有嚴格要求，因此，設計為通過IPX接口外接GPS/北斗定位雙模天線，很大程度上提高了設備的適應性。定位信息類型和相應數據（以某地試驗為例）如表1所示。

2.3電源模塊設計

電源模塊對于任何硬件電路來說，都是不可或缺的，其設計的優劣，很大程度上決定了整個硬件電路的工作狀態和穩定性。由于需要供電的元器件不具有統一的工作電壓，分別為3.3V與5V，要求電源電路分壓后能夠提供穩定的電源供給，電源模塊主要元器件如圖3所示。電源設計方案為先通過直流降壓轉換器MP2359DJ-LF-Z將外接12V降至5V，后通過線性穩壓器ASM1117-3.3輸出為3.3V。若12V直降3.3V，多出的8.7V均為發熱源，效率卻只有27.5%（3.3/12）。MP2359為DC-DC，效率估為90%，5V穩壓至3.3V的效率為66%（3.3/5），可得總效率59.4%（90%*66%）。此方案不僅可以分出不同壓值的電壓，而且在電能應用效率上較之12V直降為3.3V有很大提升。在繪制四層PCB過程中，單獨將中間兩層設置為電源層與地層。對電源層分割獲得不同壓值的電壓供給。整體硬件設計包括電源地、數字地、模擬地，為了保證良好的信號回流，將各部分分割后單點接入電源地。

3上位機設計

整體下位機系統已具備數據讀取、顯示與繪制曲線等功能，為了能夠更好地實現數據的分析與處理，需要將下位機采存的數據傳輸至上位機，通過LabVIEW編程控制數據流[13，14]。這里的設計采用板載ESP8266模塊，其內部置有TCP/IP協議棧，利用LVTTL與MCU進行通訊，合理配置串口，即可通過WIFI傳輸所需要的數據至上位機。同樣上位機軟件通過WIFI將指令數據傳輸至串口，用于控制下位機。上位機軟件控制界面如圖4所示。

4工作流程

數采系統硬件電路通過電源接口接入12V外部供電，利用TFTLCD顯示屏人機交互選擇數采通道、時頻控制以及各項采樣準備參數的設置[15]。觸發采樣方式分為按鍵觸發、信號觸發等。當系統收到特定的信號時，開始按照上述設定進行采樣，由于采樣數據量較大，通過設定閾值與數據值進行對比，將超過閾值的數據記錄，同對應此刻的路況圖像以及定位信息按特定編號存入TF卡，完成后繼續按照上述過程進行循環采樣，直至收到結束指令信號。為了方便即時數據資料分析，在行軍途中可在下位機隨時讀取數據繪制曲線與其他參數的調取顯示而無需傳輸至上位機再完成分析處理。當結束行車路面試驗時，通過WIFI環境建立起下位機與上位機之間的通訊，可將待處理數據按需求傳輸至上位機進一步處理。整體系統工作流程如圖5所示。

5結論

通過多管火箭炮行軍路面實驗，該數據采集系統成功采樣動力學參數且滿足規定精度要求，在成功采樣信號回執后，完整獲取同一時間路面圖像和定位信息，整體系統工作嚴格按照既定流程進行，驗證了設計的可行性。測試計量作為武器系統設計、研制過程中不可或缺的環節，在方法和設備方面的改進會對整體系統起到一定的指導作用[16]，該設計擺脫了傳統的多設備、大體積、接線復雜的缺點，使得數據采集系統在多管火箭炮行軍途中對車炮系統本身的特性參數不會造成影響，保證了所采集數據的準確性。同時圖像數據采樣結合定位信息獲取能夠很好地掌握沖擊載荷高峰值的地理位置和具體路況，為后續分析提供了重要依據。小型化、模塊化的設計要求已然成為現代測試設備的主流，在今后的發展當中，還需要在高速、通用等方面將測試系統加以改進。

作者：母昀皓 夏靜 單位：南京理工大學