基于MSP430F149單片機的車(chē)體調平裝置設計

隨著(zhù)國防技術(shù)的發(fā)展，根據任務(wù)需求，越來(lái)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動(dòng)性能，往往以載車(chē)為運輸載體，如火箭炮這樣的大型武器就被安裝在載車(chē)上。載車(chē)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(dòng)性。

傳統上，主要依靠人工手動(dòng)完成平臺的水平度調節，這需要一部分人員手動(dòng)調節千斤頂，另外一部分人員觀(guān)察水平儀的水泡位置。這種調平方式費時(shí)費力，且精度低、抗傾覆能力差。隨著(zhù)調平時(shí)間和調平精度要求的提高，過(guò)去的調平方式已遠遠不能滿(mǎn)足實(shí)際情況的需要，所需時(shí)間短、精度高、抗傾覆能力強的自動(dòng)調平控制技術(shù)應運而生。

在軍用方面，自動(dòng)調平控制系統廣泛應用于機動(dòng)發(fā)射裝置、導彈車(chē)、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(dòng)性能也提出了更高的要求。制約火箭炮機動(dòng)性的主要因素是火箭炮進(jìn)入陣地后，進(jìn)行架設并調整到水平狀態(tài)的時(shí)間。自動(dòng)調平裝置是消除這一制約因素的關(guān)鍵設備。隨著(zhù)電子元器件和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)調平裝置采用了許多新器件、新方法，使得調平時(shí)間和調平精度嚴格符合戰場(chǎng)要求。

設計火箭炮車(chē)體調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，實(shí)現武器系統平臺傾斜度的快速測量、計算和無(wú)線(xiàn)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(dòng)性。

自動(dòng)調平系統發(fā)展趨勢概述

目前，調平技術(shù)都已逐步成熟，但隨著(zhù)武器機動(dòng)性要求的不斷提高，也相應提高了對調平時(shí)間和調平精度的要求，與之相適應的自動(dòng)控制調平技術(shù)也不斷發(fā)展。自動(dòng)調平系統的發(fā)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(zhù)新結構、新材料、新工藝和新技術(shù)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(fā)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(dòng)性和快速反應能力的需求，要求車(chē)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(shù)的不斷發(fā)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(shù)的發(fā)展，使高穩定性的調平系統得以實(shí)現。

（3）快速性：目前，傾角傳感器的響應速度已顯著(zhù)提高，新型傾角傳感器響應時(shí)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(jìn)控制算法，都使得調平系統的調平時(shí)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(dòng)調平系統中設計有人機交互顯示面板，通過(guò)其圖形界面顯示系統的狀態(tài)及各種實(shí)時(shí)參數，并根據工作需要對系統進(jìn)行參數設置。面板設置有多個(gè)功能鍵，可根據需要自由定義，實(shí)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。

車(chē)體調平裝置總體設計

火箭炮車(chē)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(wú)線(xiàn)數傳電路設計。車(chē)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(wú)線(xiàn)發(fā)射模塊等，水平檢查座與機殼由螺釘固連，采用優(yōu)質(zhì)合金鋼，表面光潔度和水平度優(yōu)于水準儀標準，發(fā)射機天線(xiàn)位于機殼的上方，使用時(shí)旋擰上，裝箱時(shí)可以折疊放倒或旋擰下。車(chē)體調平裝置控制原理如圖1所示。



圖1 車(chē)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(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℃。根據這些要求，選用北京星網(wǎng)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(jìn)行處理與姿態(tài)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(shí)，精度為±0.005°；當傾角≤±15°時(shí)，精度為±0.01°；當傾角≤±30°時(shí)，精度為±0.035°。傳感器利用光刻電阻技術(shù)補償非線(xiàn)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(xiàn)性化，保持同一額定精度指標。傳感器還采用啟動(dòng)零位測試補償技術(shù)，具有快速穩定輸出能力，單點(diǎn)重復性為0.0015°；采用動(dòng)態(tài)數字濾波技術(shù)，輸出噪聲低，且具有較高的分辨率，分辨率為0.002°，傳感器內部采用動(dòng)態(tài)零位與標度因數自校正技術(shù)。適合多種環(huán)境使用，使用環(huán)境溫度為40℃~55℃。

傳感器包數據輸出格式

1 發(fā)送數據格式定義

①ASCII碼發(fā)送格式（單角度）：24 FF XX XX XX XX XX 0D 0A

說(shuō)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(fā)送字尾標識符（換行，回車(chē)）。

②二進(jìn)制碼發(fā)送格式（單角度）：AA XX XX CC

AA：角度發(fā)送字頭標識符；XX：帶符號二進(jìn)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(gè)傳感器都有固定ID字(FFFF)和用戶(hù)ID字（用戶(hù)可設定，初始為0000），2個(gè)ID字都可讀角度。


圖2 讀角度命令格式

數據處理與無(wú)線(xiàn)數傳電路設計

無(wú)線(xiàn)數傳系統是無(wú)線(xiàn)數字傳輸系統的簡(jiǎn)稱(chēng)，該系統以無(wú)線(xiàn)數傳模塊為平臺，在不影響裝備功能情況下，實(shí)現數字終端之間數字信息的無(wú)線(xiàn)傳輸。數據處理與無(wú)線(xiàn)數傳的主要任務(wù)是接收傾角傳感器的數據輸出，計算每個(gè)千斤頂相對車(chē)體水平面所要調整的角度，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊傳輸給操縱指示器。

MSP430F149單片機簡(jiǎn)介

單片機具有可靠性高、功耗低、擴展靈活、體積小、價(jià)格低和使用方便等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應用于儀器儀表、專(zhuān)用設備智能化管理及過(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(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(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）強大的處理能力

該單片機為16位的精簡(jiǎn)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(jiǎn)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(gè)時(shí)鐘周期可以執行一條指令，使單片機在8MHz晶振工作時(shí)，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(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）系統工作穩定

該單片機在上電復位后，首先由DCOCLK啟動(dòng)CPU，保證程序從正確的位置開(kāi)始執行，同時(shí)也保證了晶體振蕩器有足夠的起振和穩定時(shí)間；之后通過(guò)軟件可設置適當的寄存器的控制位來(lái)確定最后的系統時(shí)鐘頻率。在CPU運行中，如果MCLK發(fā)生故障，DCO會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)，以確保系統正常工作。如果程序跑飛，可以用看門(mén)狗將其復位。

（5）方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境

MSP430F149片內有JTAG調試接口，還有可電擦寫(xiě)的FLASH存儲器，因此采用先通過(guò)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(tài)，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(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)數傳電路的設計

數據處理與無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)數傳模塊接口電路、電源電路等?；竟ぷ髟硎牵合到y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(chē)體姿態(tài)，將接收到的檢測結果運算處理，計算每個(gè)千斤頂的調整量，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)數傳模塊發(fā)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(jīng)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(wú)線(xiàn)數傳模塊，發(fā)送車(chē)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(jīng)兩路DC-DC轉換，分別轉換至9V和3.3V，9V電源為無(wú)線(xiàn)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(jiàn)圖4所示。

（3）無(wú)線(xiàn)數傳模塊的選用

在一些多測試點(diǎn)的系統中，伴隨傳感器而來(lái)的是大量數據線(xiàn)纜。眾多的線(xiàn)纜不僅帶來(lái)布線(xiàn)的復雜不便，而且存在著(zhù)短路、短線(xiàn)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(chǎng)合，需要將傳感器放置在有危險的封閉環(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顯然是有一定難度的。而采用無(wú)線(xiàn)方式來(lái)實(shí)現信號的傳送，可以解決這一問(wèn)題。相比有線(xiàn)傳輸，無(wú)線(xiàn)傳輸具有不占據空間、沒(méi)有布線(xiàn)要求、成本低、可靠性高、維護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的可靠性。


圖4 電源電路圖

根據實(shí)際情況，本文采用ZT-TR43F無(wú)線(xiàn)數傳模塊，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調制，采用前向信道糾錯編碼，抗干擾能力強；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，外圍電路簡(jiǎn)單易于開(kāi)發(fā)。采用該無(wú)線(xiàn)數傳模塊，可以使車(chē)體調平裝置滿(mǎn)足某型火箭炮調平時(shí)的無(wú)線(xiàn)數傳要求：①適當的通信距離，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，會(huì )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(wú)固定供電電源，只能靠電池維持系統運行。

無(wú)線(xiàn)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(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)調平時(shí)，有多個(gè)調平裝置同時(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別，每個(gè)裝置上帶有撥碼盤(pán)，通過(guò)撥碼盤(pán)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(chē)體的縱橫向傾斜角度后，需要計算每個(gè)千斤頂相對調整的角度，角度計算的幾何關(guān)系見(jiàn)圖5。


圖5 角度計算關(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(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(tài)；②連續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

軟件開(kāi)發(fā)選擇與裝置硬件中單片機相適應的IAR開(kāi)發(fā)平臺，使用C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。

（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(chē)體調平裝置端程序通過(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(guò)串行通信分別發(fā)送到左、右操縱指示器上。

圖6 車(chē)體調平裝置軟件流程圖

圖7 讀取角度數據流程圖

結束語(yǔ)

高精度調平裝置主要用于車(chē)載火箭炮平臺和導彈發(fā)射平臺等，本文針對傳統車(chē)載平臺依靠人工手動(dòng)調整平臺水平，從而導致調整時(shí)間長(cháng)、精度低，進(jìn)而限制影響到火箭炮等武器的機動(dòng)性和快速反應能力，提出了個(gè)人的觀(guān)點(diǎn)和設計。本文基于MSP430F149單片機，對某型火箭炮車(chē)體調平裝置的控制原理和結構設計進(jìn)行了闡述。該調平裝置將傳感器、數據模塊和無(wú)線(xiàn)數傳技術(shù)有機地結合在一起，可實(shí)現車(chē)體傾斜度的自動(dòng)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能有效提高某型火箭炮的機動(dòng)性和調平精度。