胡朝根,焦貴偉

(1.陸軍軍官學(xué)院兵器工程教研室,合肥 230031;2.陸軍軍官學(xué)院研究生管理大隊,合肥 230031)

項目來源:裝備預(yù)研基金項目(9140A27020314JB91441)

2017-02-16修改日期2017-07-07

牽引火炮輪胎狀態(tài)數(shù)據(jù)自動監(jiān)測與報警系統(tǒng)設(shè)計*

胡朝根1*,焦貴偉2

(1.陸軍軍官學(xué)院兵器工程教研室,合肥 230031;2.陸軍軍官學(xué)院研究生管理大隊,合肥 230031)

牽引火炮是當(dāng)前部隊裝備很多的炮種,行軍要通過牽引車牽引車輪運動,因此牽引火炮輪胎的狀態(tài)參數(shù)是火炮行軍過程中的需要密切關(guān)注掌握的情況。針對目前炮兵部隊尚無專門設(shè)備對行軍中火炮輪胎狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測這一狀況,基于現(xiàn)代傳感器技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)以及無線傳輸技術(shù),介紹設(shè)計了一種牽引火炮輪胎狀態(tài)數(shù)據(jù)自動監(jiān)測和報警系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的總體設(shè)計,硬件設(shè)計,軟件設(shè)計,進(jìn)行了驗證分析,結(jié)果表明此系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)牽引火炮在行軍中的溫度壓力等狀態(tài)的實時準(zhǔn)確監(jiān)測,有效防止輪胎爆胎,減少輪胎的損毀,避免故障發(fā)生,降低火炮的非戰(zhàn)斗損失,具有很強(qiáng)的實用性。

牽引火炮;輪胎;監(jiān)測與報警系統(tǒng);傳感器;無線傳輸

輪胎作為牽引火炮運動體的核心部分,其溫度壓力值的正常與否決定著牽引火炮在行軍過程中的安全以及火炮正常作戰(zhàn)功能的發(fā)揮。在行軍過程中,胎溫過高,胎壓過壓和欠壓都會影響輪胎的正常使用壽命。行軍過程中輪胎異常溫度壓力還會相互影響,產(chǎn)生惡性循環(huán)。胎壓過高,輪胎摩擦力、附著力降低,影響制動效果,同時輪胎耐軋性能下降,遇尖銳物體導(dǎo)致爆胎;胎壓過低,輪胎變軟,與地面摩擦增大,牽引車油耗上升,過度碾壓導(dǎo)致輪胎磨損、老化加劇,同時也會使溫度升高,導(dǎo)致爆胎。火炮輪胎溫度壓力異常引起的故障輕則造成輪胎壽命降低,增加裝備維護(hù)費用,重則造成人員傷亡,延誤作戰(zhàn)時機(jī)。而如果在火炮輪胎狀態(tài)數(shù)據(jù)異常時就能發(fā)現(xiàn)并及時處理,就能將非戰(zhàn)斗損失降到最小。因此,對牽引火炮輪胎的溫度壓力進(jìn)行實時監(jiān)測和報警具有十分重大的意義[1]。

目前各炮兵部隊對火炮輪胎溫度壓力尚無專門的配套監(jiān)測設(shè)備,僅靠原始人工觀察。針對牽引火炮在行軍過程中輪胎狀態(tài)數(shù)據(jù)的重要性,以及變化波動不易察覺,很難預(yù)防的特點,筆者利用傳感器技術(shù),單片機(jī)技術(shù)以及無線傳輸技術(shù),設(shè)計了一種牽引火炮輪胎狀態(tài)數(shù)據(jù)實時監(jiān)測和報警系統(tǒng)[2]。不僅能對單門火炮輪胎狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測,還可以對牽引火炮編隊行軍中的狀態(tài)數(shù)據(jù)變化進(jìn)行監(jiān)測和管理,同時在超過臨界值時進(jìn)行聲光報警,提醒分隊人員及時停止行軍進(jìn)行處理,避免了事故的發(fā)生,保證作戰(zhàn)任務(wù)的順利完成,延長了輪胎的使用壽命,節(jié)省了維修的人力物力,能顯著提高部隊裝備的信息化管理水平。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

牽引火炮輪胎狀態(tài)數(shù)據(jù)自動監(jiān)測和報警系統(tǒng)由數(shù)據(jù)檢測發(fā)射裝置、無線中繼裝置、接收顯示手持終端和PC機(jī)組成[3]。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。無線中繼裝置為選用部分,當(dāng)牽引火炮編隊行軍時縱深過大時,為保證通信傳輸質(zhì)量,安裝無線中繼裝置。數(shù)據(jù)檢測發(fā)射裝置由多類傳感器、微控制模塊(MCU)以及RF發(fā)射模塊等構(gòu)成,主要將檢測到的狀態(tài)數(shù)據(jù)信號發(fā)送給中繼裝置或手持終端。接收顯示手持終端包含多個功能部分,主要是接收傳感器發(fā)送的信號,經(jīng)過解調(diào),處理,顯示,報警,同時將所有采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊發(fā)送給PC機(jī)。PC機(jī)主要是將監(jiān)測到的實時數(shù)據(jù)以變化曲線形式顯示出來。本系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)流均采用無線模塊來進(jìn)行傳輸,減少了線路的設(shè)置,快捷高效,數(shù)據(jù)流方向如圖2所示[4]。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

圖2 數(shù)據(jù)傳輸圖

系統(tǒng)工作過程如下:在建制規(guī)模的牽引火炮的每個輪胎輪轂處安裝一個胎壓傳感器,利用智能傳感器中的溫度、壓力、加速度、電壓傳感器測量各狀態(tài)參數(shù),A/D轉(zhuǎn)換后送入存儲模塊,處理器檢測到火炮開始行軍時(通過徑向加速度傳感器),RF發(fā)射模塊則以特定頻率向接收顯示手持終端發(fā)射檢測到的數(shù)據(jù)信號,火炮行軍停止時,發(fā)射裝置進(jìn)入省電狀態(tài);手持終端在接收發(fā)射裝置的RF信號,進(jìn)行轉(zhuǎn)換,譯碼,提取出各個狀態(tài)數(shù)據(jù),存儲,以RF信號形式發(fā)送給PC機(jī)(上位機(jī)),同時送入中央處理模塊,當(dāng)某輪胎數(shù)據(jù)值超過設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)值時,處理器驅(qū)動進(jìn)行聲光報警,并在液晶屏上顯示火炮編號,輪胎位置及異常值;PC機(jī)在接收到手持終端無線傳輸過來的實時檢測數(shù)據(jù),包括溫度、壓力、加速度、電池電壓等,在顯示屏上以變化曲線的形式顯示[5]。

本系統(tǒng)主要是監(jiān)測火炮輪胎的溫度壓力,手持終端通過提前設(shè)定合理的危險臨界值,在行軍過程中達(dá)到異常狀態(tài)及時報警,顯示異常處位置和狀態(tài)值。而PC機(jī)上顯示的狀態(tài)實時變化曲線則能給編隊指揮人員提供依據(jù),指揮人員可以通過分析其規(guī)律及時預(yù)警,調(diào)整部署,比如輪胎緩慢漏氣不易引發(fā)報警的現(xiàn)象,同時在牽引火炮編隊在返回炮場時可根據(jù)胎壓,電池電壓等狀態(tài)曲線,進(jìn)行輪胎維護(hù)等保養(yǎng)工作,提高裝備保障效率。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)發(fā)射裝置硬件設(shè)計

數(shù)據(jù)檢測發(fā)射裝置的硬件主要是由將傳感器與單片,所需RF機(jī)以及RF發(fā)射模塊集成封裝的智能傳感器構(gòu)成。本系統(tǒng)采用的是德國Infineon公司的SP37胎壓監(jiān)測傳感器,該傳感器集成度高,小型化,功耗低,符合系統(tǒng)設(shè)計要求。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。它采用系統(tǒng)級封裝(SIP),集成了范圍從100 kPa～450 kPa的壓力傳感器、徑向加速度傳感器、溫度傳感器、電源電壓傳感器,嵌入8051兼容的8 bit微控制器、6 KB片上閃存存儲器、256 Byte RAM,低功耗RF發(fā)射機(jī),高靈敏度LF接收器[6-7]。SP37接收到的數(shù)據(jù)信號處理后,以434 MHz的FSK調(diào)制方式從RF天線發(fā)射出去。電源供電方式采用3 V紐扣電池供電,內(nèi)置電源管理模塊,通過行駛速度不同工作在不同模式,以減小功耗,可以使用較長時間。SP37工作溫度范圍在-40 ℃～+125 ℃,在惡劣環(huán)境下具有高度可靠性,可在野戰(zhàn)條件下穩(wěn)定工作。

圖3 SP37結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 無線中繼裝置硬件設(shè)計

無線中繼裝置由收發(fā)器IA4421,微控制器MC9S08DZ60以及電源模塊構(gòu)成。結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 無線中繼裝置結(jié)構(gòu)示意圖

選用的IA4421是一款單晶片低功耗,多頻道的FSK收發(fā)器,工作在無須注冊的433M、868M、915M頻段。它是一個完整的收發(fā)機(jī),內(nèi)部集成了高功率放大器(PA)、低噪聲放大器、I/Q轉(zhuǎn)換混頻器、基帶濾波器、中頻放大器、信號強(qiáng)度指示等RF功能模塊,外設(shè)電路簡單,性能穩(wěn)定可靠。

MC9S08DZ60內(nèi)部為40 MHz的時鐘頻率,20 MHz的總線速率,具有60 KB Flash存儲器,4 KB的RAM,2 K的EEPROM在線可編程內(nèi)存,大容量的存儲空間可以保證開發(fā)軟件代碼的完備性。設(shè)置參數(shù)如輪胎ID、工作模式等可以存儲在EEPROM存儲,保證掉電數(shù)據(jù)不丟失,上電無需重新設(shè)置,提高了系統(tǒng)可靠性。單片機(jī)內(nèi)部還有SPI模塊,RF芯片可通過SPI總線與單片機(jī)連接。

2.3 手持終端硬件設(shè)計

接收顯示手持終端采用功能模塊化設(shè)計,與檢測發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)類似,結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。內(nèi)部系統(tǒng)分為中央處理模塊、RF傳輸(收發(fā))模塊、信息顯示模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、聲光報警模塊、電源管理模塊。中央處理模塊作為手持終端的主控模塊,以Freescale公司的MC9S12XS128MAL作為中央處理芯片,MC9S12XS128MAL是16 bit單片機(jī),由16 bit中央處理單元(CPU12X)、128 KB程序Flash、8 KB RAM、8 KB數(shù)據(jù)Flash組成,112引腳封裝,可以集成多種模塊,符合系統(tǒng)設(shè)計的要求。無線收發(fā)模塊使用與中繼裝置相同的IA4421,信號經(jīng)FSK調(diào)制以434 MHz頻段發(fā)射[8]。

圖5 接收顯示手持終端結(jié)構(gòu)示意圖

整個手持終端采用鋰電池供電,為了減小功耗,嵌入了電源管理模塊,設(shè)計時注重充電控制避免過沖和電池的欠壓保護(hù),利于延長電池使用壽命。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括數(shù)據(jù)通信協(xié)議,檢測發(fā)射裝置的軟件設(shè)計,無線中繼裝置的軟件設(shè)計,手持終端的軟件設(shè)計,以及加密算法設(shè)計。

3.1 數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議

該系統(tǒng)無線傳輸頻段采用434 MHz的通用標(biāo)準(zhǔn),調(diào)制方式為頻移鍵控調(diào)制(FSK),傳輸波特率為9 600 bit/s。同步傳輸過程中,系統(tǒng)信源編碼采用曼徹斯特編碼。曼徹斯特編碼可編碼同步位流的時鐘和數(shù)據(jù),抗干擾性能強(qiáng),能自動同步。傳輸數(shù)據(jù)在發(fā)送前,需重新編排,為使數(shù)據(jù)有效傳輸,采用CRC循環(huán)冗余校驗,傳感器發(fā)射的每幀數(shù)據(jù)格式如表1所示[9]。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

其中前導(dǎo)碼2 byte,由SP37自動生成,需預(yù)先設(shè)置在手持終端芯片的內(nèi)部寄存器中,只有前導(dǎo)碼與寄存器中的相匹配,才開始接收;標(biāo)識碼1 byte;用于標(biāo)識數(shù)據(jù)幀來自傳感器;設(shè)備ID為4 byte,用于標(biāo)識火炮輪胎的位置信息;溫度、壓力、加速度、電壓等數(shù)據(jù)根據(jù)傳感器的量程,均為1 byte;CRC校驗和1 byte,用于檢驗接受數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確。

3.2 數(shù)據(jù)檢測發(fā)射裝置軟件設(shè)計

檢測發(fā)射的主程序如圖6所示,主要進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集,A/D轉(zhuǎn)換,送入微處理器編碼發(fā)送無線信號。同時通過SP37內(nèi)置的加速度傳感器來判斷火炮的運動與停止,進(jìn)而控制檢測數(shù)據(jù)的發(fā)射間隔,進(jìn)而降低功耗。運動時每隔6 s發(fā)射一次狀態(tài)數(shù)據(jù);停止時,進(jìn)入省電狀態(tài),每隔2 min發(fā)射一次數(shù)據(jù)。系統(tǒng)每小時復(fù)位一次,以保證可靠性。

圖6 檢測發(fā)射裝置主程序流程圖

圖7 中繼裝置主程序流程圖

3.3 中繼裝置軟件設(shè)計

無線中繼軟件主要是對RF信號進(jìn)行中繼,即接收傳感器發(fā)射的信號,驗證數(shù)據(jù)正確性后,以相同頻段和波特率將數(shù)據(jù)幀重新發(fā)送出去,供手持終端接收。中繼裝置處理流程圖如7所示[10-11]。

3.4 手持終端軟件設(shè)計

手持終端在接收到發(fā)射過來的射頻信號后,解析出數(shù)據(jù)值,先檢驗數(shù)據(jù)完好性,然后將輪胎的ID信息與提前設(shè)定好的信息進(jìn)行驗證,得出輪胎序號,若輪胎ID不匹配數(shù)據(jù)不完備則丟棄數(shù)據(jù)幀重新接收新數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)驗證完畢后轉(zhuǎn)碼送入存儲器存儲,同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)[12]。微處理器將正確數(shù)據(jù)與設(shè)定好的閾值進(jìn)行比較,若符合報警條件則進(jìn)行聲光報警并在顯示器上顯示出輪胎位置和異常狀態(tài)值,否則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行下一次判別。程序流程圖如圖8所示。

圖8 手持終端主程序流程圖

3.5 加密算法設(shè)計

由于野戰(zhàn)環(huán)境存在各種電磁干擾,在通信過程中會使數(shù)據(jù)一定程度上產(chǎn)生差錯,同時基于軍用通信的保密性要求,為提高系統(tǒng)的安全性和可靠性,設(shè)計了一種加密算法。在檢測發(fā)射裝置發(fā)送無線數(shù)據(jù)信號之前,加密數(shù)據(jù)。手持終端相應(yīng)的也要先對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行解密,若解密后不能通過校驗,則說明數(shù)據(jù)錯誤,丟棄數(shù)據(jù)幀。

加密算法設(shè)計:發(fā)送的數(shù)據(jù)幀共13 byte,對前6 byte和后7 byte采用兩種處理方式。前6 byte,設(shè)為A={A0A1A2A3A4A5},對A先循環(huán)右移3位得B,B按位取反得C,C循環(huán)左移3位得到D。后7 byte,設(shè)為G={A6A7A8A9A10A11A12},對G先按位取反得到H,H再循環(huán)左移4位得到I,I再按位取反得到J。而手持終端接收到無線信號后,進(jìn)行相應(yīng)的反操作解密得到A和G,最后計算是否A0^A1^A2^A3^A4^A5^A6^A7^A8^A9^A10^A11=A12,來驗證數(shù)據(jù)可靠性。

4 實驗分析

為了驗證該系統(tǒng)能否準(zhǔn)確反應(yīng)狀態(tài)變化,用加裝該系統(tǒng)的某型牽引火炮在2 km野外行軍條件下,控制行軍速度逐漸加快,勻速行駛一段距離后停止行軍,采集30組數(shù)據(jù),所得變化曲線如圖9所示。

圖9 行軍過程壓力溫度變化曲線

從曲線總體走勢上可以看出,溫度和壓力的變化是同步的,這是由于輪胎內(nèi)部可看做定容條件,根據(jù)氣體方程可知壓力和溫度是成正比的。火炮開始行軍時,輪胎與地面摩擦生熱,溫度由初始常溫逐漸升高,壓力也逐漸上升,當(dāng)速度加快時摩擦加劇,溫度大幅度上升,壓力也同步上升,停止行軍時,摩擦停止,胎溫下降,壓力緊跟下降。總體來說,得到的壓力溫度曲線能夠真實有效反映行軍過程中的壓力溫度變化過程,通過設(shè)定好合理的閾值就能很好達(dá)到監(jiān)測報警目的。

為驗證該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和報警性能,以氣壓數(shù)據(jù)為例,對某加裝該系統(tǒng)的火炮輪胎先降壓放氣,再緩慢充氣到標(biāo)準(zhǔn)壓力,期間停頓數(shù)次采集輪胎壓力數(shù)據(jù),再與專用胎壓測試表的測量值進(jìn)行比對,得出表2的實驗數(shù)據(jù)。

表2 實測數(shù)據(jù) 單位:MPa

從實驗數(shù)據(jù)可以看出:本系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性很高,當(dāng)輪胎氣壓低于0.810 MPa時,輪胎氣壓過低,本系統(tǒng)會立即報警,氣壓位于0.813MPa ～0.820 MPa屬于正常胎壓范圍內(nèi),系統(tǒng)不會報警,當(dāng)氣壓高于0.830 MPa,輪胎有爆胎風(fēng)險,本系統(tǒng)也會提示報警。綜上可知,本系統(tǒng)滿足設(shè)計的功能要求,能準(zhǔn)確測量并及時報警。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的系統(tǒng)能有效對牽引火炮行軍時輪胎狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行實時監(jiān)控和自動報警,該系統(tǒng)準(zhǔn)確度高,外圍電路少,功耗低,抗干擾性強(qiáng),操作簡單,能顯著降低了牽引火炮的非戰(zhàn)斗損失,提高了部隊裝備的數(shù)字化水平,具有很強(qiáng)的實用和推廣價值。

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DesignofAutomaticMonitoringandWarningSystemforStateDataofTireofTowedGun*

HUChaogen1*,JIAOGuiwei2

(1.Weapon Engineering Section,Army Officer Academy,Hefei 230031,China; 2.Company of Postgraduate Management,Army Officer Academy,Hefei 230031,China)

Towed gun which was equipped in the army a lot,marches by pulling wheels with motor tractor,so towed gun’s tire state data should be paid close attention to in the process of artillery marching. Aimed at the situation,there are no special equipment for monitoring gun’s tire state in the marching,this paper describes the design of an automatic monitoring and warning system for state data of tire of towed gun based on the technology of modern sensor,microcontroller and wireless transmission. This paper performs the overall design of the system,hardware design,software design and test analysis. The test showed that the system,with strong practicability,can monitor real-time temperature and pressure in the marching accurately,effectively preventing the tire burst,avoiding failure,reducing the damage of the tire and the non-combat loss.

towed gun;tire;monitoring and warning system;sensor;wireless transmission

TJ303.9

A

1004-1699(2017)10-1608-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.10.026

胡朝根(1960-),男,學(xué)士,安徽合肥人,陸軍軍官學(xué)院兵器工程教研室副教授,長期從事兵器技術(shù)勤務(wù)檢查、火炮身管檢測和火炮壽命預(yù)測的教學(xué)和科研工作,15375549483@163.com;

焦貴偉(1993-)男,安徽淮南人,碩士研究生,主要研究方向從事兵器檢測技術(shù),火炮壽命預(yù)測、精準(zhǔn)射擊等方面的研究,465911725@qq.com。