基于DSP+μC/OS-Ⅱ的裝甲車輛自動裝彈機控制系統設計

李培富，張振山，李 挺，李 坤

(裝甲兵工程學院兵器工程系，北京100072)

自動裝彈機是裝甲車輛武器系統的重要組成部分，由程控盒、旋轉輸彈機、提升機、推彈機、開窗機構、火炮閉鎖器、拋殼機構、配電盒、記憶裝置、彈量指示器、裝彈操縱臺、調炮器、觸點開關和控制電纜等組成。穩定可靠地實現裝彈是裝甲車輛武器系統發揮作戰效能的前提，針對目前裝彈機工作不穩定、易出現故障的現狀，進行控制系統的優化設計，具有一定的工程應用價值。

自動裝彈機是一個機電結合的復雜系統，整個工作過程持續時間較短，故障前兆不易察覺，出現故障后不易排除。在硬件上，現有裝彈機的核心部件控制盒采用單片機、繼電器、觸點開關等器件構成。其中繼電器、觸點開關在接通和斷開過程中，存在觸點燒灼、電磁干擾較大、響應速度慢等問題，降低了系統的可靠性。而且控制盒內元器件數量較多，長期使用下容易發生觸點膠合、器件老化等隱患。內存容量較小，不能存儲裝彈機自檢采集的大量數據。核心處理器運行速率低，集成化程度不高，無法滿足裝彈機自檢和實時信號采集需要。在軟件上，缺乏良好的人機交互平臺和測試接口。因此，筆者設計了基于DSP控制的自動裝彈機控制系統，在實現現有裝彈機相應功能指標的基礎上，提高了控制系統的可測試性和可靠性，改進了系統功能，使操作更加簡便。

1 系統總體結構

自動裝彈機控制系統主要由數據采集模塊、程序控制模塊(CPU)、BIT模塊和顯示操作終端組成，其總體結構如圖1所示。系統實現的具體功能有:1)系統自檢，控制執行部件正確動作，實時采集裝彈過程中各觸點開關、行程開關的電壓信號并存入存儲器，以備故障診斷設備讀取狀態數據;2)串口通信，響應操作面板操作信號并顯示裝彈機當前狀態，上傳故障信息;3)基于CAN總線的檢測接口，便于外部檢測設備采集系統工作信號，實現故障診斷;4)CAN總線及控制模塊回路實時檢測。

圖1 系統總體結構

提高控制系統的可靠性和抗干擾能力，從硬件結構上采用模塊化設計，結構獨立可分離，系統的4個模塊疊層組合設計，機械上可拆分，電氣上采用標準接口相連，便于拆裝更換和維修，實現故障模塊的定位［1］?？刂坪性黾油獠繖z測接口，以供外部設備對其進行故障檢測。各模塊的功能如下。

1)程序控制模塊

該模塊是自動裝彈機程序控制盒內的核心部件，主要包括DSP控制芯片及其外圍最小硬件電路、CAN總線通信接口電路、SCI串行通信電路、存儲器等硬件單元?？刂颇K采用TI公司生產的TMS320F2812高速微處理器作為核心處理單元，其頻率高達150 MHz，最大支持外擴521 KB×16位FLASH，可以實現信號采集處理和驅動執行電路，完成對裝彈系統的控制和通信等功能。

2)數據采集模塊

由于車載電源電壓的不穩定，繼電器和復雜電磁環境等會對系統產生干擾且采集的數據多為22～26 V的直流電壓開關量信號，所以在數據輸入通道中需要設置隔離器件［2］。CPU根據采集的開關量信號判斷當前自動裝彈機的工況和彈藥位置，并確定下一步的動作，輸出控制指令。

3)BIT模塊

BIT模塊包括故障檢測信號生成電路和結果信號生成及處理電路。主要功能是定時向CPU發送測試指令，配合CPU模塊生成能夠對系統各功能模塊測試的檢測信號和查詢指令，然后將CPU反饋回來的狀態信息進行解析，并與系統預設的狀態庫進行比較，得出結論。

4)顯示操作終端

由鍵盤和液晶顯示電路組成，方便武器操作人員進行儀表參數和其他輸入參數的設置。顯示面板顯示自動裝彈機電氣系統工作狀態監測和故障報警信息，鍵盤按鍵實現裝卸彈、拋殼、記憶等操作功能。系統中采用4個按鍵組合的方式，通過菜單方式進行系統參數設定與操作;采用帶背光的點陣式LCD將有關參數、代碼、診斷信息和報警提示等顯示出來［3］。

2 控制系統自動裝彈工作流程

控制系統經過改造后，裝彈機的自動裝彈機過程主體是一個順序并行過程，即一個動作完成后觸發下一個動作過程。具體工作過程如圖2所示。

裝彈時，首先進行系統自檢，自檢正常后執行下一步裝彈動作;否則，系統不工作，并顯示自檢故障信息。在自動裝彈過程中，系統采集各節點開關量電壓信號，經處理后作為狀態信息存入存儲器中。

3 關鍵電路設計

3.1 開關量信號采集處理電路

圖2 自動裝彈工作流程

本設計中的電氣隔離選用高速光耦TLP521完成各行程開關的狀態信號采集，處理后傳送到DSP處理器，接口電路如圖3所示。為保證I/O接收信號的質量，采用RC電路抑制抖動。DSP采用3.3 V供電，而TLP521是24 V供電，為解決電壓匹配問題，在隔離輸出總線和DSP數據總線之間采用8位總線驅動器74LS245，其使能信號由74LS138輸出信號提供。開關信號屬于突發事件，采用中斷響應的模式實現各通道數據采集。該器件的響應時間為75 ns，根據響應速度及信號頻率指標要求，能夠滿足模塊設計要求。

圖3 開關量采集接口電路

3.2 BIT故障診斷電路

系統開發過程中融入了BIT設計技術，以實現控制系統狀態檢測和故障診斷。而在以往型號的自動裝彈機控制中能否采用BIT設計一直存在異議，原因是裝彈機控制系統數字化程度較低，常規BIT設計幾乎無一例外地要為測試而增加大量的附加零部件，對裝彈機的固有可靠性帶來一定的不良影響。本文設計的控制系統數字化、智能化的特點為BIT技術設計創造了有利的條件。具體診斷方案為:由核心控制芯片DSP控制，在不損害器件本身的前提下，對不同測試目標輸入相應的測試信號，通過測試回路的結果信號，確定目標的故障類型及性質。圖4為CAN通信電路的BIT設計，采用了高速光耦HCPL0600對通信接口電路進行電氣隔離。

圖4 CAN故障檢測電路

當DSP收到BIT單元檢測指令后發出檢測使能信號，同時DSP輸出I/O控制信號，驅動回繞開關形成CAN發送端TXD到接收端RXD的自發自收回路;同時，DSP控制外圍CAN模塊發送測試消息序列，并通過判斷發送郵箱和接收信箱消息內容的方式實現總線通信電路的故障檢測。

3.3 功率驅動電路

考慮到系統使用的電子開關和驅動電機負載電流較大，設計了電子開關和電機的驅動電路。裝彈機執行電機是直流電機，采用了以DSP作為主控部件的PWM調速系統，由DSP輸出端口P2.0和P2.1發出PWM脈沖信號，通過調節加到電機上的占空比實現電機轉速控制。電機驅動是由普林頓管組成的H型橋式驅動電路，主要放大器件是大功率三極管，功率驅動電路如圖5所示［4］。該驅動電路輸出功率大，開關的響應時間短，性能可靠。

圖5 電機驅動電路

系統利用2個光電耦合器將處理器與電機系統電源隔離起來，經過光耦控制Q1和Q2的通斷，防止驅動模塊電路對微處理器產生干擾。當數字驅動信號P2.0為高、P2.1為低時，光耦U1工作，Q1導通，放大管Q3工作，使電機輸入端OUTA為高，OUTB為低，電機流過正向電流，實現電機正向轉動。反之，當P2.1為高、P2.0為低時，實現電機反向轉動工作。電機的2種工作轉速通過信號端P2.0和P2.1信號脈寬調制實現。

3.4 DSP控制模塊

裝彈機控制系統的關鍵在于信號的及時準確處理及控制響應，需要強大的數據處理能力，因此系統中采用TI公司DSP芯片TMS320F2812作為信號處理及系統控制核心，通過外擴SRAM增強數據存儲能力，控制模塊功能框圖如圖6所示。

圖6 控制模塊功能框圖

TMS320F2812內核是C2000平臺上的定點32位DSP，主頻150 MHz，處理性能可達150 MIPS，采用哈佛總線結構，具有密碼保護機制，從而為系統高速處理和實時響應提供了充分的條件［5］。本系統中采用芯片內部集成的事件管理器模塊的PWM功能實現電機控制;采用GPIO及中斷管理鍵盤操作;看門狗防止系統出現死機情況;采用PIE模塊管理全部中斷操作;外擴SRAM映射到XINTF4空間;并口液晶映射到F2812的XINTF0空間;程序的下載調試由JTAG接口進行。

4 軟件實現

控制系統作為自動裝彈機電氣設備的控制樞紐，必須具有很強的穩定性和很高的實時性［6］。本系統軟件的構建基于μC/OS-Ⅱ實時操作系統，主要包括系統移植和系統任務劃分及實現。

4.1 系統移植

μC/OS-Ⅱ的移植要求處理器可重入代碼，用C語言可打開和關閉中斷，有讀出存取堆棧指針和寄存器的指令，支持中斷并能產生定時中斷，能夠容納任務堆棧等條件。TMS320F2812完全滿足上述條件，所以系統的移植沒有問題。移植主要工作有:

1)編寫與處理器相關的程序代碼，包括頭文件OS_CPU.H、C文件OS_CPU_C.C和ASM文件OS_CPU_A.ASM，完成處理器的預定義和用戶任務的堆棧初始化;

2)在OS_CPU_A.ASM文件中修改4個主要的匯編函數，即 OSStartHighRdy()、OSIntCtxSw()、OSTickISR()和OSCtxSw()，完成控制系統不同優先級任務的切換和相關功能實現以及時鐘節拍設置［7］;

3)修改INCLUDES.H和OS_CFG.H文件，完成用戶頭文件和控制系統基本情況的設置。

4.2 系統任務劃分及實現

μC/OS-Ⅱ移植完成系統能夠穩定正常運行后，就可以進行控制系統項目開發。本設計中采用模塊化設計方案，主要功能模塊劃分為初始化模塊、信號采集模塊、核心邏輯控制模塊、執行部件驅動模塊、CSI通信模塊、CAN通信模塊和人機接口模塊。將每一個模塊作為一個獨立的程序裝入到對應的一個任務中，并設置任務函數的掛起方式和掛起時間。每個任務具有唯一確定的優先級，優先級數越小，優先級越高。將任務以鏈表的形式進行優先級排序，通過優先級的比較來實現任務的切換，由主程序統一調用和協調各任務正常有序工作［8］。系統任務程序運行如圖7所示。

圖7 μC/OS-Ⅱ任務運行結構

5 結論

本文采用DSP芯片TMS320F1812為主控芯片配以輔助電路實現自動裝彈機控制系統的設計，在原有功能基礎上開發了BIT和外部檢測接口，為自動裝彈機在線檢測和車外故障診斷提供基礎。該系統克服了現有裝彈機控制系統結構復雜、集成度低、自身檢測能力弱等問題，可靠性、可測試性、操控性均有所提高;優化了顯示操作方式，采取了抗干擾措施和系統誤碼兼容設計。

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