隨著國(guó)防技術(shù)的發(fā)展,，根據(jù)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(jī)動(dòng)性能,，往往以載車(chē)為運(yùn)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(dá)目的地后,，借助平臺(tái)快速將武器架設(shè)調(diào)至水平而后工作，工作完成后平臺(tái)能夠快速地撤收,、轉(zhuǎn)移,。既保證了武器的工作性能，又提高了機(jī)動(dòng)性,。

傳統(tǒng)上,，主要依靠人工手動(dòng)完成平臺(tái)的水平度調(diào)節(jié)，這需要一部分人員手動(dòng)調(diào)節(jié)千斤頂,，另外一部分人員觀察水平儀的水泡位置,。這種調(diào)平方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且精度低,、抗傾覆能力差,。隨著調(diào)平時(shí)間和調(diào)平精度要求的提高，過(guò)去的調(diào)平方式已遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)的自動(dòng)調(diào)平控制技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,。

在軍用方面,，自動(dòng)調(diào)平控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于機(jī)動(dòng)發(fā)射裝置、導(dǎo)彈車(chē),、坦克火控調(diào)試臺(tái)等裝備。以火箭炮為例,，火箭炮被大量使用在高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中,，為了提高其生存能力，對(duì)其機(jī)動(dòng)性能也提出了更高的要求。制約火箭炮機(jī)動(dòng)性的主要因素是火箭炮進(jìn)入陣地后,，進(jìn)行架設(shè)并調(diào)整到水平狀態(tài)的時(shí)間,。自動(dòng)調(diào)平裝置是消除這一制約因素的關(guān)鍵設(shè)備。隨著電子元器件和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,，自動(dòng)調(diào)平裝置采用了許多新器件,、新方法，使得調(diào)平時(shí)間和調(diào)平精度嚴(yán)格符合戰(zhàn)場(chǎng)要求,。

設(shè)計(jì)火箭炮車(chē)體調(diào)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(shè),，實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)平臺(tái)傾斜度的快速測(cè)量、計(jì)算和無(wú)線(xiàn)數(shù)傳,，使其快速精確地達(dá)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(tǒng)的機(jī)動(dòng)性。

自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)概述

目前,，調(diào)平技術(shù)都已逐步成熟,，但隨著武器機(jī)動(dòng)性要求的不斷提高，也相應(yīng)提高了對(duì)調(diào)平時(shí)間和調(diào)平精度的要求,，與之相適應(yīng)的自動(dòng)控制調(diào)平技術(shù)也不斷發(fā)展,。自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)的發(fā)展方向主要是：

（1）精確性：系統(tǒng)的精確性主要取決于傾角傳感器的分辨率。隨著新結(jié)構(gòu),、新材料,、新工藝和新技術(shù)在高精度傾角傳感器中的應(yīng)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(tǒng)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(dá)到0.001度或更高,。

（2）穩(wěn)定性：為了適應(yīng)現(xiàn)代武器高機(jī)動(dòng)性和快速反應(yīng)能力的需求，要求車(chē)載平臺(tái)有更高的穩(wěn)定性,，采用機(jī)電伺服系統(tǒng)代替電液伺服系統(tǒng),，加上單片機(jī)系統(tǒng)可靠性與抗干擾技術(shù)的不斷發(fā)展，奠定了單片機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠工作的基礎(chǔ),。尤其是計(jì)算機(jī)與傳感器技術(shù)的發(fā)展,，使高穩(wěn)定性的調(diào)平系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

（3）快速性：目前,，傾角傳感器的響應(yīng)速度已顯著提高,，新型傾角傳感器響應(yīng)時(shí)間達(dá)到了5毫秒，響應(yīng)速度為200次/秒,，再加上在系統(tǒng)中應(yīng)用先進(jìn)控制算法,，都使得調(diào)平系統(tǒng)的調(diào)平時(shí)間大大縮短了,，也就提高了武器系統(tǒng)的快速性。

（4）可操作性：在自動(dòng)調(diào)平系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有人機(jī)交互顯示面板,，通過(guò)其圖形界面顯示系統(tǒng)的狀態(tài)及各種實(shí)時(shí)參數(shù),，并根據(jù)工作需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。面板設(shè)置有多個(gè)功能鍵,，可根據(jù)需要自由定義,，實(shí)現(xiàn)調(diào)平系統(tǒng)的各種操作。這些都將使系統(tǒng)的可操作性得到大大提高,。

車(chē)體調(diào)平裝置總體設(shè)計(jì)

火箭炮車(chē)體調(diào)平裝置總體設(shè)計(jì)包括：傾角傳感器的選型,、數(shù)據(jù)處理與無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電路設(shè)計(jì)。車(chē)體調(diào)平裝置機(jī)殼采用鋁合金整體加工,，內(nèi)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(jī)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(zhǔn)儀標(biāo)準(zhǔn),，發(fā)射機(jī)天線(xiàn)位于機(jī)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(diào)平裝置控制原理如圖1所示,。



圖1 車(chē)體調(diào)平裝置控制原理圖

傾角傳感器及傳感器包數(shù)據(jù)輸出格式

傾角傳感器選型

傾角傳感器用于感應(yīng)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(jù)這些要求，選用北京星網(wǎng)宇達(dá)科技公司的TW-TS1110傾角傳感器,。該傳感器內(nèi)部采用高速數(shù)字處理器,，對(duì)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(shù)字輸出模式,，輸出速度為5Hz,，測(cè)量范圍為±15°。測(cè)量精度：當(dāng)傾角≤±5°時(shí),，精度為±0.005°,；當(dāng)傾角≤±15°時(shí)，精度為±0.01°,；當(dāng)傾角≤±30°時(shí),，精度為±0.035°。傳感器利用光刻電阻技術(shù)補(bǔ)償非線(xiàn)性誤差,，解決了傳統(tǒng)傾角傳感器只有在小范圍才能保證精度的現(xiàn)象,，使得傾角傳感器在全測(cè)量范圍內(nèi)線(xiàn)性化,，保持同一額定精度指標(biāo)。傳感器還采用啟動(dòng)零位測(cè)試補(bǔ)償技術(shù),，具有快速穩(wěn)定輸出能力，單點(diǎn)重復(fù)性為0.0015°,；采用動(dòng)態(tài)數(shù)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(nèi)部采用動(dòng)態(tài)零位與標(biāo)度因數(shù)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(shù)據(jù)輸出格式

1 發(fā)送數(shù)據(jù)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(biāo)識(shí)$；FF：角度值的符號(hào)位(+2b/-2d),；XX：ASCII碼角度值(30~39),；0D 0A：角度發(fā)送字尾標(biāo)識(shí)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(biāo)識(shí)符,；XX：帶符號(hào)二進(jìn)制數(shù)。5度傾角標(biāo)度：6000bit/度,；15度傾角標(biāo)度：2000bit/度,；30度傾角標(biāo)度：1000bit/度；60度傾角標(biāo)度：500bit/度,。

CC：校驗(yàn)碼,；CC=數(shù)據(jù)字節(jié)1+數(shù)據(jù)字節(jié)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(yīng)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(shè)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(shù)據(jù)處理與無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電路設(shè)計(jì)

無(wú)線(xiàn)數(shù)傳系統(tǒng)是無(wú)線(xiàn)數(shù)字傳輸系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，該系統(tǒng)以無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊為平臺(tái),，在不影響裝備功能情況下,，實(shí)現(xiàn)數(shù)字終端之間數(shù)字信息的無(wú)線(xiàn)傳輸。數(shù)據(jù)處理與無(wú)線(xiàn)數(shù)傳的主要任務(wù)是接收傾角傳感器的數(shù)據(jù)輸出,，計(jì)算每個(gè)千斤頂相對(duì)車(chē)體水平面所要調(diào)整的角度,，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊傳輸給操縱指示器。

MSP430F149單片機(jī)簡(jiǎn)介

單片機(jī)具有可靠性高,、功耗低,、擴(kuò)展靈活,、體積小、價(jià)格低和使用方便等優(yōu)點(diǎn),，廣泛應(yīng)用于儀器儀表,、專(zhuān)用設(shè)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(jì)效益,。本設(shè)計(jì)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(jī)的電源電壓采用1.8V~3.6V低電壓,，RAM數(shù)據(jù)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(qiáng)大的處理能力

該單片機(jī)為16位的精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址,、4種目的操作數(shù)尋址）,、簡(jiǎn)潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)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(zhí)行一條指令，使單片機(jī)在8MHz晶振工作時(shí),，指令速度可達(dá)8MIPS,。

（3）豐富的片上外圍模塊

該單片機(jī)集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)：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(tǒng)工作穩(wěn)定

該單片機(jī)在上電復(fù)位后,，首先由DCOCLK啟動(dòng)CPU，保證程序從正確的位置開(kāi)始執(zhí)行,，同時(shí)也保證了晶體振蕩器有足夠的起振和穩(wěn)定時(shí)間,；之后通過(guò)軟件可設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫鞯目刂莆粊?lái)確定最后的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率。在CPU運(yùn)行中,，如果MCLK發(fā)生故障,，DCO會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，以確保系統(tǒng)正常工作,。如果程序跑飛,，可以用看門(mén)狗將其復(fù)位,。

（5）方便高效的開(kāi)發(fā)環(huán)境

MSP430F149片內(nèi)有JTAG調(diào)試接口，還有可電擦寫(xiě)的FLASH存儲(chǔ)器,，因此采用先通過(guò)JTAG接口下載程序到FLASH內(nèi),，再由JTAG接口控制程序運(yùn)行、讀取片內(nèi)CPU狀態(tài),，以及存儲(chǔ)器內(nèi)容等信息供設(shè)計(jì)者調(diào)試,。由于單片機(jī)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(shù)傳電路的設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)處理與無(wú)線(xiàn)數(shù)傳電路設(shè)計(jì)主要包括主控制器電路,、傾角傳感器接口電路、無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊接口電路,、電源電路等,。基本工作原理是：系統(tǒng)通上電后,，主控制器控制傾角傳感器按固定間隔檢測(cè)火箭炮車(chē)體姿態(tài),，將接收到的檢測(cè)結(jié)果運(yùn)算處理,，計(jì)算每個(gè)千斤頂?shù)恼{(diào)整量，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊發(fā)送給操縱指示器。

（1）主控制器及接口電路設(shè)計(jì)

主控器采用MSP430F149單片機(jī),，串口1經(jīng)TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換接傾角傳感器，用于接收傳感器輸出數(shù)據(jù),，串口2 TTL電平接無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊,，發(fā)送車(chē)體縱橫向傾斜角度和調(diào)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(shè)計(jì)

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(zhuǎn)換,，分別轉(zhuǎn)換至9V和3.3V,，9V電源為無(wú)線(xiàn)數(shù)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(shù)傳模塊的選用

在一些多測(cè)試點(diǎn)的系統(tǒng)中,，伴隨傳感器而來(lái)的是大量數(shù)據(jù)線(xiàn)纜。眾多的線(xiàn)纜不僅帶來(lái)布線(xiàn)的復(fù)雜不便,，而且存在著短路,、短線(xiàn)隱患,，成本高，易老化,，還給系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)增加了難度,。另外，在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合,，需要將傳感器放置在有危險(xiǎn)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(hào)顯然是有一定難度的。而采用無(wú)線(xiàn)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(jù)空間,、沒(méi)有布線(xiàn)要求,、成本低、可靠性高,、維護(hù)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?shù)目煽啃浴?br />

圖4 電源電路圖

根據(jù)實(shí)際情況，本文采用ZT-TR43F無(wú)線(xiàn)數(shù)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(biāo)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(diào)制,，采用前向信道糾錯(cuò)編碼,，抗干擾能力強(qiáng)；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(nèi),，外圍電路簡(jiǎn)單易于開(kāi)發(fā)。采用該無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊,，可以使車(chē)體調(diào)平裝置滿(mǎn)足某型火箭炮調(diào)平時(shí)的無(wú)線(xiàn)數(shù)傳要求：①適當(dāng)?shù)耐ㄐ啪嚯x,，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(yuǎn),，會(huì)造成炮與炮之間相互干擾,；②較強(qiáng)的抗干擾能力，系統(tǒng)在較強(qiáng)的外界干擾中也能正常工作；③較低的功耗,，該裝置野外應(yīng)用,，無(wú)固定供電電源，只能靠電池維持系統(tǒng)運(yùn)行,。

無(wú)線(xiàn)模塊ZT-TR43F與單片機(jī)接口提供了RS232/TTL/RS485三種接口方式,，本系統(tǒng)采用TTL接口方式，方便與MSP430F149單片機(jī)的接口,。其中MSP430單片機(jī)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(diào)平時(shí)，有多個(gè)調(diào)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(shí)別，每個(gè)裝置上帶有撥碼盤(pán),，通過(guò)撥碼盤(pán)設(shè)置各自的通信信道或識(shí)別碼。

調(diào)整角度的計(jì)算

主控制器接收到車(chē)體的縱橫向傾斜角度后,，需要計(jì)算每個(gè)千斤頂相對(duì)調(diào)整的角度,，角度計(jì)算的幾何關(guān)系見(jiàn)圖5。


圖5 角度計(jì)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(shè)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(diào)整千斤頂直到橫向水準(zhǔn)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(diào)整千斤頂直到縱向水準(zhǔn)氣泡居中,。

軟件設(shè)計(jì)

（1）軟件功能

軟件功能主要有：①檢測(cè)操縱指示器連接狀態(tài)；②連續(xù)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(tái)

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

（3）軟件流程

調(diào)平軟件完成讀取縱向與橫向傾斜角度值,、模擬顯示水準(zhǔn)氣泡指示,、計(jì)算并顯示左右千斤頂調(diào)整方向等功能，其工作流程如圖6所示,，其中單片機(jī)讀取角度數(shù)據(jù)的流程如圖7所示,。車(chē)體調(diào)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(jù)角度值分別計(jì)算出左,、右千斤頂?shù)恼{(diào)整方向和模擬水準(zhǔn)氣泡的中心位置坐標(biāo)，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(diào)平裝置軟件流程圖

圖7 讀取角度數(shù)據(jù)流程圖

結(jié)束語(yǔ)

高精度調(diào)平裝置主要用于車(chē)載火箭炮平臺(tái)和導(dǎo)彈發(fā)射平臺(tái)等，本文針對(duì)傳統(tǒng)車(chē)載平臺(tái)依靠人工手動(dòng)調(diào)整平臺(tái)水平,，從而導(dǎo)致調(diào)整時(shí)間長(zhǎng),、精度低，進(jìn)而限制影響到火箭炮等武器的機(jī)動(dòng)性和快速反應(yīng)能力,，提出了個(gè)人的觀點(diǎn)和設(shè)計(jì),。本文基于MSP430F149單片機(jī)，對(duì)某型火箭炮車(chē)體調(diào)平裝置的控制原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了闡述,。該調(diào)平裝置將傳感器,、數(shù)據(jù)模塊和無(wú)線(xiàn)數(shù)傳技術(shù)有機(jī)地結(jié)合在一起，可實(shí)現(xiàn)車(chē)體傾斜度的自動(dòng)快速檢測(cè),、計(jì)算和傳輸,。該裝置具有檢測(cè)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(jī)動(dòng)性和調(diào)平精度,。