基于动态后坐的火炮综合性能检测系统设计

张金忠，赵林波，李 挺

(装甲兵工程学院 兵器工程系，北京 100072)

随着我军装甲装备的发展以及训练内容、要求和强度的不断提高，装备维修保障的重要性更加凸显，要求也越来越高。训练过程中火炮的综合性能状态直接影响了射击精度和效果，进而对训练效果产生影响。传统的火炮检测只是在静态检测的基础上，利用人工后坐对其动态性能作简单的定性试验，如观察是否能复进到位，能否开闩等，而对于其速度、时间、复进力等动态指标不加考虑，致使一旦加大训练强度和难度之后，维修质量的问题不断，严重影响了装备战斗力和保障力的形成和使用［1-3］。因此，有必要对现行的火炮技术状况检查方式、检查方法进行变革，以满足部队对更加准确把握装备技术状况、科学管装用装的迫切要求。本文以某型坦克火炮系统为载体，实现了坦克火炮系统技术性能指标综合测试。

1 参数的确定与检测原理

炮闩和反后坐装置是火炮的重要部件。随着炮闩的使用，其各零部件会出现不同程度的磨损，各间隙会改变，严重时会影响炮闩的正常工作。开闩速度和抽筒速度是反映炮闩各部件之间传动有效性和磨损情况的综合指标。复进时间和复进速度是反映反后坐装置的综合指标，通过对该指标的测试可以反映出反后坐装置的磨损情况、复进杆和驻退杆的弯曲情况、液量和气压是否标准等。

对开闩速度、抽筒速度、复进时间、复进速度这几个指标的测试，传统的静态测试方法已不再适用，因为这些指标的测试发生在火炮实弹射击循环的后坐复进阶段，都是连续、动态的变量，需要对指标参数进行连续的采样、记录，并且需要进行并行测试［4-6］。

为了确保测得数据的真实性，最佳的方案是在火炮实弹射击现场对各指标进行测试。如果需要在非实弹射击的情形下获得这些技术指标，可行的方案只能是尽可能逼真地模拟实弹射击的环境，对这些指标进行测试。

为此，首次提出了通过外力推动火炮进行人工后坐来模拟火炮实弹射击时动态后坐过程的思想。设计了火炮动作激励平台，如图1 所示。通过人工后坐液压缸的推力推动火炮身管后坐，并通过PC、单片机和位移传感器控制火炮人工后坐距离。用身管解脱装置对人工后坐到位的身管进行固定，在解脱液压缸的作用下解脱火炮身管使火炮完成正常复进。同时，实时检测开闩速度、抽筒速度、复进时间、复进速度等指标。

图1 火炮动作激励平台

2 系统硬件设计

测控系统由传感器、行程开关、电继电器、数据采集单元、控制单元等组成，用来完成对液压站、液压缸等进行控制和提供工作电源，并对人工后坐试验的复进时间、复进速度、抽筒速度、开闩速度等参数以及瞄准机打滑力矩和炮口松动量等参数进行数据采集、控制、处理、显示结果等操作。

2.1 传感器

传感器用于对位移、压力等信号的数据采集。其中，位移传感器用来测量火炮复进过程中的复进时间和复进速度，同时采集火炮的人工后坐距离作为控制依据。气压传感器用于测量复进机的气压，通过计算可以得到复进机液量。激光传感器对炮闩开闩时的位移进行检测，并对时间求微分可得闩体开闩速度。光电传感器用于测量抽筒速度。压力传感器用于测量高低机和方向机的打滑力矩以及推动火炮人工后坐时所需的推力。

2.2 数据采集单元

数据采集单元主要由A/D 转换、微控制器以及485 通讯接口构成，为了在不与PC 机相连的情况下进行数据采集，所以需要扩展外部FLASH 来存储采集的数据与程序。扩展数据采集卡的数据I/O 口使采集过程更加方便。数据采集单元的结构如图2 所示。

图2 数据采集单元的结构

A/D 转换器的选择应根据采集的精度、速率、通道数等元素进行选择。为了使采集系统更加灵活实用，应选择比较通用的A/D 转换芯片。本采集系统采用了AD 公司的AD571，它是一款多输入范围的10 位模数转换，需要电压源15 V，输入的范围为0 ～10 V 与-5 ～+5 V 这2 种。

数据采集单元的微控制器采用CYPRESS 公司的CY7C6801356 脚的EZ-USB 控制芯片。它集成了1 个增强型的8051、1 个智能USB 串口接口引擎、1 个USB 数据收发器、3 个8 位I/O 口、16 位地址线、8 位数据线和1 个口。增强型的8051 内核完全与标准的8051 兼容，而性能可达标准8051 的3 倍以上。CY7C68013 内部有16k 的程序与数据存储空间，它提供了6 个端点:端点0、端点1、端点2、端点4、端点6、端点8。在内部数据区的0X200 到0Xfff 为端点分配一定大小的数据区作为端点的缓冲数据区。其中，端点0 是控制端点，64k 的缓冲区，系统通过端点0 来初始化EZ -USB。端点1 分为in 型端点1 和out 型端点1，两者的缓冲区分开。端点2、端点4、端点6、端点8 为大小可以配置的类型可配置的缓冲端点，系统可以直接对其进行操作。

2.3 控制单元

PC 平台是控制单元的核心实现数据分析处理、控制决策及控制输出。与单片机控制的驱动模块进行串口通信并发送动作指令，控制火炮动作激励平台按照各指标检测的需要产生动作激励。

对于单片机控制的驱动模块，为了能实现对人工后坐速度的动态调节，满足动态测试的模拟环境，可以使用三极管、场效应管等开关元件实现调速。设计的驱动电路如图3所示。

图3 驱动电路

2.3.1 输入与电平转换部分

输入信号线由DATA 引入，1 脚是地线，其余是信号线。注意1 脚对地连接了1 个2 kΩ 的电阻。当驱动板和单片机分别供电时，这个电阻可以提供信号电流回流的通路。当驱动板与单片机共用1 组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。

高速运放KF347(也可以用TL084)的作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和1 个二极管的2.7 V 基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。

2.3.2 栅极驱动部分

后面三极管和电阻，稳压管组成的电路进一步放大信号，驱动场效应管的栅极并利用场效应管本身的栅极电容(大约1 000 pF)进行延时。当运放输出端为低电平时，下面的三极管截止，场效应管截止。上面的三极管截止，场效应管导通，输出为低电平。

上面的分析是静态的，下面讨论开关转换的动态过程:三极管导通电阻远小于2 kΩ，因此三极管由截止转换到导通时场效应管栅极电容上的电荷可以迅速释放，场效应管迅速截止。但是三极管由导通转换到截止时场效应管栅极通过2 kΩ 电阻充电却需要一定时间。相应地，场效应管由导通转换到截止的速度要比由截止转换到导通的速度快。假设2 个三极管的开关动作是同时发生的，这个电路可以让上下两臂的场效应管先断后通，消除共态导通现象。

场效应管栅极的12 V 稳压二极管用于防止场效应管栅极过压击穿。一般的场效应管栅极的耐压是18 V 或20 V，直接加上24 V 电压将会击穿，因此这个稳压二极管不能用普通的二极管代替，但是可以用2 kΩ 的电阻代替，同样能得到12 V 的分压。

2.3.3 场效应管输出部分

场效应管内部在源极和漏极之间反向并联有二极管，接成H 桥使用，输出端并联1 个小电容对降低阀门吸合时产生的尖峰电压有一定的好处，但加这个电容的话，一定要用高耐压的，普通的瓷片电容可能会出现击穿短路的故障。输出端并联的由电阻和发光二极管，电容组成的电路指示阀门的工作状态。

2.3.4 单片机及外围接口电路组成

单片机的使用需要外围接口电路，炮控盒的单片机及外围接口电路如图4 所示。

图4 单片机及外围接口电路组成

3 系统软件结构及流程设计

从系统工作流程来看检测系统软件分为主调度模块和分系统测试模块两大部分。主调度模块负责配置各分系统的检测功能、查询历史、记录数据、根据当前装备需要调用相应的分系统测试模块。分系统测试模块对各技术指标进行综合检测，并将检测结果记入相应数据库。各分系统测试模块相对独立，主调度模块通过动态链接库技术调用分系统测试模块。

测试模块将由输入入口变量决定的待检测项目与其检测函数或需要的动作函数对应起来。测试时，当达到指标测试条件时，程序根据条件判断，调用相关测试函数，完成该项目的测试，或调用相关动作函数，为测试需要的条件做进一步动作。流程如图5 所示。

4 结束语

基于动态后坐的检测方法很好地解决了火炮综合性能指标的获取和测量，为火炮全面系统的健康状况了解以及维修质量的鉴定提供了条件。设计的检测系统大大提高了火炮的维修性，保障了装备性能的完好发挥。其检测速度快、效率高，得到了部队修理分队的充分肯定和好评。

图5 测试模块流程

［1］National Instruments. The Measurement and Automation Catalog［Z］.［S.l.］:［s.n.］，2004.

［2］张鑫.基于EM78P458 单片机的超低功耗数据采集器设计［J］.电力自动化设备，2006(7):66-68.

［3］张金忠，苏忠亭，赵富全，等.坦克火炮反后坐装置在线检测方法研究［J］.火炮发射与控制学报，2010(6):90-93.

［4］史君成，张淑伟，律淑珍. LabWindows 虚拟仪器设计［M］.北京:国防工业出版社，2007.

［5］窦亚力，王惠源，张鹏军，等.火炮炮控故障综合检测系统总体设计［J］.火力与指挥控制2011(2):184-187.

［6］姚雾云，徐德友.某型自行火炮火控系统检测系统［J］.兵工自动化，2010(12):69-72.