便携式火箭炮行车数据采集系统设计范文

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摘要：基于多管火箭炮复杂的车炮系统行驶动力学的研究，需要对其行车过程中各项参数进行采集分析与处理。而现有的车炮系列武器装置行军路况测试系统普遍具有体积过大、接线复杂以及较差的拓展性等缺点。针对小型化、模块化的设计要求，通过STM32芯片的软件编程和相应模块化电路的硬件设计，实现了多管火箭炮的便携式行车冲击载荷数据采集系统对动力学参数、定位信息、路况图像的采集存储与分析处理。所得数据资料作为相关武器系统研制的可靠实验依据。

关键词：多管火箭炮；数据采集；模块化；便携式

在以往的行驶动力学中，多以研究普通车辆为主，很少涉及武器系统[1]。多管火箭炮行军途中，其道路的平坦程度与普通车辆有所差异，常见为壕沟、陡坡等恶劣障碍路况。这就要求研制的车炮系统能够承受一定的瞬时冲击，使得研究其极限路况下的行驶能力和行驶状态下的动态特性成为必然。多管火箭炮的作战性能很大程度上取决于其通过极限路面的能力，无论是从零部件的磨损、疲劳，还是驾驶员的舒适程度等方面的考虑，其间产生的振动是考量整个武器系统的使用寿命和其使用安全性的重要指标之一[2-3]。有关振动的参数采集，需要进行大量复杂的、长时间的路面试验。然而，先前的车炮系统测试装置一方面组线复杂，另一方面装备在车身上对测量对象产生影响，这对路面试验的可实施性提出了新的要求。目前，小型化、模块化的便携式自动测试系统应用广泛[4-8]，现根据多管火箭炮行车路面试验对人员和设备方面的要求，通过硬件电路的搭建与软件功能的实现解决上述数据采集、分析与处理方面的问题，优化相关武器系统研制过程实验数据的获取途径，对进一步的仿真分析具有指导作用。

1系统总体设计数据采集系统

总体硬件电路均基于STM32微控芯片进行搭建[9]。主板部分包括A/D转换模块、TFTLCD液晶显示模块与TF存储模块等主要功能模块，外接部分包括OV7670图像传感模块、GPS/北斗定位模块、信号调理模块以及用于结合上位机进行数据传输的WIFI模块。系统下位机采用KeiluVision5基于C语言进行编程以实现各模块之间的联动[10]。系统上位机软件基于LabVIEW平台进行开发，与下位机之间通过协调进行各项参数数据的传输与控制以满足多管火箭炮进行路面试验的自动化测试要求。该系统框架结构如图1所示。

2关键模块设计

2.1动力学参数采存模块设计

多管火箭炮在行车过程中的冲击载荷参数，需要通过在特定部位安置传感器，经过信号调理后进行A/D转换以得到准确的参数数据。由于车身各部位均存在不同程度的冲击，故将数采电路设计为8通道，每个通道可独立采集各部位、各类型的动力学参数。在进入A/D转换前，对电压信号进行分压、稳压处理[11]。In_A0-In_A7接收为传感器采集且经信号调理后的预处理电压信号，每个通道3个相同阻值电阻将信号分压为先前的1/3，通过稳压管限制过大的电压信号输入。经初步处理后电压信号通过软件编程指定的PA0-PA3、PA5-PA7对应I/O传入主控芯片内部ADC1和PF6对应I/O传入ADC3（各模块引脚合理分配下需同时用到ADC1、ADC3组成8通道），进行A/D转换。外围电路原理图如图2所示（以通道1为例）。STM32F103系列芯片采用12bitADC，由于行车过程需要长时间采样，其整个系统对于存储量的设计要求严格，如采用FLASH芯片进行数据存储，无法满足上述要求。因此，该部分电路设计采用SDIO外扩存储，保证了整个采样过程数据的完整性与准确性[12]。数据的写入与读取过程，采用移植的FatFS文件系统。FatFS是为小型、低成本嵌入式开发设计的。通用FileAllocationTable（FAT）文件系统模块，其整个编写遵循ANSIC，与磁盘I/O层彻底分开，因此整个文件系统对硬件架构没有依赖性。在无需作出修改的情况下，灵活地嵌入多种类微控制器当中，实现对文件的控制。

2.2图像与定位模块设计

2.2.1图像采集多管火箭炮在行军途中极限路况的冲击载荷数据无法直观判断造成冲击的具体路况，因此，该数采系统通过对产生超过设定载荷阈值下的路况图像数据采集存储，对照相应动力学参数分析可以得知例如水平沟壑，垂直台阶、陡坡等恶劣障碍对车炮系统行进造成的影响。整体系统是在小型化的基础上进行设计，因此图像采集模块使用小体积、低工作电压的OV7670CAMERACHIP™图像传感器，其拥有单片VGA摄像头并提供影像处理各项功能。通过SCCB总线接口编程，对所需采样图像质量、采样数据格式和对应传输方式进行控制。利用此类OmmiVision图像传感器优化行车极限路况图像浮散、拖尾等电光缺陷，可稳定采集到清晰的彩色图像数据。

2.2.2定位信息由于作战区域的不同，对多管火箭炮的设计需要考虑相应的环境因素，在相同的冲击载荷下，地质、海拔以及当地气候状况均是整个地面行车试验过程中需要收集的重要信息。通过上述考虑，数采系统利用实时定位技术，实现了对经纬度等多项定位信息的获取。GPS/北斗定位模块核心选择SkyTraq生产的S1216F8-BD高性能模组，拥有通道数167，采样频率能够达到20Hz，具备较高的捕获灵敏度，追踪灵敏度更是达到了-165dBm。同图像采集模块，其体积小巧，满足设计要求。通过USART对采样参数进行控制，并将其保存于FLASH。星历数据在掉电情况下仍可保存完整。行车颠簸过程当中对模块接收定位信息的稳定性有严格要求，因此，设计为通过IPX接口外接GPS/北斗定位双模天线，很大程度上提高了设备的适应性。定位信息类型和相应数据（以某地试验为例）如表1所示。

2.3电源模块设计

电源模块对于任何硬件电路来说，都是不可或缺的，其设计的优劣，很大程度上决定了整个硬件电路的工作状态和稳定性。由于需要供电的元器件不具有统一的工作电压，分别为3.3V与5V，要求电源电路分压后能够提供稳定的电源供给，电源模块主要元器件如图3所示。电源设计方案为先通过直流降压转换器MP2359DJ-LF-Z将外接12V降至5V，后通过线性稳压器ASM1117-3.3输出为3.3V。若12V直降3.3V，多出的8.7V均为发热源，效率却只有27.5%（3.3/12）。MP2359为DC-DC，效率估为90%，5V稳压至3.3V的效率为66%（3.3/5），可得总效率59.4%（90%*66%）。此方案不仅可以分出不同压值的电压，而且在电能应用效率上较之12V直降为3.3V有很大提升。在绘制四层PCB过程中，单独将中间两层设置为电源层与地层。对电源层分割获得不同压值的电压供给。整体硬件设计包括电源地、数字地、模拟地，为了保证良好的信号回流，将各部分分割后单点接入电源地。

3上位机设计

整体下位机系统已具备数据读取、显示与绘制曲线等功能，为了能够更好地实现数据的分析与处理，需要将下位机采存的数据传输至上位机，通过LabVIEW编程控制数据流[13，14]。这里的设计采用板载ESP8266模块，其内部置有TCP/IP协议栈，利用LVTTL与MCU进行通讯，合理配置串口，即可通过WIFI传输所需要的数据至上位机。同样上位机软件通过WIFI将指令数据传输至串口，用于控制下位机。上位机软件控制界面如图4所示。

4工作流程

数采系统硬件电路通过电源接口接入12V外部供电，利用TFTLCD显示屏人机交互选择数采通道、时频控制以及各项采样准备参数的设置[15]。触发采样方式分为按键触发、信号触发等。当系统收到特定的信号时，开始按照上述设定进行采样，由于采样数据量较大，通过设定阈值与数据值进行对比，将超过阈值的数据记录，同对应此刻的路况图像以及定位信息按特定编号存入TF卡，完成后继续按照上述过程进行循环采样，直至收到结束指令信号。为了方便即时数据资料分析，在行军途中可在下位机随时读取数据绘制曲线与其他参数的调取显示而无需传输至上位机再完成分析处理。当结束行车路面试验时，通过WIFI环境建立起下位机与上位机之间的通讯，可将待处理数据按需求传输至上位机进一步处理。整体系统工作流程如图5所示。

5结论

通过多管火箭炮行军路面实验，该数据采集系统成功采样动力学参数且满足规定精度要求，在成功采样信号回执后，完整获取同一时间路面图像和定位信息，整体系统工作严格按照既定流程进行，验证了设计的可行性。测试计量作为武器系统设计、研制过程中不可或缺的环节，在方法和设备方面的改进会对整体系统起到一定的指导作用[16]，该设计摆脱了传统的多设备、大体积、接线复杂的缺点，使得数据采集系统在多管火箭炮行军途中对车炮系统本身的特性参数不会造成影响，保证了所采集数据的准确性。同时图像数据采样结合定位信息获取能够很好地掌握冲击载荷高峰值的地理位置和具体路况，为后续分析提供了重要依据。小型化、模块化的设计要求已然成为现代测试设备的主流，在今后的发展当中，还需要在高速、通用等方面将测试系统加以改进。

作者：母昀皓 夏静 单位：南京理工大学