某新型火炮隨動系統(tǒng)的性能測試系統(tǒng)設計

摘要：提出一種新型火炮隨動系統(tǒng)的性能測試系統(tǒng)設計，采用TMS320LF2407A DSP作為火炮隨動系統(tǒng)性能測試系統(tǒng)的核心，利用DSP的捕獲單元完成了隨動系統(tǒng)跟蹤速度的實時數據采集，并詳細介紹CAN總線通信模塊的設計。測試結果表明，該測試系統(tǒng)滿足設計要求，效果良好。
關鍵詞：DSP；CAN；隨動；測試；TMS320LF2407A

    某新型火炮隨動系統(tǒng)為數字式隨動系統(tǒng)，用于驅動火炮炮塔，是整個自行高炮武器系統(tǒng)的核心部分?；鹋陔S動系統(tǒng)性能的優(yōu)劣將直接影響防空武器系統(tǒng)的整體作戰(zhàn)效果，因此必須進行隨動系統(tǒng)性能參數的測試，以判定其是否滿足性能指標的要求，為武器系統(tǒng)的保障維修提供依據。這對保證裝備處于良好狀態(tài)、提高系統(tǒng)戰(zhàn)斗效能、提高訓練效果、降低維修成本、使部隊盡快形成基本保障能力，都有重要意義。
    本文利用DSP和CAN總線技術的良好性能設計了火炮隨動系統(tǒng)性能測試系統(tǒng)。數字信號處理器DSP具有高速、強大的數據處理能力及豐富的外設資源，CAN總線是一種多主串行通信協(xié)議?？捎行У刂С址植际綄崟r傳輸，具有較強的抗干擾能力。將DSP與CAN總線技術相結合，系統(tǒng)的可靠性和實時性能也得到很大提高。

1 測試系統(tǒng)總體結構設計
1．1 測試系統(tǒng)測試對象分析
    本設計要對角位移、跟蹤速度和加速度3個能夠反映系統(tǒng)性能的重要參量進行準確實時的測量，從而正確評價火炮隨動系統(tǒng)的性能。角位移信號的變化情況反映了位置式隨動系統(tǒng)的工作狀態(tài)變化，角速度和加速度的大小也能反映出系統(tǒng)調轉快速性和跟蹤快速性的好壞。
    根據火炮隨動系統(tǒng)的內部結構可推知，方位、高低系統(tǒng)的跟蹤速度和方位、高低執(zhí)行電機的轉速存在線性關系，對執(zhí)行電機轉速進行測試，再根據積分、微分運算就可以得到系統(tǒng)的角位移和角加速度，進而可對火炮隨動系統(tǒng)進行性能分析。
1．2 測試系統(tǒng)總體結構分析
    測試系統(tǒng)整體結構如圖1所示。系統(tǒng)由上位機和下位機兩部分組成，其都選用了TI公司的TMS320系列DSP器件TMS320LF2407A作為中央處理核心。下位機通過霍爾式傳感器負責實時采集高低方位執(zhí)行電機的轉速信號，經過DSP捕獲單元(CAP)轉換后通過核心處理器件DSP進行數據處理和分析，計算出跟蹤速度、角位移和加速度，利用CAN總線把實時數據傳輸給上位機。上位機配有鍵盤輸入和LCD顯示，負責發(fā)送控制命令，并接收下位機送來的采樣數據，對火炮隨動系統(tǒng)的性能參數進行實時監(jiān)測。

2 測試系統(tǒng)硬件設計
2．1 下位機硬件總體設計
    設計選用TMS320LF2407A為核心構建火炮隨動系統(tǒng)性能測試裝置的硬件電路，完成對所需監(jiān)測的轉速信號的采集、數據處理以及數據傳輸等功能。整個下位機硬件系統(tǒng)的結構框圖如圖2所示。

2．2 CAN總線通信接口電路
    內置于LF2407A的CAN總線控制器可以用來完成CAN總線通信協(xié)議CAN2．0B的物理層和數據鏈路層的全部功能。LF2407A的CAN控制器是一個16位的外設模塊，具有以下特性：提供6個郵箱對象，其數據長度為O～8個字節(jié)；針對郵箱O、l和2、3有局域接收屏蔽寄存器；可編程波特率；可編程中斷配置；可編程的CAN總線喚醒功能；總線錯誤診斷功能；自測試模式。

    CAN總線通信的硬件電路如圖3所示。為了進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力并保護DSP器件，在LF2407A控制器和收發(fā)器PCA82C250之間增加了由高速光電隔離器6N137構成的隔離電路，實現了總線上各節(jié)點間的電氣隔離。光耦部分電路所采用的兩個電源必須完全隔離，故電源模塊采用B0505S-lW現場總線專用的電源模塊。PCA82C250通過引腳8與地直接相連，采用高速方式，因此系統(tǒng)用屏蔽雙絞線進行數據傳輸，30 m以內可以提供1 Mb／s的傳送速率，且必須在雙絞線兩端連接兩個120 Ω的匹配電阻來消除長線反射所引起的干擾。

3 測試系統(tǒng)應用軟件設計
3．1 軟件總體設計
    TMS320LF2407A的軟件設計和調試是在DSP集成開發(fā)環(huán)境CCS2000下進行的，采用C語言和匯編語言相結合的方式編寫，在軟件功能調試完成后，就可以將程序固化在片內的Flash內，在上電時加載程序。

    系統(tǒng)軟件設計的主要流程如圖4所示，首先系統(tǒng)程序進行初始化，啟動DSP定時器和捕獲單元，采集轉速傳感器輸出的信號，然后對采集數據進行處理分析，DSP與CAN控制器之間以響應中斷方式實現通訊。經過數據處理后的數據送給LCD顯示，以對數據進行保存和分析，并掃描有效按鍵，判斷鍵值，并進入相應的處理。
3．2 數據采集模塊
    霍爾式傳感器輸出的轉速信號為脈沖信號，則對脈沖信號的頻率進行測量即可測出轉速的大小。利用LF2407A器件上的事件管理器(Event Manager)模塊帶有的通用定時器和捕獲單元可完成計數和測量計算任務。
    將轉速信號送入EVB的CAP6引腳，選擇定時器3作為其獨立時間基準，采用中斷的方式捕獲計數值，實現對轉速信號的測量。本系統(tǒng)時鐘頻率為40 MHz，計數器最大計數為OxFFFF，即65535，而方位、高低執(zhí)行電機的頻率范圍大致為1～600 Hz。為使精度最高，將通用定時器控制寄存器T3CON的TPS2～TPSO設置為0ll，選8分頻，則定時器3每隔T=8／40 MHz=0．2 ms計數一次。測速主程序如圖5所示。

    進入捕獲中斷子程序后，首先清CAP6中斷標志位，從2級深度FIFO中依次讀出兩次捕獲的計數值numl和num2，進而可得在被測信號的一個周期內定時器T3的脈沖數m。如果num2大于numl，則直接相減之差即為脈沖數m；若num2小于numl。則說明在計數過程中有計數溢出，即計數
到周期寄存器T3PR內寫入0xFFFF后回零重新計數，因此再求脈沖數m=num2-numl+OxFFFF。則可得電動機轉速信號大小為n=60 m／zT，其中，m為一個周期內的定時器T3脈沖數，z為霍爾傳感器的磁鋼數，T為定時器采樣周期。根據執(zhí)行電機轉速和跟蹤速度關系可推導出隨動系統(tǒng)的跟蹤速度，再經數字積分和微分運算就可得到系統(tǒng)的角位移和角加速度。

4 實驗結果
    在完成了整個測試系統(tǒng)各部分硬件和軟件設計調試之后，將編寫好的軟件燒入LF2407A板的Flash中，然后對火炮隨動系統(tǒng)進行性能測試。這里僅以測試火炮隨動系統(tǒng)的動態(tài)性能為例。利用正弦機給定方位系統(tǒng)θ=2000密位的階躍響應，在整個系統(tǒng)運行時，由LF2407A每20 ms記錄一次系統(tǒng)的角位移，每次記錄采樣100點，利用DSP的集成開發(fā)工具CCS2000采用描點法對記錄數據進行處理，可以方便顯示出時間與角位移的關系，如圖6所示。由響應跟蹤曲線可看出最大峰值時間為1．4015 s，超調量為0．8692％，上升時間1．3689s，過渡時間1．334s。由以上數據可以看出隨動系統(tǒng)在階躍響應下具有很好的響應快速性，跟蹤測試能夠達到預期的精度。

5 結論
    測試系統(tǒng)以TMS320LF2407A為核心處理器，借助DSP高速的處理速度、強大的數據處理功能，有足夠的時間完成數據采集、數據處理分析和數據傳輸等任務。系統(tǒng)數據傳輸采用CAN現場總線，增強了系統(tǒng)的開放性和通信的可靠性，并且有良好的可擴展性。該系統(tǒng)在實際檢測中已經得到了可靠性檢測，效果良好。