某型自行火炮水平角速度传感器智能检测仪设计

陈保社，刘 恒，蔡 昱

（中国人民解放军68129部队 甘肃 兰州 730060）

由于没有专用的性能检测和故障分析设备，某型自行火炮水平角速度传感器通常依靠人工进行检测和故障判断，不仅程序复杂、操作不便，而且检测的可靠性和安全性都难以保证。针对这一问题，我们运用单片机控制技术，设计制作“某型自行火炮水平角速度传感器智能检测仪”[1]，实现对该水平角速度传感器的自动快速检测[2-3]。

1 系统组成及作用

水平角速度传感器智能检测仪系统，主要由信号检测处理模块、计算控制模块、指示显示模块、角度编码器模块和电源模块等组成。其中信号检测处理模块用于对水平角速度传感器输出的计数信号和触发信号进行采集和处理[4]；计算控制模块用于对水平角速度传感器输出信号的脉冲计数、周期测量、占空比和相位差计算、误差分析和故障判断；指示显示模块用于指示水平角速度传感器输出信号状态、相位关系、测试类别和检测结果合格与否，并显示测试数据及故障种类；角度编码器模块[5]用于输出单位角度对应的脉冲数，为水平角速度传感器工作精度检测提供比较基准；电源模块用于为水平角速度传感器、角度编码器和检测仪提供工作电源。系统组成框图如图1所示。

图1 系统组成框图Fig.1 Composion block diagram of system

2 设计思路

由于系统要完成对水平角速度传感器输出的两路信号的状态检测、参数计算与结果显示、故障判断与指示，所以选择具有计数、定时和计算控制功能的AT89S52单片机[6]为控制单元，将水平角速度传感器两路输出信号分别接入单片机的T0和T1端，同时，将角度传感器的输出信号接到单片机的T2端，利用单片机计数和定时功能，对水平角速度传感器输出的两路方波脉冲信号和角度传感器输出的角度脉冲信号进行计数和周期测量，通过计算、分析和判断，实时显示水平角速度传感器输出精度、信号的状态、相位差和占空比。单片机将检测结果与标准值进行比对后，指示比对结果，并给出信号相位差和占空比辅助调整意见。调整后，重新进行上述检查，直到合格为止。

水平角速度传感器检测原理框图如图2所示。

图2 检测原理框图Fig.2 Principle block diagram of detecting

3 实现方法

3.1 信号状态检测与故障判断

应用单片机的计数功能实现对水平角速度传感器输出信号状态的检测。具体方法是，将单片机的“定时器/计数器”设置成计数方式，利用单片机“定时器/计数器”T0和T1，分别对水平角速度传感器输出的计数信号和触发信号进行脉冲计数，若有信号注入且信号为标准方波信号时，计数器计数，并在连续计满一定数值后，控制相应的信号状态指示灯点亮，表明信号正常。若没有信号注入，或者注入信号不是标准方波信号，不能触发计数器计数，则对应的状态指示灯不点亮，表明信号不正常，这时故障指示灯会点亮，指示水平角速度传感器有故障。

3.2 信号相位关系的检测与判断

相位关系检测是指对两路方波信号的相对相位 （即超前、滞后关系）检测。由D触发器及其外围电路实现。如图3所示，水平角速度传感器产生的计数信号和触发信号在分别输入到D触发器的输入端和触发端，在触发脉冲上跳沿触发后，计数信号的电平状态会从D触发器的输入端传送到触发器的输出端。若顺时针转动水平角速度传感器齿轮传动机构时，D触发器输出高电平，说明触发信号超前计数信号，相位关系正常，反之则不正常；若逆时针转动水平角速度传感器齿轮传动机构时，D触发器输出低电平，说明计数信号超前触发信号，相位关系正常，反之则不正常。

图3 信号相位关系判断原理图Fig.3 Principle block diagram of signal phase correlation diagnose

3.3 信号相位差的计算

将单片机的“定时器/计数器”T0和T1设置成计时方式，分别对计数信号和触发信号计时。在计数信号由低电平变为高电平时，T0启动计时，当计数信号再一次由低电平变为高电平时，T0所计时间T即为计数信号一个周期的计时 （触发信号与计数信号周期相同）。在计数信号由低电平变为高电平时，如果触发信号为低电平，则启动T1计时，当计触发号由低电平变为高电平时，T1所计时间即为计数信号与触发信号相位上的时间差△T；在计数信号由低电平变为高电平时，如果触发信号为高电平，则等触发信号由高电平变为低电平时，则启动T0计时，当计数信号由高电平变为低电平时，T0所计时间即为触发信号与计数信号相位上的时间差△T。两信号相位差上的时间测量方法如图4所示。可用所测得的周期将相位差上的时间差换算为以角度表示的相位差△Φ，换算公式为：△Φ=360°×（△T/T）。

图4 信号相位差计算示意图Fig.4 Symbolic diagram of signal phase difference calculation

3.4 信号占空比的计算

如图5所示，将单片机“定时器/计数器”T0设置成定时方式，当计数信号由低电平变为高电平时，启动T0计时，当计数信号由高电平变为低电平时，T0所计时间t为计数信号高电平持续时间，当计数信号由低电平变为高电平时，T0所计时间T为一个信号周期的时间。同时，将单片机“定时器/计数器”T1设置成定时方式，当触发信号由低电平变为高电平时，启动T1计时，当触发信号由高电平变为低电平时，T1所计时间t为触发信号高电平持续时间，当触发信号由低电平变为高电平时，T1所计时间T为一个信号周期的时间。所以，信号占空比可由计算公式K=（t/T）×100%求得。

图5 信号占空比计算示意图Fig.5 Symbolic diagram of signal occupancy ratio calculation

3.5 水平角速度传感器工作精度检测

工作精度[7]指水平角速度传感器转过一定角度时输出脉冲数的精度，正常情况下，水平角速度传感器转动固定角度时，对应输出的脉冲数是固定的。用分辨率对较高的角度编码器作为测量基准，与水平角速度传感器同轴转动进行检测。由于角度编码器的分辨率要比水平角速度传感器分辨率高，所以可以确保检测的准确性和可靠性。将单片机 “定时器/计数器”T0和T2设置成计数方式，在角度编码器与水平角速度传感器同轴转动时，对水平角速度传感器输出脉冲和角度编码器输出的基准脉冲同时计数，根据角度编码器与水平角速度传感器同轴转动固定角度时，二者输出的脉冲数是否符合一定的对应关系，可对水平角速度传感器的工作精度做出判断。

3.6 水平角速度传感器的驱动

在进行性能检测时，要求方位角速度传感器能与角度编码器一同低速平稳转动，以模拟传感器在自行火炮炮塔内的运行环境，这样才能确保检测结果真实可靠。为此，采用步进电机作为同步驱动电机，带动同轴联动的方位角速度传感器和角度编码器转动，并通过程序控制，实现方位角速度传感器的正向和反向转动，完成方位角速度传感器正、反向转动时各项性能指标的检测。

3.7 软件设计

软件由主程序和信号状态检测、信号相位差计算、占空比计算和水平角速度传感器工作精度检测四个子程序组成。软件用C51语言编写。系统工作流程图如图6所示。

图6 系统工作流程图Fig.6 Flow chart of system operation

4 结 论

首先，项目运用单片机控制技术，实现了水平角速度传感器性能的自动检测。其次，通过对水平角速度传感器输出信号状态检测与故障判断、信号相位关系检测与相位差计算、信号占空比计算与辅助调整以及工作精度的检测，实现了水平角速度传感器性能的综合检测。第三，应用单片机定时/计数器以及高分辨率角度传感器进行信号参数检测，实现了水平角速度传感器性能的精确检测。另外，项目以计算机智能检测代替人工检测，提高了检测效率，确保了检测安全。

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[6]余永权.单片机在控制系统中的应用[M].北京：电子工业出版社，2003.

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