火炮复进机压力监测系统设计

胡朝根，张晓龙，王 强，刘 闯，蔡灿伟

(1.陆军军官学院 兵器工程教研室，安徽 合肥 230031；2.陆军军官学院 高过载弹药制导控制与信息感知实验室，安徽 合肥 230031)



火炮复进机压力监测系统设计

胡朝根1,2，张晓龙1，王 强1，刘 闯1，蔡灿伟1

(1.陆军军官学院 兵器工程教研室，安徽 合肥 230031；2.陆军军官学院 高过载弹药制导控制与信息感知实验室，安徽 合肥 230031)

复进机作为火炮反后坐装置的重要组成部分，其性能好坏直接影响到火炮战斗力。针对火炮反后坐装置工作可靠性与复进机内部压力密切相关这一工程实际问题，设计了一种可以实时反映火炮复进机内部压力变化规律的压力监测系统。该系统利用了现代传感技术、无线传输技术以及单片机技术，实现了建制规模火炮复进机压力数字化检测与管理，为火炮反后坐装置常态化检测、维护和保养提供了便捷的信息化管理平台。试验结果表明：该设计可靠实用，符合火炮射击过程，为反后坐装置后续故障诊断奠定了基础。

自动控制技术；监测；火炮复进机；建制规模；压力

复进机作为火炮反后坐装置的重要组成部分，其内部压力对火炮反后坐装置工作可靠性起着决定性作用。据统计，反后坐装置故障率较高，其中80%以上与复进机内部压力异常有关，严重影响火炮使用的安全性和可靠性。可见，在火炮射击前期、过程中以及结束后都要对复进机压力进行检测，如何快速、准确地检测复进机压力变化，成为火炮使用与保障亟待解决的工程实际问题[1-2]。

笔者利用现代传感技术、无线传输技术和单片机技术，设计了一种火炮复进机压力监测系统，不仅可以对单门火炮复进机初压、末压以及火炮发射过程中的压力变化规律进行检测，还能对建制规模火炮群体的复进机压力同时进行监测和管理，节省了大量的人力和物力。

1 系统总体结构设计

火炮复进机压力监测系统由多个压力检测仪、信号收集手持终端和PC机(上位机)组成，如图1所示。压力检测仪由压力传感器分系统和压力采集与发射分系统组成，主要完成每门火炮复进机内部压力的检测，并将测得的压力信号传输给信号收集手持终端。信号收集手持终端由一些功能模块组成，主要完成压力信号的收集、处理、存储和显示，并将所有监测到的压力信息传输给PC机。PC机主要完成数据后期的分析和管理[3]。

火炮复进机压力监测系统具体的工作过程如下：在建制规模的每门火炮复进机上安装一个压力检测仪；测量时，利用压力传感器分系统测量复进机内部压力，并将获得的压力传递给压力采集与发射分系统；进而采集与发射分系统的内置射频传输模块以特定的频率向信号采集手持终端不断发射已获得的压力信号；最后手持信号采集终端将各个压力检测仪发射的信号频率进行采集并转换为相应的压力值，并以数值和变化曲线的方式显示在其界面上，实现一台信号采集手持设备同时对多门火炮复进机内部压力的检测和管理。

此外，由于压力检测仪具有无线传输功能，因此信号收集手持终端加装无线收发模块以及RS232接口进行数据传输，以实现压力检测仪、手持终端和PC机之间的多模式数据收发，方便后续压力值的综合分析，数据传输模式如图2所示。

由于压力检测仪可以显示复进机内部压力初始值和末值的异常值，炮手可以直观判断出火炮反后坐装置性能好坏，维护人员可以利用手持终端在火炮附近查看复进机的当前状态，为排除火炮反后坐装置故障提供数据支撑。此外，指挥人员可以将每门火炮压力数据采集到PC机上，通过分析每门火炮的压力变化规律及时调整火炮战术布局。

2 压力检测仪与手持终端分系统硬件设计

压力检测仪分系统结构示意图如图3所示。它以压电式压力传感器为测量元件，通过微处理器对采集的压力信号进行处理，再用射频方式发送出去，同时将信号显示在检测仪的显示屏上。检测仪以全自动无线监测为主要方式，同时辅助人工手动操作，硬件平台采用模块化设计以提高整体可靠性，将系统划分为压力信号采集模块、信息显示模块、射频(发送)传输模块、中央处理模块、数据存储模块以及电源管理模块。系统整体结构设计紧凑，可在野战环境下使用[3]。

压力信号采集模块使用高精度的压力传感器采集压力值，其综合精度可达0.1 % F·S，工作频率固定，能够保证压力采集实时性要求。检测仪压力信息显示模块采用数码管显示方式，并设有开关电路，可人为地开启和关闭检测仪以减小功耗。射频(发送)传输模块采用TI公司的CC1120主芯片来实现数据的无线远距离收发，支持2-FSK，2-GFSK，4-FSK，4-GFSK，MSK，00K/ASK调制，可以实现点对点、点对多点的通信方式，在空旷区域传输距离能够达到1 000 m左右。中央处理模块作为数据处理与系统控制的核心模块，以飞笛卡尔的MC9S12XS128MAA作为中央处理芯片，主要将A/D转换后采集的压力值分析整理：一方面通过驱动数码管显示压力值;另一方面将压力值发送到数据存储模块，当手持终端收集信息时再从数据存储模块上读出，通过无线传输至手持终端。

由于压力检测系统采用锂电池供电，考虑到功耗问题，电源管理尤为重要，设计时注重了电池的充电控制以防止过冲和电池的欠压保护，从而延长电池使用寿命。

信号收集手持终端分系统结构如图4所示，其结构与压力检测仪设计基本相同，主要区别在于手持终端采用液晶显示屏作为信息显示模块，主要是考虑到手持终端除需要显示收集各门火炮上压力检测仪的压力值外，还需显示火炮复进机的压力变化曲线。另外，为了能够与PC机多模式数据收发，增加了RS232接口，这样PC机即使不加装无线传输模块，也可通过RS232接口实现手持终端与PC机的数据传输，方便数据的后续分析。

3 火炮复进机压力监测系统软件设计

火炮复进机压力监测系统压力检测仪与手持终端软件设计的主程序流程如图5所示。

软件设计是基于多任务调度来实现各个模块的功能，以分配时间片的形式分时执行程序，最终实现整个监测系统的功能要求[4]。具体流程如下：

1)系统上电后，任务调度模块开始运行，以延时中断的形式调用各个功能模块。

2)优先调用自检模块、电源管理模块、信号采集模块，检查压力采集电路与接口系统是否正常，其他模块运行处于休眠状态。

3)当系统自检通过后，自检模块转入休眠状态，其他功能模块处于运行状态，系统开始正常运行；当系统自检无法通过时，系统提示错误信息，此时电气控制系统无法正常运行，需要人为排除故障，让系统自检通过。

4)完成硬件系统初始化，如微处理器的寄存器、I/O口、射频芯片接口、显示屏等。

5)以1 ms计时采样点将采集的数据分析处理后，存入到数据存储模块，将需要显示的数据送到信息显示模块中。

6)监听手持终端是否发来数据，等待接收手持终端的无线唤醒。

7)完成火炮复进机压力的监测。

手持终端在上电后完成上述1)～4)过程，然后发送无线唤醒指令，激活检测仪射频模块发送数据。在手持终端射频模块截获到数据频段后开始采集射频信号，并解析计算压力值。对于初始压力，因为是一个静态值，所以只需直接读取火炮未发射时采集的压力即可；而末态压力是指火炮发射过程中，复进机内气体压缩到最小而压力最大时的压力值，是一个瞬态量，所以要用软件判断的方法得出瞬时最大压力。发射过程中压力是不断变化的，因而需要解算出在某一微小时间段内压力的变化量，从而得出压力与时间的变化曲线。具体可以采用时间段求平均的方法采集压力，然后与前一次的平均值进行比较，如果压力发生变化说明火炮已经点火，此时开始计时，依此持续不断地采集压力数据，直到后一次采集的压力平均值比前一次小，即说明此时的压力已达到最大值，并停止计时，这样就得到整个发射过程中压力随时间变化的曲线。

4 试验结果分析

为了验证系统性能是否达到要求，在某一工况条件下，对某炮兵营建制的18门某型火炮，任意抽取其中4门火炮作为试验对象，在距炮阵地50 m远的野外条件下，通过手持终端收集到这4门火炮上的压力监测仪数据，并记录下复进机的初压、末压及发射过程中压力变化曲线，如图6所示。

从曲线中可以看出：4门火炮复进机初压基本在6.0～6.5 MPa之间，末压保持在19～20 MPa之间，均在正常压力范围之内[5-6]。从各门火炮复进机内部压力变化规律曲线上看，火炮发射过程中，复进机内部压力先因后坐运动致使气体压缩而不断增大，约在0.5 s时上升至最大值，随后因气压释放产生复进运动而开始不断下降至初压状态。

总体来说，系统所得到的压力曲线能够直观真实地反映出火炮复进机内部气体压力的变化规律，也从一定程度表明所测4门火炮日常保养良好。

5 结束语

试验验证表明:笔者设计的火炮复进机压力监测系统，压力曲线能够真实反映出复进机内部压力变化规律，能够对建制规模火炮复进机压力状态进行监测和管理。该系统操作简单、精度高、结果直观可靠，可适用于野战条件下绝大多数现役火炮，是一个高集成的数字化火炮保障维修应用平台，具有一定的实用价值和推广价值。

References)

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ZHANG Xiaodong. Study on collaborative simulation and failure mechanism of gun recoil and counter recoil[D]. Shijiazhuang: Ordnance Engineering College, 2011.(in Chinese)

Design of Gun Counter-recoil Mechanism Pressure Monitoring System

HU Chaogen1,2, ZHANG Xiaolong1, WANG Qiang1, LIU Chuang1, CAI Canwei1

(1.Weapon Engineering Teaching and Research Section, Army Officer Academy, Hefei 230031, Anhui, China;2.The High Overload Ammunition Guidance and Information Awareness Lab,Army Officer Academy,Hefei 230031,Anhui,China)

The artillery counter-recoil mechanism is the key component of the gun anti-recoil mechanism, and its property is important to gun battle force. According to the practical engineering problem of the close relationship between work reliability of gun anti-recoil mechanism and the pressure in the gun counter-recoil mechanism, a pressure monitoring system is designed so that the artillery counter-recoil pressure value and variation curve can be displayed in real time. The pressure system is designed by using modern sensor technology and wireless transmission technology and SCM technology with the digital and informational monitoring and management of artillery counter-recoil mechanism pressure achieved based on this system and a convenient and digital management platform provided for the normality checkout and maintenance and repairing of the gun anti-recoil mechanism. The experimental results show that the design is reliable and practical and agrees with actual firing condition, laying a solid foundation for the artillery anti-recoil mechanism fault diagnosis.

automatic control technology; monitoring; gun counter-recoil mechanism; formed scale; pressure

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.03.017

2015-11-06

胡朝根(1960—)，男，副教授，主要从事兵器测试和信息化弹药技术研究。E-mail：caicanwei1@126.com

TJ303+.4

A

1673-6524(2016)03-0080-04