一種can接口的操控臺的制作方法
【專利摘要】本發明提供了一種CAN接口的操控臺，機械把手將操作員操作的轉角量傳導給兩個垂直安裝的測角電位計，測角電位計輸出電壓經過信號調理電路變換成方位采集量和高低采集量，在單片機內部進行AD轉換和數值濾波，生成的數字量進行非線性函數變換、最大速度限制和最大加速度限制；單片機的輸出通過CAN總線傳給隨動控制箱。本發明的電源干擾小，轉換精度高，結構簡單，操作簡便，成本低廉。
【專利說明】—種CAN接口的操控臺
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種隨動系統的運動控制操控臺、操控桿產品設計。
【背景技術】
[0002]隨動系統的半自動控制方式普遍采用的是傳統的模擬操控臺和操作桿進行操作，原理框圖如圖1所示。在隨動系統上操控臺的扳動角度代表隨動系統的速度量，傳統的操控臺的工作原理是將操作員手扳把手桿的角度信號通過機械傳動傳給測角電位計，轉換成模擬電壓信號輸出，經過信號傳輸電纜傳給隨動控制箱，在隨動控制箱內部通過控制切換，再將模擬電壓信號進行AD轉換變成數字量，送給數字隨動控制計算機，隨動控制計算機再把代表角度的數字量送給數字化電機驅動器，帶動電動機轉動，使火炮炮塔運行。
[0003]傳統的操控臺具有以下缺點:
[0004]I)操控臺的測角電位計使用外接精密電源，外接精密電源的精度直接影響測角的精度，精密電源一般裝在隨動控制箱內，和別的負載共用電源，產生相互干擾，引起電源波動；電源距操控臺測角電位計線路較長，一般有3米以上，容易產生干擾，引起電源有精度損失；后果是直接影響操控臺的輸出精度，間接隨動控制精度，造成隨動系統控制不穩、零位漂移，給操作員帶來操作難度，影響半自動方式的瞄準精度和射擊精度。
[0005]2)操控臺的測角電位計輸出的模擬信號，由于輸出信號內阻大、功率小，需要從操控臺傳送到隨動控制箱，傳送距離較遠，容易產生干擾；后果同第一條。
[0006]3)操控臺的測角電位計使用的是多組高精度非線性函數電位計，價格奇高。與電位計對應的曲線函數只能在廠家設計生產時定制，后期無法升級。
[0007]4)通訊線路芯數多，一般操控臺需要9芯信號線。
[0008]5)需要在隨動控制箱內部的隨動控制計算機進行AD轉換、數值濾波，增加了隨動控制計算機的計算工作量，占用隨動控制計算機的機時。
[0009]6)如果要增加操控臺給定的信號濾波、速度限制、加速度限制等優化控制方法，用模擬線路實現難度大，精度低、成本高。
[0010]7)操控臺的測角電位計零位調整，在隨動控制箱內進行，增加了隨動控制計算機在全炮上的調試工作量。每一個操控臺調整量都不同，更換操控臺時需要重新調試隨動控制箱的零位電位計。
【發明內容】
[0011]為了克服現有技術的不足，本發明提供一種CAN接口的操控臺。
[0012]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:包括電源、機械把手、測角電位計、信號調理電路和單片機，所述的機械把手將操作員操作的轉角量傳導給兩個垂直安裝的測角電位計，兩個測角電位計的輸出電壓與機械把手的扳動角度是線性函數關系，測角電位計的輸出電壓經過信號調理電路進行幅值和零位的線性變換，變換成滿足單片機輸入要求的方位采集量和高低采集量；方位采集量和高低采集量在單片機內部進行16位AD轉換和數值濾波，生成16位10Hz的數字量，然后進行非線性函數變換，使得計算的速度數據B和機械把手的扳動角度A滿足B = k*A3，其中k是一個常數系數，并確保速度數據B的一階導數絕對值小于隨動系統最大速度限制值，速度數據B的二階導數絕對值小于隨動系統最大加速度限制值；單片機的輸出通過CAN總線傳給隨動控制箱；所述的電源為測角電位計、信號調理電路和單片機供電。
[0013]所述的電源、信號調理線路和單片機集成到操控臺內部。
[0014]所述的測角電位計采用線性電位計。
[0015]本發明的有益效果是:
[0016]I)取消外部精密電源供電，改用內部獨立精密電源模塊，無外部干擾對電源波形影響，因此通過精密電源的電源線因素對隨動系統控制的影響更小。
[0017]2)測角電位計輸出的模擬信號，就近進行16位AD變換，無外部干擾對波形影響，保證了轉換精度。消除了隨動系統控制不穩、零位漂移現象。保證了射擊精度不受影響。
[0018]3)測角電位計使用的是普通線性電位計，成本低廉。
[0019]4)通訊線路芯數減少，由原來的9芯減少到6芯。
[0020]5)隨動控制計算機直接讀取給定角度數字量，不需要進行AD轉換、濾波等計算，減少了隨動控制計算機的計算工作量，減少了隨動控制計算機的機時，簡化了隨動控制箱的硬件線路。
[0021]6)可以在操控臺內部進行信號對給定量用純軟件進行數值濾波、零位調整、非線性曲線函數變換、速度限制、加速度限制等處理，其模型和參數可以在調試時裝定，還可以進行后期升級，還可以通過增加軟件自動對零電路實現自動校零。
[0022]7)操控臺輸出的操作信號，信號調理在操控臺內部調整，保證了操控臺的一致性，減少了隨動控制箱的調試工作量，更換操控臺時不需要重新調試隨動控制箱的調零電位計。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是傳統操控臺組成的隨動系統原理框圖；
[0024]圖2是CAN接口操控臺組成的隨動系統原理框圖；
[0025]圖3是CAN接口操控臺原理圖；
[0026]圖4是操控臺信號流程；
[0027]圖5是電位計輸出電壓與把手板動角度的函數；
[0028]圖6是信號調理變換函數；
[0029]圖7是AD轉換數值與采集電壓關系；
[0030]圖8是把手板動角度與AD轉換數值關系；
[0031]圖9是非線性變換函數；
[0032]圖10是速度限制函數；
[0033]圖11是加速度限制函數；
[0034]圖12是操控臺輸出數字信號與把手板動角度的函數性關系；
[0035]圖13是操控臺工作軟件流程圖。
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明，本發明包括但不僅限于下述實施例。
[0037]本發明采用CAN現場總線技術，在原來傳統操控臺技術的基礎上，研發了帶CAN接口的數字化操控臺，原理框圖如圖2所示。本發明技術方案是把精密電源模塊、信號調理線路、帶高精度AD轉換模塊的單片機、CAN驅動器模塊集成到操控臺內部，采用普通精度的直流供電，操控臺與隨動控制箱之間采用CAN數據總線通訊。
[0038]系統由操控臺機械結構、高低和方位2個測角電位計、操控臺電路板、開關、指示燈組成，如圖2所示。
[0039]操控臺電路板組成包括:精密電源模塊、信號調理電路、含有2路16位單片機、CAN驅動器模塊、直流電源模塊、開關指示燈輔助電路，如圖3所示。
[0040]其單片機包括以下模塊:通過AD轉換接口讀取模擬量信號模塊、進行軟件濾波模塊、速度限制模塊、加速度限制模塊、通過CAN接口與隨動計算機進行通信模塊、開關指示燈邏輯軟件模塊。
[0041]系統原理框圖如圖3所示:1)是通過機械把手傳動將操作員操作的外部的轉角量(方位:_45°?+45° ,高低:-45°?+45° )直接傳給測角電位計,兩個方向電位計兩端分別施加+15V和-15V直流精密電壓。2)兩個方向電位計輸出量與操控臺操作手扳動的幅度相關，不板操控臺時電位計滑動觸點在電位計中間位置，方位和高低電位計輸出均為0V，把手扳到最左時方位電位計輸出+10V,把手扳到最右時方位電位計輸出-ι?ν,把手推到最前時高低電位計輸出+10V，把手拉到最后時高低電位計輸出-10V，電位計輸出電壓與把手的板動角度是線性的函數關系，如圖5所示。3)電位計的輸出經過信號調理電路進行幅值和零位的線性變換，變換成方位采集量和高低采集量，信號調理電路主要由PR1、PR2、PR3、PR4組成，變換到最小值OV和最大值3V，使其方位和高低采集量與AD轉換器的接口要求匹配，以保證AD采集精度，信號調理的線性的函數關系，如圖6所示。4)方位采集量和高低采集量在單片機內部進行16位AD轉換，AD采集每秒采集10000次，通過軟件進行數值濾波，生成16位10Hz數字量，其采集到的數值和采集信號的函數關系如圖7所示，把手板動角度與AD轉換數值關系如圖8所示。5)再進行非線性函數變換，目的是在低速時有較大的扳動角度，而在扳動角度大時有較大的速度變化，如圖9所示，用函數表達是B = k*A3，式k是一個常數系數，在產品調試時確定。6)再進行速度限制，由于在火炮隨動系統的最大速度量必須和隨動系統最大速度匹配，不能超過隨動系統速度的最大值，所以需要進行速度限制，目的是操控臺給出的最大速度在規定的范圍內，速度限制函數如圖10所示。當速度數據B的一階導數絕對值小于速度限制值時，數據B直接通過；當速度數據B的的一階導數絕對值大于速度限制值時，對數據B的進行限制。7)之后再進行加速度限制，目的是操控臺給出的最大加速度在規定的范圍內，加速度限制函數如圖11所示。當速度數據C的二階導數絕對值小于加速度限制值時，數據C直接通過；當速度數據C的的二階導數絕對值大于加速度限制值時，對數據C的進行限制。完成操控臺輸出數字量，實現良好的操作感覺，最后得到的操控臺輸出數字信號與把手板動角度的函數性關系如圖12所示。8)最后將處理完成后的輸出數字量，通過CAN總線進行詢問，操控臺及時應答，把操控臺操作量傳給隨動控制箱。整個操控臺信號流程如圖4所示。
[0042]其中:AD采集頻率、濾波算法、非線性變換函數、速度限制函數、加速度限制函數、CAN總線的站號和波特率等關鍵數據都在單片機工作軟件中設為變量，存儲在FLASH中，可以掉電保存。需要修改時，由調試計算機或隨動控制計算機通過CAN總線進行修改。
[0043]圖2、圖3、圖4中的開關指示燈邏輯是:在火炮系統總電源給電后，隨動系統和操控臺沒有供電，不能運行。需要隨動系統運行時，撥動操控臺上“隨動電源”開關后，隨動系統和操控臺才能通電運行，此時操控臺上的電源指示燈亮。隨動系統啟動默認方式是半自動方式，即操控臺手動控制隨動系統運行，操作員通過操控臺手動控制火炮實現跟蹤或調炮。操控臺上“自動/半自動”轉換按扭裝在操作把手上，當需要自動控制(即由火控計算機自動控制)隨動系統時，按住“自動/半自動”轉換按扭不放，隨動系統進入自動控制方式，火炮隨動系統由火控計算機控制運行。當需要由手動控制隨動系統時，釋放“自動/半自動”轉換按扭，隨動系統又回到由操控臺控制運行的運動方式。操控臺半自動控制隨動系統時，半自動指示燈亮、自動指示燈滅。火控計算機控制隨動系統時，自動指示燈亮、半自動指示燈滅。
[0044]參見圖3，本實施例中，某火炮所用操控臺改進設計如下:
[0045]設計一塊如圖3所示電路板安裝在操控臺內部，包括精密電源模塊、直流電源模塊、方位給定信號和高低給定信號調理電路、含有2路16位AD的單片機、CAN總線驅動器模塊。其單片機軟件包括:通過AD轉換接口讀取方位采集和高低采集模擬量模塊、進行軟件數值濾波模塊、非線性函數變換模塊、速度限制模塊、加速度限制模塊、通過CAN接口與隨動箱進行通信模塊、開關指示燈邏輯軟件模塊。
[0046]設計并加工一套操控臺機械結構，安裝普通線性電位計Rl和R2，如圖3所示。通過電位計PRl調整方位給定的幅值，PR2調整高低給定的幅值，PR3調整方位給定的零位，PR2調整高低給定的零位。
[0047]需要設計的操控臺技術參數如下:
[0048]I)把手測角精度:0.1密位(6000密位=360度)；
[0049]2)采集頻率:100 Hz ;
[0050]3)電源要求:直流24±8VDC。
[0051]實施例技術方案:
[0052]系統組成由操控臺機械結構、高低和方位2個測角電位計、操控臺電路板、開關指示燈，如圖3所示。
[0053]操控臺電路板組成包括:精密電源模塊、信號調理電路、含有2路16位單片機、CAN驅動器模塊、直流電源模塊、開關指示燈輔助電路。
[0054]其單片機軟件包括:通過AD轉換接口讀取給定信號模擬量模塊、進行軟件濾波模塊、速度限制模塊、加速度限制模塊、通過CAN接口與隨動計算機進行通信模塊、開關指示燈邏輯軟件模塊。
[0055]單片機采用Freescal公司的32位單片機MC56F84789，片內有CAN控制器。CAN總線驅動采用PCA82C250芯片，對外接口和隨動系統接口規范一致。調試時可以按照CAN2.0B協議、站號是3、800K波特率進行。
[0056]在機械結構安裝調試完畢后，進行電路及軟件調試，按以下6步進行:
[0057]第一步灌軟件:向操控臺的單片機灌操控臺軟件。
[0058]第二步電位計位置零位及幅度修正:將操控臺安裝在調試臺上調試。用工裝電纜連接插頭J2和插座J2，工裝電纜只有1、2兩個芯線連接，3、4兩個芯線不連接。給電路板JO插頭的5針和3針之間加24V電壓，調整電位計的安裝，使把手放開回到操控臺中心時電位計的輸出端3、4都為0V。調整操控臺把手的方向和高低位置選擇范圍，使把手扳到最左時方位電位計輸出+10V，把手扳到最右時方位電位計輸出-10V，把手推到最前時高低電位計輸出+10V，把手拉到最后時高低電位計輸出-10V。
[0059]第三步信號調理電路調整:連接插頭J2和插座J2，給電路板JO插頭的5針和3針之間加24V電壓，調整方位比例電位計PRl和零位電位計PR3，使操作桿把手在最左邊時方位采集信號是3.3V，操作桿把手在最右邊時方位采集信號是0V，操作桿把手完全放開回到零位時方位采集信號是1.65V。同樣調整高低比例電位計PR2和零位電位計PR4，使操作桿把手在最前邊時高低采集信號是3.3V，操作桿把手在最后邊時高低采集信號是0V，操作桿把手完全放開回到零位時高低采集信號是1.65V。
[0060]第四步AD采集原始數據調試:將操控臺與調試計算機連接，在調試計算機上讀取AD采集后原始數據A。檢查方位數據A和把手的對應關系，正確的是操作桿把手在最左邊時方位采集信號數據是OxfTfT，操作桿把手在最右邊時方位采集信號是0x0001，操作桿把手完全放開時方位采集信號是0x8000。如果不是，小幅調整方位比例電位計PRl和零位電位計PR3，使其達到要求。同樣檢查高低數據對應關系，正確的是操作桿把手在最前邊時高低采集信號數據是OxfTfT，操作桿把手在最后邊時高低采集信號是0x0001，操作桿把手完全放開時高低采集信號是0x8000。如果不是，小幅調整方位比例電位計PR2和零位電位計PR4，使其達到要求。
[0061]第五步進行非線性函數變換:在單片機內部用軟件進行數據的非線性函數變換，變換函數如圖9所示。非線性函數默認值是半個拋物線，也可以是一個其它曲線函數。
[0062]第六步進行速度限制函數變換:在單片機內部用軟件進行，按照速度限制函數進行速度限制的數據變換，變換函數如圖10所示。上電時使用FLASH中存放的值。速度限制值可以由調試計算機進行裝定，也可以在火炮調試時進行裝定。
[0063]第七步進行加速度限制函數變換:在單片機內部用軟件進行，按照加速度限制函數進行加速度限制的數據變換，變換函數如圖11所示。上電時使用FLASH中存放的值。加速度限制值可以由調試計算機進行裝定，也可以在火炮調試時進行裝定。
[0064]調試完畢的操控臺在使用中啟用的工作軟件，其流程圖如圖13所示。
【權利要求】
1.一種CAN接口的操控臺，包括電源、機械把手、測角電位計、信號調理電路和單片機，其特征在于:所述的機械把手將操作員操作的轉角量傳導給兩個垂直安裝的測角電位計，兩個測角電位計的輸出電壓與機械把手的扳動角度是線性函數關系，測角電位計的輸出電壓經過信號調理電路進行幅值和零位的線性變換，變換成滿足單片機輸入要求的方位采集量和高低采集量；方位采集量和高低采集量在單片機內部進行16位AD轉換和數值濾波，生成16位10Hz的數字量，然后進行非線性函數變換，使得計算的速度數據B和機械把手的扳動角度A滿足B = k*A3，其中k是一個常數系數，并確保速度數據B的一階導數絕對值小于隨動系統最大速度限制值，速度數據B的二階導數絕對值小于隨動系統最大加速度限制值；單片機的輸出通過CAN總線傳給隨動控制箱；所述的電源為測角電位計、信號調理電路和單片機供電。
2.根據權利要求1所述的CAN接口的操控臺，其特征在于:所述的電源、信號調理線路和單片機集成到操控臺內部。
3.根據權利要求1所述的CAN接口的操控臺，其特征在于:所述的測角電位計采用線性電位計。
【文檔編號】G05D3/20GK104331006SQ201410553807
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月17日 優先權日:2014年10月17日
【發明者】王世凱, 代普, 王德強, 王興梅, 李紅麗 申請人:中國兵器工業第二O二研究所