牵引火炮轮胎状态数据自动监测与报警系统设计*

胡朝根,焦贵伟

(1.陆军军官学院兵器工程教研室,合肥 230031;2.陆军军官学院研究生管理大队,合肥 230031)

项目来源:装备预研基金项目(9140A27020314JB91441)

2017-02-16修改日期2017-07-07

牵引火炮轮胎状态数据自动监测与报警系统设计*

胡朝根1*,焦贵伟2

(1.陆军军官学院兵器工程教研室,合肥 230031;2.陆军军官学院研究生管理大队,合肥 230031)

牵引火炮是当前部队装备很多的炮种,行军要通过牵引车牵引车轮运动,因此牵引火炮轮胎的状态参数是火炮行军过程中的需要密切关注掌握的情况。针对目前炮兵部队尚无专门设备对行军中火炮轮胎状态进行监测这一状况,基于现代传感器技术、单片机技术以及无线传输技术,介绍设计了一种牵引火炮轮胎状态数据自动监测和报警系统。分析了系统的总体设计,硬件设计,软件设计,进行了验证分析,结果表明此系统能够实现牵引火炮在行军中的温度压力等状态的实时准确监测,有效防止轮胎爆胎,减少轮胎的损毁,避免故障发生,降低火炮的非战斗损失,具有很强的实用性。

牵引火炮;轮胎;监测与报警系统;传感器;无线传输

轮胎作为牵引火炮运动体的核心部分,其温度压力值的正常与否决定着牵引火炮在行军过程中的安全以及火炮正常作战功能的发挥。在行军过程中,胎温过高,胎压过压和欠压都会影响轮胎的正常使用寿命。行军过程中轮胎异常温度压力还会相互影响,产生恶性循环。胎压过高,轮胎摩擦力、附着力降低,影响制动效果,同时轮胎耐轧性能下降,遇尖锐物体导致爆胎;胎压过低,轮胎变软,与地面摩擦增大,牵引车油耗上升,过度碾压导致轮胎磨损、老化加剧,同时也会使温度升高,导致爆胎。火炮轮胎温度压力异常引起的故障轻则造成轮胎寿命降低,增加装备维护费用,重则造成人员伤亡,延误作战时机。而如果在火炮轮胎状态数据异常时就能发现并及时处理,就能将非战斗损失降到最小。因此,对牵引火炮轮胎的温度压力进行实时监测和报警具有十分重大的意义[1]。

目前各炮兵部队对火炮轮胎温度压力尚无专门的配套监测设备,仅靠原始人工观察。针对牵引火炮在行军过程中轮胎状态数据的重要性,以及变化波动不易察觉,很难预防的特点,笔者利用传感器技术,单片机技术以及无线传输技术,设计了一种牵引火炮轮胎状态数据实时监测和报警系统[2]。不仅能对单门火炮轮胎状态数据进行监测,还可以对牵引火炮编队行军中的状态数据变化进行监测和管理,同时在超过临界值时进行声光报警,提醒分队人员及时停止行军进行处理,避免了事故的发生,保证作战任务的顺利完成,延长了轮胎的使用寿命,节省了维修的人力物力,能显著提高部队装备的信息化管理水平。

1 系统总体结构设计

牵引火炮轮胎状态数据自动监测和报警系统由数据检测发射装置、无线中继装置、接收显示手持终端和PC机组成[3]。系统总体结构框图如图1所示。无线中继装置为选用部分,当牵引火炮编队行军时纵深过大时,为保证通信传输质量,安装无线中继装置。数据检测发射装置由多类传感器、微控制模块(MCU)以及RF发射模块等构成,主要将检测到的状态数据信号发送给中继装置或手持终端。接收显示手持终端包含多个功能部分,主要是接收传感器发送的信号,经过解调,处理,显示,报警,同时将所有采集到的数据通过无线传输模块发送给PC机。PC机主要是将监测到的实时数据以变化曲线形式显示出来。本系统所有数据流均采用无线模块来进行传输,减少了线路的设置,快捷高效,数据流方向如图2所示[4]。

图1 系统总体结构框图

图2 数据传输图

系统工作过程如下:在建制规模的牵引火炮的每个轮胎轮毂处安装一个胎压传感器,利用智能传感器中的温度、压力、加速度、电压传感器测量各状态参数,A/D转换后送入存储模块,处理器检测到火炮开始行军时(通过径向加速度传感器),RF发射模块则以特定频率向接收显示手持终端发射检测到的数据信号,火炮行军停止时,发射装置进入省电状态;手持终端在接收发射装置的RF信号,进行转换,译码,提取出各个状态数据,存储,以RF信号形式发送给PC机(上位机),同时送入中央处理模块,当某轮胎数据值超过设定标准值时,处理器驱动进行声光报警,并在液晶屏上显示火炮编号,轮胎位置及异常值;PC机在接收到手持终端无线传输过来的实时检测数据,包括温度、压力、加速度、电池电压等,在显示屏上以变化曲线的形式显示[5]。

本系统主要是监测火炮轮胎的温度压力,手持终端通过提前设定合理的危险临界值,在行军过程中达到异常状态及时报警,显示异常处位置和状态值。而PC机上显示的状态实时变化曲线则能给编队指挥人员提供依据,指挥人员可以通过分析其规律及时预警,调整部署,比如轮胎缓慢漏气不易引发报警的现象,同时在牵引火炮编队在返回炮场时可根据胎压,电池电压等状态曲线,进行轮胎维护等保养工作,提高装备保障效率。

2 系统的硬件设计

2.1 数据发射装置硬件设计

数据检测发射装置的硬件主要是由将传感器与单片,所需RF机以及RF发射模块集成封装的智能传感器构成。本系统采用的是德国Infineon公司的SP37胎压监测传感器,该传感器集成度高,小型化,功耗低,符合系统设计要求。其内部结构示意图如图3所示。它采用系统级封装(SIP),集成了范围从100 kPa～450 kPa的压力传感器、径向加速度传感器、温度传感器、电源电压传感器,嵌入8051兼容的8 bit微控制器、6 KB片上闪存存储器、256 Byte RAM,低功耗RF发射机,高灵敏度LF接收器[6-7]。SP37接收到的数据信号处理后,以434 MHz的FSK调制方式从RF天线发射出去。电源供电方式采用3 V纽扣电池供电,内置电源管理模块,通过行驶速度不同工作在不同模式,以减小功耗,可以使用较长时间。SP37工作温度范围在-40 ℃～+125 ℃,在恶劣环境下具有高度可靠性,可在野战条件下稳定工作。

图3 SP37结构示意图

2.2 无线中继装置硬件设计

无线中继装置由收发器IA4421,微控制器MC9S08DZ60以及电源模块构成。结构示意图如图4所示。

图4 无线中继装置结构示意图

选用的IA4421是一款单晶片低功耗,多频道的FSK收发器,工作在无须注册的433M、868M、915M频段。它是一个完整的收发机,内部集成了高功率放大器(PA)、低噪声放大器、I/Q转换混频器、基带滤波器、中频放大器、信号强度指示等RF功能模块,外设电路简单,性能稳定可靠。

MC9S08DZ60内部为40 MHz的时钟频率,20 MHz的总线速率,具有60 KB Flash存储器,4 KB的RAM,2 K的EEPROM在线可编程内存,大容量的存储空间可以保证开发软件代码的完备性。设置参数如轮胎ID、工作模式等可以存储在EEPROM存储,保证掉电数据不丢失,上电无需重新设置,提高了系统可靠性。单片机内部还有SPI模块,RF芯片可通过SPI总线与单片机连接。

2.3 手持终端硬件设计

接收显示手持终端采用功能模块化设计,与检测发射装置结构类似,结构示意图如图5所示。内部系统分为中央处理模块、RF传输(收发)模块、信息显示模块、数据存储模块、声光报警模块、电源管理模块。中央处理模块作为手持终端的主控模块,以Freescale公司的MC9S12XS128MAL作为中央处理芯片,MC9S12XS128MAL是16 bit单片机,由16 bit中央处理单元(CPU12X)、128 KB程序Flash、8 KB RAM、8 KB数据Flash组成,112引脚封装,可以集成多种模块,符合系统设计的要求。无线收发模块使用与中继装置相同的IA4421,信号经FSK调制以434 MHz频段发射[8]。

图5 接收显示手持终端结构示意图

整个手持终端采用锂电池供电,为了减小功耗,嵌入了电源管理模块,设计时注重充电控制避免过冲和电池的欠压保护,利于延长电池使用寿命。

3 系统的软件设计

系统的软件设计主要包括数据通信协议,检测发射装置的软件设计,无线中继装置的软件设计,手持终端的软件设计,以及加密算法设计。

3.1 数据传输通信协议

该系统无线传输频段采用434 MHz的通用标准,调制方式为频移键控调制(FSK),传输波特率为9 600 bit/s。同步传输过程中,系统信源编码采用曼彻斯特编码。曼彻斯特编码可编码同步位流的时钟和数据,抗干扰性能强,能自动同步。传输数据在发送前,需重新编排,为使数据有效传输,采用CRC循环冗余校验,传感器发射的每帧数据格式如表1所示[9]。

表1 数据帧格式

其中前导码2 byte,由SP37自动生成,需预先设置在手持终端芯片的内部寄存器中,只有前导码与寄存器中的相匹配,才开始接收;标识码1 byte;用于标识数据帧来自传感器;设备ID为4 byte,用于标识火炮轮胎的位置信息;温度、压力、加速度、电压等数据根据传感器的量程,均为1 byte;CRC校验和1 byte,用于检验接受数据是否准确。

3.2 数据检测发射装置软件设计

检测发射的主程序如图6所示,主要进行数据的采集,A/D转换,送入微处理器编码发送无线信号。同时通过SP37内置的加速度传感器来判断火炮的运动与停止,进而控制检测数据的发射间隔,进而降低功耗。运动时每隔6 s发射一次状态数据;停止时,进入省电状态,每隔2 min发射一次数据。系统每小时复位一次,以保证可靠性。

图6 检测发射装置主程序流程图

图7 中继装置主程序流程图

3.3 中继装置软件设计

无线中继软件主要是对RF信号进行中继,即接收传感器发射的信号,验证数据正确性后,以相同频段和波特率将数据帧重新发送出去,供手持终端接收。中继装置处理流程图如7所示[10-11]。

3.4 手持终端软件设计

手持终端在接收到发射过来的射频信号后,解析出数据值,先检验数据完好性,然后将轮胎的ID信息与提前设定好的信息进行验证,得出轮胎序号,若轮胎ID不匹配数据不完备则丢弃数据帧重新接收新数据,数据验证完毕后转码送入存储器存储,同时将数据发送给PC机[12]。微处理器将正确数据与设定好的阈值进行比较,若符合报警条件则进行声光报警并在显示器上显示出轮胎位置和异常状态值,否则继续接收数据进行下一次判别。程序流程图如图8所示。

图8 手持终端主程序流程图

3.5 加密算法设计

由于野战环境存在各种电磁干扰,在通信过程中会使数据一定程度上产生差错,同时基于军用通信的保密性要求,为提高系统的安全性和可靠性,设计了一种加密算法。在检测发射装置发送无线数据信号之前,加密数据。手持终端相应的也要先对接收的数据进行解密,若解密后不能通过校验,则说明数据错误,丢弃数据帧。

加密算法设计:发送的数据帧共13 byte,对前6 byte和后7 byte采用两种处理方式。前6 byte,设为A={A0A1A2A3A4A5},对A先循环右移3位得B,B按位取反得C,C循环左移3位得到D。后7 byte,设为G={A6A7A8A9A10A11A12},对G先按位取反得到H,H再循环左移4位得到I,I再按位取反得到J。而手持终端接收到无线信号后,进行相应的反操作解密得到A和G,最后计算是否A0^A1^A2^A3^A4^A5^A6^A7^A8^A9^A10^A11=A12,来验证数据可靠性。

4 实验分析

为了验证该系统能否准确反应状态变化,用加装该系统的某型牵引火炮在2 km野外行军条件下,控制行军速度逐渐加快,匀速行驶一段距离后停止行军,采集30组数据,所得变化曲线如图9所示。

图9 行军过程压力温度变化曲线

从曲线总体走势上可以看出,温度和压力的变化是同步的,这是由于轮胎内部可看做定容条件,根据气体方程可知压力和温度是成正比的。火炮开始行军时,轮胎与地面摩擦生热,温度由初始常温逐渐升高,压力也逐渐上升,当速度加快时摩擦加剧,温度大幅度上升,压力也同步上升,停止行军时,摩擦停止,胎温下降,压力紧跟下降。总体来说,得到的压力温度曲线能够真实有效反映行军过程中的压力温度变化过程,通过设定好合理的阈值就能很好达到监测报警目的。

为验证该系统的数据准确性和报警性能,以气压数据为例,对某加装该系统的火炮轮胎先降压放气,再缓慢充气到标准压力,期间停顿数次采集轮胎压力数据,再与专用胎压测试表的测量值进行比对,得出表2的实验数据。

表2 实测数据 单位:MPa

从实验数据可以看出:本系统测试的数据准确性很高,当轮胎气压低于0.810 MPa时,轮胎气压过低,本系统会立即报警,气压位于0.813MPa ～0.820 MPa属于正常胎压范围内,系统不会报警,当气压高于0.830 MPa,轮胎有爆胎风险,本系统也会提示报警。综上可知,本系统满足设计的功能要求,能准确测量并及时报警。

5 结束语

本文设计的系统能有效对牵引火炮行军时轮胎状态数据进行实时监控和自动报警,该系统准确度高,外围电路少,功耗低,抗干扰性强,操作简单,能显著降低了牵引火炮的非战斗损失,提高了部队装备的数字化水平,具有很强的实用和推广价值。

[1] 梁涛,杨伟达,杨玉坤,等. 多无线传感模式的TMPS设计[J]. 传感技术学报,2016,29(3):456-461.

[2] 李敏. 汽车轮胎压力及温度实时检测系统设计[J]. 激光杂质,2014,35(10):127-130.

[3] 祝文静. 基于单片机的轮胎压力无线监测系统设计[J]. 科技信息,2013,9(3):87-88.

[4] 陈广秋,秦永左,杨洪伟. 智能轮胎压力监视系统的研究与实现[J]. 长春理工大学学报(自然科学版),2007,30(1):32,54-57.

[5] 肖文光,张宏财,李浩,等. 汽车胎压监测系统发射模块设计[J]. 电子产品世界,2011(4):50-51,59.

[6] 黄友,张向文. 基于SP37的轮胎压力监测系统的设计与实现[J]. 仪表技术与传感器,2013(12):144-147.

[7] 肖文光,李艳华. 基于SP37的新型TPMS系统设计[J]. 电子设计工程,2011,19(6):86-88.

[8] 随辰扬,潘宏博,冯明,等. 基于智能手机的汽车胎压监测系统[J]. 传感器与微系统,2014(6):114-116.

[9] 温瑞. 汽车胎压监测系统发射模块设计[J]. 自动化技术与应用,2008,28(7):80-81.

[10] 王华东,王大羽. 一种改进的多无线传感器数据分批估计自适应加权融合算法[J]. 传感技术学报,2015,28(8):1239-1242.

[11] 陈余,袁涛. 汽车轮胎压力监测系统中无线数据传输的设计与实现[J]. 电子技术应用,2006(7):116-118.

[12] 刘占亚,付永庆,陶宝泉. 带无线中继的汽车轮胎压力监测系统设计[J]. 应用科技,2009,36(12):24-28.

DesignofAutomaticMonitoringandWarningSystemforStateDataofTireofTowedGun*

HUChaogen1*,JIAOGuiwei2

(1.Weapon Engineering Section,Army Officer Academy,Hefei 230031,China; 2.Company of Postgraduate Management,Army Officer Academy,Hefei 230031,China)

Towed gun which was equipped in the army a lot,marches by pulling wheels with motor tractor,so towed gun’s tire state data should be paid close attention to in the process of artillery marching. Aimed at the situation,there are no special equipment for monitoring gun’s tire state in the marching,this paper describes the design of an automatic monitoring and warning system for state data of tire of towed gun based on the technology of modern sensor,microcontroller and wireless transmission. This paper performs the overall design of the system,hardware design,software design and test analysis. The test showed that the system,with strong practicability,can monitor real-time temperature and pressure in the marching accurately,effectively preventing the tire burst,avoiding failure,reducing the damage of the tire and the non-combat loss.

towed gun;tire;monitoring and warning system;sensor;wireless transmission

TJ303.9

A

1004-1699(2017)10-1608-06

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.10.026

胡朝根(1960-),男,学士,安徽合肥人,陆军军官学院兵器工程教研室副教授,长期从事兵器技术勤务检查、火炮身管检测和火炮寿命预测的教学和科研工作,15375549483@163.com;

焦贵伟(1993-)男,安徽淮南人,硕士研究生,主要研究方向从事兵器检测技术,火炮寿命预测、精准射击等方面的研究,465911725@qq.com。