某型装甲车三防系统控制盒数字化改造

王鉴渊，李光升

（装甲兵工程学院 控制工程系，北京 100072）

三防装置是坦克在遭受原子、化学、生物武器袭击时，保护乘员及车内部件不受伤害、提高坦克和乘员在战场生存力的一种特殊防护装置。配备三防系统的装甲车辆一般都采用集体防护形式，而集体防护形式主要分为超压式集体防护和混合式集体防护，但大都采取超压式集体防护，简称“超压集防”。装甲车的三防系统是随着核武器、生物武器、化学武器的发展应运而生的。在实际战场上，最重要的就是当发生核爆炸或者核爆炸后进入放射性沾染区和进入毒剂沾染区后，车辆的保护装置能否快速而有效地动作，继而能否形成超压集防。所有的保护装置包括那些执行机构都由三防系统的控制盒来控制，所以三防控制盒扮演着极其重要的角色。本文以某型装甲车辆的三防控制盒为改造对象，通过对比分析选择恰当的控制方式进行控制，提高了该控制器的可扩展性，为后面三防系统故障诊断研究打下硬件基础。

1 某型三防系统继电控制盒原理介绍

该三防装置由探测器和电气控制装置、关闭机构、过滤通风装置组成，与整车密封机件配合使用。该三防装置电气控制方框简图如图1所示。其中最为关键的控制盒由多个继电开关构成，当控制盒接收到报警信号后，经过继电开关来控制除尘增压风机及其进排气口关闭机、转换装置、隔板通风活门关闭机、百叶窗关闭机等执行机构的动作。下面结合三防装置电气控制图，简要分析系统工作过程。

防原子过程：核爆炸时或者核爆炸后坦克进入放射性沾染区时，原子报警器发出报警信号，黄色报警闪光灯亮后，风机进排气口关闭机、通风活门、百叶窗关闭机自动关闭，转换活门自动转换到“过滤”工况。车长看到黄色闪光后立即看控制盒的“过滤”灯亮时，由车长拉出除尘增压风机进排气口关闭机的拉柄，使增压风机进排气口关闭机开启，然后按控制盒的“启动”按钮，使除尘增压风机运转，这时三防系统进入集体防护状态。当车辆脱离沾染区后，车长停止除尘增压风机运转。

防含磷毒剂过程：当进入含磷毒剂沾染区时，报警器自动报警，红色报警灯闪后，通风活门自动关闭，转换活门转换到“过滤”工况。车长看到红色闪光立即看控制盒的“过滤”灯亮时，由车长完成下述操作。若除尘增压风机没有运转工作，则立即开启除尘增压风机进排气口关闭机并启动除尘增压风机；若除尘增压风机在防护前是运转的，则不需要进行此项操作。当车辆脱离毒剂沾染区后，车长停止除尘增压风机运转。

图1 电气控制方框简图

2 改造三防控制盒总体设计背景

分析继电控制盒的原理很容易看出，该控制盒是靠继电器来实现控制的。现在本文想通过单片机的控制方式来实现对操作机构的控制。下面通过控制方式、控制速度、延时控制方面的对比来说明使用单片机来控制的优势。

2.1 控制方式

继电器的控制是采用硬件接线实现的，是利用继电器接触点的串联或者并联及延时继电器的滞后动作等组合形成控制逻辑，只能完成既定的逻辑控制。而单片机控制其控制逻辑是以程序方式存储在内存中，想要改变控制逻辑，只需要改变程序就能完成。

2.2 控制速度

继电器控制逻辑是依靠触点的机械动作实现控制，工作频率低，毫秒级别，机械出点有抖动现象。而单片机控则是由程序指令控制半导体电路来实现控制，速度极快，微妙级别，严格同步，无抖动。

2.3 延时控制

继电器控制系统是靠时间继电器的滞后动作实现延时控制，但是时间继电器的定时精度不高，受环境影响大，调整时间较为困难。而单片机控制则是使用半导体集成电路来时限控制，速度快，微秒级别，并且不受环境影响。

在实际使用的过程中，该控制盒不仅在三防系统中扮演着重要的角色，而且在装甲车辆的灭火抑爆环节也必不可缺。容易看出，虽然这些控制逻辑简单，但是其连接线多且复杂，并且从实物能看出体积较大，一旦系统构成后，想增加某些功能模块或增加控制较为困难。由于继电器触点数量有限，所以它的灵活性和可扩展性受到了极大程度的限制。不仅如此，继电器控制系统使用了大量的机械触点，触点开闭合时存在避免不了的机械磨损、电弧烧伤现象，其可靠性和可维护性差。在未来战场上，功能模块单一的系统必然会被淘汰。所以为了提升该控制盒的可扩展性，为了在增加其功能的基础上缩小体积，也为了提高其可靠性和可维护性，本文选用单片机的控制方式对其进行改造。

3 三防控制器硬件设计

3.1 主控芯片

该控制器功能的实现需要较好的计算处理、中断响应等能力。在搭建实验系统中，选用了以STM32单片机为核心的开发板作为控制器的核心硬件，其原理如图2所示。该单片机是一款发展成熟的单片机，性能高，成本低，功耗低。

图2 单片机系统原理图

3.2 数据连接模块

该硬件使用microusb数据连接模块，如图3所示，可以与上位机连接并供电。该数据连接器体积小，可节省空间，且插拔使用寿命长。该连接器支持目前USB的OGT功能，在没有主机的情况下，可用便携式检测仪与之实现数据传输。

图3 数据连接模块

3.3 电压转换器模块

在应用过程中需要用到如图4所示的电压转化器来得到不同幅值的电压。该转换器有超快速瞬态响应、响应噪声低、过电流保护、温度保护等特点。由于该控制器所应用的环境复杂多变，为了得到稳定的电压，需要采取保护措施。

图4 电压转换模块

3.4 信号调理模块

电压检测电路如图5所示。为减少检测电路给原电路带来的影响，选择了LM224运放芯片组成电压跟随器进行隔离。对于各传感器传回的信息，可以直接由单片机AD通道读取，而其他电路节点的输入则需要使用不同程度的电阻分压，以匹配AD输入的电压值，并使用RC电路进行滤波，可以限制高频干扰信号。在AD输入端使用稳压管，以防止电压过大而烧坏单片机。

图5 电压检测电路原理图

4 三防控制器软件设计

4.1 Keil集成开发环境

Keil集成开发环境是AMR公司推出的微控制器集成开发软件，其英文全称为“Keil AMR Microcontroller Kit Tools”，即Keil AMR微控制器开发套件，其核心功能可以为AMR和基于Cortex-M处理器的器件（STM32）创建和编写，编译C和C++代码，并且支持在线调试、仿真等功能。

4.2 主程序设计

由于实际情况的限定，在改造、实验环节不可能去制造原子放射沾染区和沾染区，所以需要先进行如下操作：用手动开关信号代替原子信号和含磷毒剂信号作为输入，用二极管红、黄、绿小灯代替三防系统中的执行机构作为输出。

各管脚定义如表1所示，由于实际三防系统中原子报警灯为黄色，而毒剂报警灯为红色，因此该设计也用黄灯信号和红灯信号代替，而其他操作机构用绿灯信号加以区别。依照控制盒的防原子作业流程和防含磷毒剂作业流程，接收到报警信号后使其启动集体防护，到脱离危险区域后使其解除防护状态的逻辑流程图如图6所示。

图6 逻辑流程图

表1 管脚定义

5 总结

现代化战争的多样性，对装甲车辆防护体系的升级提出了很高的要求。本文首先分析了某型装甲车辆三防控制盒的基本原理，接着对比了继电器控制方式和单片机控制方式的特点，结果选择使用单片机控制的方式对原三防控制盒的继电器控制进行了改造，为以后增加其他功能模块提供了保障，从理论分析上提高了灵活性和可扩展性，继而为下一步装甲车辆三防系统故障诊断研究打下硬件基础。改造后经过模拟信号的实验，结果达到预期设想，完全可以实现其基本功能。

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