CN104331006A - 一种can接口的操控台 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种CAN接口的操控台，机械把手将操作员操作的转角量传导给两个垂直安装的测角电位计，测角电位计输出电压经过信号调理电路变换成方位采集量和高低采集量，在单片机内部进行AD转换和数值滤波，生成的数字量进行非线性函数变换、最大速度限制和最大加速度限制；单片机的输出通过CAN总线传给随动控制箱。本发明的电源干扰小，转换精度高，结构简单，操作简便，成本低廉。

Description

一种CAN接口的操控台

技术领域

本发明涉及一种随动系统的运动控制操控台、操控杆产品设计。

背景技术

随动系统的半自动控制方式普遍采用的是传统的模拟操控台和操作杆进行操作，原理框图如图1所示。在随动系统上操控台的扳动角度代表随动系统的速度量，传统的操控台的工作原理是将操作员手扳把手杆的角度信号通过机械传动传给测角电位计，转换成模拟电压信号输出，经过信号传输电缆传给随动控制箱，在随动控制箱内部通过控制切换，再将模拟电压信号进行AD转换变成数字量，送给数字随动控制计算机，随动控制计算机再把代表角度的数字量送给数字化电机驱动器，带动电动机转动，使火炮炮塔运行。

传统的操控台具有以下缺点：

1)操控台的测角电位计使用外接精密电源，外接精密电源的精度直接影响测角的精度，精密电源一般装在随动控制箱内，和别的负载共用电源，产生相互干扰，引起电源波动；电源距操控台测角电位计线路较长，一般有3米以上，容易产生干扰，引起电源有精度损失；后果是直接影响操控台的输出精度，间接随动控制精度，造成随动系统控制不稳、零位漂移，给操作员带来操作难度，影响半自动方式的瞄准精度和射击精度。

2)操控台的测角电位计输出的模拟信号，由于输出信号内阻大、功率小，需要从操控台传送到随动控制箱，传送距离较远，容易产生干扰；后果同第一条。

3)操控台的测角电位计使用的是多组高精度非线性函数电位计，价格奇高。与电位计对应的曲线函数只能在厂家设计生产时定制，后期无法升级。

4)通讯线路芯数多，一般操控台需要9芯信号线。

5)需要在随动控制箱内部的随动控制计算机进行AD转换、数值滤波，增加了随动控制计算机的计算工作量，占用随动控制计算机的机时。

6)如果要增加操控台给定的信号滤波、速度限制、加速度限制等优化控制方法，用模拟线路实现难度大，精度低、成本高。

7)操控台的测角电位计零位调整，在随动控制箱内进行，增加了随动控制计算机在全炮上的调试工作量。每一个操控台调整量都不同，更换操控台时需要重新调试随动控制箱的零位电位计。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种CAN接口的操控台。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括电源、机械把手、测角电位计、信号调理电路和单片机，所述的机械把手将操作员操作的转角量传导给两个垂直安装的测角电位计，两个测角电位计的输出电压与机械把手的扳动角度是线性函数关系，测角电位计的输出电压经过信号调理电路进行幅值和零位的线性变换，变换成满足单片机输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单片机内部进行16位AD转换和数值滤波，生成16位100Hz的数字量，然后进行非线性函数变换，使得计算的速度数据B和机械把手的扳动角度A满足B＝k*A³，其中k是一个常数系数，并确保速度数据B的一阶导数绝对值小于随动系统最大速度限制值，速度数据B的二阶导数绝对值小于随动系统最大加速度限制值；单片机的输出通过CAN总线传给随动控制箱；所述的电源为测角电位计、信号调理电路和单片机供电。

所述的电源、信号调理线路和单片机集成到操控台内部。

所述的测角电位计采用线性电位计。

本发明的有益效果是：

1)取消外部精密电源供电，改用内部独立精密电源模块，无外部干扰对电源波形影响，因此通过精密电源的电源线因素对随动系统控制的影响更小。

2)测角电位计输出的模拟信号，就近进行16位AD变换，无外部干扰对波形影响，保证了转换精度。消除了随动系统控制不稳、零位漂移现象。保证了射击精度不受影响。

3)测角电位计使用的是普通线性电位计，成本低廉。

4)通讯线路芯数减少，由原来的9芯减少到6芯。

5)随动控制计算机直接读取给定角度数字量，不需要进行AD转换、滤波等计算，减少了随动控制计算机的计算工作量，减少了随动控制计算机的机时，简化了随动控制箱的硬件线路。

6)可以在操控台内部进行信号对给定量用纯软件进行数值滤波、零位调整、非线性曲线函数变换、速度限制、加速度限制等处理，其模型和参数可以在调试时装定，还可以进行后期升级，还可以通过增加软件自动对零电路实现自动校零。

7)操控台输出的操作信号，信号调理在操控台内部调整，保证了操控台的一致性，减少了随动控制箱的调试工作量，更换操控台时不需要重新调试随动控制箱的调零电位计。

附图说明

图1是传统操控台组成的随动系统原理框图；

图2是CAN接口操控台组成的随动系统原理框图；

图3是CAN接口操控台原理图；

图4是操控台信号流程；

图5是电位计输出电压与把手板动角度的函数；

图6是信号调理变换函数；

图7是AD转换数值与采集电压关系；

图8是把手板动角度与AD转换数值关系；

图9是非线性变换函数；

图10是速度限制函数；

图11是加速度限制函数；

图12是操控台输出数字信号与把手板动角度的函数性关系；

图13是操控台工作软件流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明采用CAN现场总线技术，在原来传统操控台技术的基础上，研发了带CAN接口的数字化操控台，原理框图如图2所示。本发明技术方案是把精密电源模块、信号调理线路、带高精度AD转换模块的单片机、CAN驱动器模块集成到操控台内部，采用普通精度的直流供电，操控台与随动控制箱之间采用CAN数据总线通讯。

系统由操控台机械结构、高低和方位2个测角电位计、操控台电路板、开关、指示灯组成，如图2所示。

操控台电路板组成包括：精密电源模块、信号调理电路、含有2路16位单片机、CAN驱动器模块、直流电源模块、开关指示灯辅助电路，如图3所示。

其单片机包括以下模块：通过AD转换接口读取模拟量信号模块、进行软件滤波模块、速度限制模块、加速度限制模块、通过CAN接口与随动计算机进行通信模块、开关指示灯逻辑软件模块。

系统原理框图如图3所示：1)是通过机械把手传动将操作员操作的外部的转角量(方位：-45°～+45°，高低：-45°～+45°)直接传给测角电位计，两个方向电位计两端分别施加+15V和-15V直流精密电压。2)两个方向电位计输出量与操控台操作手扳动的幅度相关，不板操控台时电位计滑动触点在电位计中间位置，方位和高低电位计输出均为0V，把手扳到最左时方位电位计输出+10V，把手扳到最右时方位电位计输出-10V，把手推到最前时高低电位计输出+10V，把手拉到最后时高低电位计输出-10V，电位计输出电压与把手的板动角度是线性的函数关系，如图5所示。3)电位计的输出经过信号调理电路进行幅值和零位的线性变换，变换成方位采集量和高低采集量，信号调理电路主要由PR1、PR2、PR3、PR4组成，变换到最小值0V和最大值3V，使其方位和高低采集量与AD转换器的接口要求匹配，以保证AD采集精度，信号调理的线性的函数关系，如图6所示。4)方位采集量和高低采集量在单片机内部进行16位AD转换，AD采集每秒采集10000次，通过软件进行数值滤波，生成16位100Hz数字量，其采集到的数值和采集信号的函数关系如图7所示，把手板动角度与AD转换数值关系如图8所示。5)再进行非线性函数变换，目的是在低速时有较大的扳动角度，而在扳动角度大时有较大的速度变化，如图9所示，用函数表达是B＝k*A³,式k是一个常数系数，在产品调试时确定。6)再进行速度限制，由于在火炮随动系统的最大速度量必须和随动系统最大速度匹配，不能超过随动系统速度的最大值，所以需要进行速度限制，目的是操控台给出的最大速度在规定的范围内，速度限制函数如图10所示。当速度数据B的一阶导数绝对值小于速度限制值时，数据B直接通过；当速度数据B的的一阶导数绝对值大于速度限制值时，对数据B的进行限制。7)之后再进行加速度限制，目的是操控台给出的最大加速度在规定的范围内，加速度限制函数如图11所示。当速度数据C的二阶导数绝对值小于加速度限制值时，数据C直接通过；当速度数据C的的二阶导数绝对值大于加速度限制值时，对数据C的进行限制。完成操控台输出数字量，实现良好的操作感觉，最后得到的操控台输出数字信号与把手板动角度的函数性关系如图12所示。8)最后将处理完成后的输出数字量，通过CAN总线进行询问，操控台及时应答，把操控台操作量传给随动控制箱。整个操控台信号流程如图4所示。

其中：AD采集频率、滤波算法、非线性变换函数、速度限制函数、加速度限制函数、CAN总线的站号和波特率等关键数据都在单片机工作软件中设为变量，存储在FLASH中，可以掉电保存。需要修改时，由调试计算机或随动控制计算机通过CAN总线进行修改。

图2、图3、图4中的开关指示灯逻辑是：在火炮系统总电源给电后，随动系统和操控台没有供电，不能运行。需要随动系统运行时，拨动操控台上“随动电源”开关后，随动系统和操控台才能通电运行，此时操控台上的电源指示灯亮。随动系统启动默认方式是半自动方式，即操控台手动控制随动系统运行，操作员通过操控台手动控制火炮实现跟踪或调炮。操控台上“自动/半自动”转换按扭装在操作把手上，当需要自动控制(即由火控计算机自动控制)随动系统时，按住“自动/半自动”转换按扭不放，随动系统进入自动控制方式，火炮随动系统由火控计算机控制运行。当需要由手动控制随动系统时，释放“自动/半自动”转换按扭，随动系统又回到由操控台控制运行的运动方式。操控台半自动控制随动系统时，半自动指示灯亮、自动指示灯灭。火控计算机控制随动系统时，自动指示灯亮、半自动指示灯灭。

参见图3，本实施例中，某火炮所用操控台改进设计如下：

设计一块如图3所示电路板安装在操控台内部，包括精密电源模块、直流电源模块、方位给定信号和高低给定信号调理电路、含有2路16位AD的单片机、CAN总线驱动器模块。其单片机软件包括：通过AD转换接口读取方位采集和高低采集模拟量模块、进行软件数值滤波模块、非线性函数变换模块、速度限制模块、加速度限制模块、通过CAN接口与随动箱进行通信模块、开关指示灯逻辑软件模块。

设计并加工一套操控台机械结构，安装普通线性电位计R1和R2，如图3所示。通过电位计PR1调整方位给定的幅值，PR2调整高低给定的幅值，PR3调整方位给定的零位，PR2调整高低给定的零位。

需要设计的操控台技术参数如下：

1)把手测角精度：0.1密位(6000密位＝360度)；

2)采集频率：100 Hz；

3)电源要求：直流24±8VDC。

实施例技术方案：

系统组成由操控台机械结构、高低和方位2个测角电位计、操控台电路板、开关指示灯，如图3所示。

操控台电路板组成包括：精密电源模块、信号调理电路、含有2路16位单片机、CAN驱动器模块、直流电源模块、开关指示灯辅助电路。

其单片机软件包括：通过AD转换接口读取给定信号模拟量模块、进行软件滤波模块、速度限制模块、加速度限制模块、通过CAN接口与随动计算机进行通信模块、开关指示灯逻辑软件模块。

单片机采用Freescal公司的32位单片机MC56F84789，片内有CAN控制器。CAN总线驱动采用PCA82C250芯片，对外接口和随动系统接口规范一致。调试时可以按照CAN2.0B协议、站号是3、800K波特率进行。

在机械结构安装调试完毕后，进行电路及软件调试，按以下6步进行：

第一步灌软件：向操控台的单片机灌操控台软件。

第二步电位计位置零位及幅度修正：将操控台安装在调试台上调试。用工装电缆连接插头J2和插座J2，工装电缆只有1、2两个芯线连接，3、4两个芯线不连接。给电路板J0插头的5针和3针之间加24V电压，调整电位计的安装，使把手放开回到操控台中心时电位计的输出端3、4都为0V。调整操控台把手的方向和高低位置选择范围，使把手扳到最左时方位电位计输出+10V，把手扳到最右时方位电位计输出-10V，把手推到最前时高低电位计输出+10V，把手拉到最后时高低电位计输出-10V。

第三步信号调理电路调整：连接插头J2和插座J2，给电路板J0插头的5针和3针之间加24V电压，调整方位比例电位计PR1和零位电位计PR3，使操作杆把手在最左边时方位采集信号是3.3V，操作杆把手在最右边时方位采集信号是0V，操作杆把手完全放开回到零位时方位采集信号是1.65V。同样调整高低比例电位计PR2和零位电位计PR4，使操作杆把手在最前边时高低采集信号是3.3V，操作杆把手在最后边时高低采集信号是0V，操作杆把手完全放开回到零位时高低采集信号是1.65V。

第四步AD采集原始数据调试：将操控台与调试计算机连接，在调试计算机上读取AD采集后原始数据A。检查方位数据A和把手的对应关系，正确的是操作杆把手在最左边时方位采集信号数据是0xffff，操作杆把手在最右边时方位采集信号是0x0001，操作杆把手完全放开时方位采集信号是0x8000。如果不是，小幅调整方位比例电位计PR1和零位电位计PR3，使其达到要求。同样检查高低数据对应关系，正确的是操作杆把手在最前边时高低采集信号数据是0xffff，操作杆把手在最后边时高低采集信号是0x0001，操作杆把手完全放开时高低采集信号是0x8000。如果不是，小幅调整方位比例电位计PR2和零位电位计PR4，使其达到要求。

第五步进行非线性函数变换：在单片机内部用软件进行数据的非线性函数变换，变换函数如图9所示。非线性函数默认值是半个抛物线，也可以是一个其它曲线函数。

第六步进行速度限制函数变换：在单片机内部用软件进行，按照速度限制函数进行速度限制的数据变换，变换函数如图10所示。上电时使用FLASH中存放的值。速度限制值可以由调试计算机进行装定，也可以在火炮调试时进行装定。

第七步进行加速度限制函数变换：在单片机内部用软件进行，按照加速度限制函数进行加速度限制的数据变换，变换函数如图11所示。上电时使用FLASH中存放的值。加速度限制值可以由调试计算机进行装定，也可以在火炮调试时进行装定。

调试完毕的操控台在使用中启用的工作软件，其流程图如图13所示。

Claims (3)

1.一种CAN接口的操控台，包括电源、机械把手、测角电位计、信号调理电路和单片机，其特征在于：所述的机械把手将操作员操作的转角量传导给两个垂直安装的测角电位计，两个测角电位计的输出电压与机械把手的扳动角度是线性函数关系，测角电位计的输出电压经过信号调理电路进行幅值和零位的线性变换，变换成满足单片机输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单片机内部进行16位AD转换和数值滤波，生成16位100Hz的数字量，然后进行非线性函数变换，使得计算的速度数据B和机械把手的扳动角度A满足B＝k*A³，其中k是一个常数系数，并确保速度数据B的一阶导数绝对值小于随动系统最大速度限制值，速度数据B的二阶导数绝对值小于随动系统最大加速度限制值；单片机的输出通过CAN总线传给随动控制箱；所述的电源为测角电位计、信号调理电路和单片机供电。

2.根据权利要求1所述的CAN接口的操控台，其特征在于：所述的电源、信号调理线路和单片机集成到操控台内部。

3.根据权利要求1所述的CAN接口的操控台，其特征在于：所述的测角电位计采用线性电位计。