激光测距机智能化改进
激光测距机智能化改进
作者:韩春生;李番
激光测距仪具有方向性好、测距精度高、测程远、抗干扰能力强、隐蔽性好等优点。军用激光测距机作为现代军事侦察和距离探测的重要装备,对提高防空、海上作战、中近程精确打击及陆上武器攻击的命中精度方面已起到了关键作用。因此确保其战时高可靠性(MTBF)和可维修性(MT—TR),是形成战斗力的重要保证。
军用激光测距机主要由光学系统和电路系统组成。其中电路部分待测信号参量多,传统的维修方法是对各种电路参量的逐个测量,检测周期长,并且有统计表明,军用激光测距机70%的故障发生在电路系统 J,因此从提高系统可靠性的角度考虑必需提高电路的可靠性。终端机作为电路系统的灵魂,其性能和体制对电路系统起着决定性的影响。因此对其进行研究和改进,有助于整机质量的提升,大大降低测距机的故障,从而提高测距机的可靠性及可维修性。
2 终端机的现状
2.1 终端机现状概述
终端机是指激光测距机的控制与信息处理分机,其核心功能是接收系统传来的指令,控制激光各个分机协同工作,完成激光测距的功能,并将距离信息传送给系统。现有终端机的体制大部分是围绕8x51为核心进行设计的,该设计经历2O年的考验,是非常成熟的技术。在众多外设的支持下,该终端机的性能可以满足用户的基本需求,如通讯和测距功能。
2.2 终端机现状的不足
现有终端机的设计受制于8x51的速度和性能,许多附加功能不容易,甚至不能添加进来,导致终端机成为激光测距机进一步发展的瓶颈。从测距机的可靠性、可维修性、可维护性和终端机的研发效率两个角度考虑,终端机目前有以下4个方面需要改进:
(1)对整机自检的能力严重不够。由于缺少对各个分机关键指标的监控,这就造成系统故障定位困难,维修困难,维护困难。这需要终端机和其它分机都进行改进,其它分机增加检测单元,向智能化方向发展,而终端机应具有相应的采样、处理能力;
(2)人机交互界面太简陋。终端机只具有输入输出基本功能的能力,无法满足维修、维护人员对激光测距机各分机状况的大容量信息显示的需求,如通过专用接口将各个分机的状态数据在有触摸屏的维修终端上显示;
(3)不具备数据存储能力,使维护人员很难掌握设备的使用情况,不利于设计人员找到设备可靠性的薄弱环节,不利于保障战时设备的高可靠性。如对氙灯的闪光次数进行统计,从而适时进行更换;
(4)研发效率低,8x51单片机调试困难,开发周期长。常用的8x51单片机不具备软件实时仿真能力,而用仿真器的效果也不理想,这必然导致调试周期较长。此外,51单片机片内外设少,研发时不得不扩展多个专用芯片来实现相应的功能。从而增加了硬件设计的复杂程度。8位的8x51微控制器受限于体系结构,处理能力有限,虽然通过选取某方面加强的51芯片或通过其它专用芯片也可以扩展出一项或几项功能,但如果对以上功能全面改进,实现起来结构非常复杂,从工程的角度看既不经济,也不可靠。从根本上解决问题,需要从核心器件人手,改变现有设计的体系结构,使终端机有一个功能强大的“芯”。
3 终端机的改进方案
从工程开发的角度看,当前有三种“芯”可供选择:(1)选取l6位的单片机;(2)选取32位的DSP;(3)选取32位的ARM单片机。首先l6位的单片机不适合选取。因为它是一种过渡的机型,它的性能远不如32位单片机,同时也没有明显的价格优势。其次32位的DSP单片机不适合选取。DSP主要是面对数字信号方面的处理,有速度快,精度高等优点,但基于DSP的操作系统应用很少,而GUI(Graphical User Interface)是基于操作系统的,不应用GUI,很难开发出优秀的人机交互界面。而32位ARM单片机最适合终端机的开发。它具有体积小巧,功能完备、性能强大,性价比高的优点。目前ARM单片机在手持设备市场占有90%以上的份额,足见其人机交互能力的突出,并且ARM单片机还具有很高的速度,尤其在实现测距时,不需其它专用芯片即可 J。
3.1 ARM微控制器的功能特点
笔者选用以ARM7为内核的微处理器LPC2220进行终端机的设计。采用ARM7TDMI—S内核的LPC2200系列ARM为32位低功耗的,内带2个32位定时器,8路lO位ADC,9个外部中断和多达76个GPIO的高性能嵌入式微处理器,片内外设包括:2路高速16C550,1路MO—DEM,1路高速(400 kbit/s)12C,2路SPI 。通过总线可同时扩展出SRAM,NOR型NAND型fLash,USB、以太网控制器、液晶接口。此外还可扩展出打印机接口、CAN总线、CF卡及IDE硬盘接口,丰富的接口资源解决了8位系统接口资源紧缺的瓶颈。通过片内锁相环(PLL)可现最大60 MHz
的CPU操作频率,支持肌G串行端口进行仿真和调试,且采用了流水线技术,使处理和存储系统的所有部分都可连续工作 J。该芯片支持采用源代码完全公开的嵌入式实时操作系统t~C/OS一Ⅱ,使系统变得透明,很容易就能把操作系统移植到各个不同硬件平台上 。
3.2 ARM单片机的功能实现方案
硬件上由于ARM单片机的高速度、强大的计算能力和众多的片上外设,为同时实现多种功能提供了坚实的基础,而且设计出的终端机结构简单,性能可靠,价格低廉。由于软件上可以运行C/OS— II实时操作系统,许多通用的接口如以太网、USB、SPI、I C等都有程序模块可供可移植,从而大大提高程序开发的速度。具体设计如图1,其核心板包含复位电路、2MB程序存储器、8MB动态RAM、内置256M电子硬盘(flash)等。针对2.2节里提到的测距机需改进的几个方面,在以LPC2220为核心的电路开发中均可获得圆满的解决。
(1)在激光测距机系统自检能力方面,由于有多路高精度快速A/D转换器,并有许多通用I/0接口及总线完全可以满足检测信息输入的需要;
(2)在改善终端机人机交互界面方面,除了具有原来的输入输出功能外,通过并口和高速SPI可以驱动液晶显示屏或触摸屏,并且不会占用过多的CPU资源。尤为可贵的是ARM单片机可以运行实时操作系统,这可以使设计师摆脱底层设计的困扰,而专心于用户程序设计,界面开发相对容易,而且可移植性非常好;
(3)在数据存储能力方面,ARM支持电子硬盘(flash),方便进行数据存储。如对氙灯发光次数进行统计,当满足一定次数时提示进行更换,从而实现维护功能,保证战时系统的高可靠性。
解决了以上3个问题,我们将会发现激光测距机的维修变得很容易,使用起来也变的更可靠,维护也变得更有针对性。现在举一个激光测距机常规故障检测、排除的例子:K故障产生原因是TQ板故障,现象是无法测距。
在现有终端的条件下,由于激光测距机结构复杂,维修只能由厂家负责,维修过程如下,由于:①首先确认故障是激光测距机(半天);② 电话通知测距机生产厂家(半天);③厂家派人来到维修现场(1—3天);④维修人员进行维修(1—7天);
故从故障产生到维修好共历时3~10天。对比改进后激光测距机的维修工作流程如下:激光测距机预留有维修终端接VI,维修人员接入带触摸屏的维修终端,开机进入故障检测模式,各个分机检测点数据通过终端机显示在触摸屏上,并提示维修人员进行相应的维修。例如TQ板故障,如果有冷备份的TQ板供切换,则维修只需1分钟,即使是开机箱更换,也只需10~30分钟即可。并且这样的检测更全面,方便找到故障的深层原因,如故障现象是氙灯坏了,但深层原因是冷却装置出现故障,有了全面的检测,则维修更彻底。
下面就是改进后的终端机进行智能故障检测的流程:故障现象:无测距值。软件定位故障过程流程图如图2:①终端机首先判定无主回波;②通过光电检测单元,判断出氙灯已被点亮;③通过激光检测单元发现未有激光发出;④通过检测知调Q控制信号正常;⑤检测到调Q输入电压正常;⑥判断出故障在调Q板,并给出相应的维修提示和步骤。通过对比我们可以发现,智能化改造后的激光测距机,具有维修时间短,故障排除彻底,对维修人员要求低的特点。
(4)在提高终端机研发效率方面,ARM单片机片内外设丰富,控制/驱动程序丰富,开发人员不必从基础做起,硬件设计周期、编程周期、调试周期大大缩短,从而大幅提高研发效率。
3.3 ARM终端机的其它扩展功能
在研究和开发过程中,我们发现改进后的终端机不仅能较好地克服传统测距机的不足之处,而且能够对功能进一步扩展,从而为新型测距机的开发奠定基础。
(1)激光测距机的“黑匣子”功能。有了它,可以方便我们分析故障产生的原因,有利于激光测距机品质的持续改进。
(2)挖掘激光测距机的潜力的功能。通过获得更多激光测距机的准确信息,可以在保证激光测距机安全性的前提下,挖掘激光测距机的潜力,
如指标上是以激光测距机的连续工作时间来定的,但使用中激光测距机YAG的温度才是能否发射激光的最重要参数,在非常时期,通过这个参数来决定激光测距机是否能继续工作。
(3)实现对各个冷、热备份分机进行切换的功能,保证激光测距机的战斗力。
(4)通过以太网接口可以使激光测距机更容易与系统集成,使战术技巧更富有灵活性。
(5)由于ARM单片机的强大运算能力,使得考虑各种因素的复杂滤波得以实现,如考虑环境、能见度、温度等,使测量数据更有效。
4 总结
总而言之,通过终端机的改造,推动激光测距机的数字化、智能化,就能实现战时的高可靠性。我们这种可靠性高、可维修强、维护有效的装备必然赢得用户的青睐。这里需要强调的是由于ARM单片机的功能强、体积小、价格廉、为激光测距机的改造的工程化提供了必要的技术支撑。
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