军用激光测距机的改进与检测方案
军用激光测距机的改进与检测方案
作者:韩春生;李番
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、 中近程精确打击等命中精度方面已起到了关键 作用。 而激光测距具有方向性好、 测距精度高、 测程远、 抗干扰能 力强、 隐蔽性好等优点, 可确保 战时高可靠性(MTBF)和可维修性 (MTTR), 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 是对各种电路参量逐个测量, 检测 周期长, 不适千部队野外检修。激光测距机电路系统可分为两 个部分:终端机和其它分机。 其中 终端机作为电路系统的灵魂, 对整 机质量的提升测距机故障率的降低有重大影响。
终端机的现状
终端机是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, 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 步发展 的瓶颈。 终端机目前有以下4个方 面需要改进: 一是对整机自检的能 力严重不够1 由于缺少对各个分机 关键指标的监控, 造成系统故障定位、 维修、 维护困难; 二是人机交互界面太简陋, 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 1 三是不具备数据存储能力, 使维护人员很难掌握设备的使用清况四是研发效率低,8x51单片机调试困难, 开发 周期长。
要从根本上解决问题, 需要从 核心器件入手, 改变现有设计的体系结构, 使终端机有一个功能强大 的 "芯” 。
终端机的改进方案
终端机核心芯片的选型
从工程开发的角度看, 当前有 三种 “芯” 可供选择: 16位的单片 机、 32位的DSP、 32位的ARM单 片机。16位的单片机是一种过渡的机 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。32位的DSP单片机主要是面对 数字信号方面的处理,有速度快、 精度高等优点,但基千DSP的操作 系统应用很少,而GUI(图形用户 界面)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。因此,本文选择32位ARM单 片机。它功能完备、性能强大。 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。
ARM单片机的功能实现方案
硬件上, ARM单片机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。 软件上, 由于 可以运行µC/OS-11实时操作系统, 许多通用的接口如以太网、 USB、 SPI等都有程序模块可供移植, 从 而提高程序开发的速度。 新方案与传统设计方案的对比如图 1所示。 智能终端板包含复位电路、 2MB程序存储 器8MB动态RAM、 内置 256M电子硬盘(flash)等。 针对测距机需改进的几个方面, 在以LPC2220为核 心的终端机电路开发中均可获得圆满的解决:
在激光测距机系统自检能力方面, 由于有多路高精度快速AID转换器,并有许多通用1/0接口及总线完全可以满足检测信息输入的需要。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。 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。
在数据存储能力方面, ARM支持电子硬盘,方便进行数据存储, 如对氝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 维护性能, 保证战时系统的高可靠 性。解决了以上3个问题后, 激光 测距机的维修会变得很容易, 使用 起来也更可靠, 维护也变得更有针 对性。
例如, 一个激光测距机常规 故障检测的例子是TQ板故障, 现象是无法测距。 利用改进后的激光 测距机, 维修工作流程如下:激光 测距机预留有维修终端接口, 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, 并提示军方维修人员进行相应 的维修。 对TQ板故障, 如果有冷 备份的TQ板供切换, 则维修只需l 分钟, 即使是开机箱更换, 也只需10~30分钟即可。
对无测距值现象, 软件定位 分机故障过程流程如图2所示。 终 端机首先判定无主回波, 通过光电 检测单元, 判断出氝灯已被点亮。 通过激光检测单元发现未有激光发 出, 再通过检测知调Q控制信号正 常。 检测到调Q输入电压正常, 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。
分机改进方案
智能化分机的构思
整机性能的提高, 不但与终端机密切相关, 而且和分机的智能化 设计密不可分。 下面以激光测距机 激励源智能化为例, 说明分机方案 设计的实现。激光测距机激励源的主要功 能是为发射机供电, 由于脉冲激光 器发射的激光瞬间能量高达几十兆瓦, 所以激励源放电有高电压、 大 电流的特点, 故激励源经常会出现 故障。原激励源与智能激励源的对 比简图如图3所示。 可以看出, 两 者最重要的区别在于终端机与激励 源的控制、 通信是双向的还是单向 的。 智能激励源的通信是双向的, 它不但受控于终端机, 而且可以把自己的状态如电压、 温度等反传给 终端机, 这就使操作者对激励源的状态有更清晰的了解, 有助于故障 的定位。
智能化分机原理
智能激励源与普通激励源内部构成的对比如图4所示。 智能激励 源由数字电路和模拟电路两部分功 能单元组成。 数字部分以LPC2114为核心电路取代原时序控制电路, 其它电路设计基本保待原设计不变, 但是增加了故障检测点。
另外, 通过串口通信UART的 应用, 实现大容昼的数据交换, 为智能电源的内部参数在线设定提供了基础, 比如高压调节等。 第三 智能激励源的ARM单片机自身具 有多路AID模块和各种通信模块, 为激励源的不断改进, 如增加检测 点、 控制点等提供了足够的预留空间。
结语
通过终端机和各分机的智能 化改造, 推动激光测距机的数字 化、 智能化, 就能实现激光测距机 的高可靠性。 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工程 化提供了必要的支撑。
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