王鑒淵，李光升

（裝甲兵工程學院 控制工程系，北京 100072）

三防裝置是坦克在遭受原子、化學、生物武器襲擊時，保護乘員及車內部件不受傷害、提高坦克和乘員在戰(zhàn)場生存力的一種特殊防護裝置。配備三防系統(tǒng)的裝甲車輛一般都采用集體防護形式，而集體防護形式主要分為超壓式集體防護和混合式集體防護，但大都采取超壓式集體防護，簡稱“超壓集防”。裝甲車的三防系統(tǒng)是隨著核武器、生物武器、化學武器的發(fā)展應運而生的。在實際戰(zhàn)場上，最重要的就是當發(fā)生核爆炸或者核爆炸后進入放射性沾染區(qū)和進入毒劑沾染區(qū)后，車輛的保護裝置能否快速而有效地動作，繼而能否形成超壓集防。所有的保護裝置包括那些執(zhí)行機構都由三防系統(tǒng)的控制盒來控制，所以三防控制盒扮演著極其重要的角色。本文以某型裝甲車輛的三防控制盒為改造對象，通過對比分析選擇恰當?shù)目刂品绞竭M行控制，提高了該控制器的可擴展性，為后面三防系統(tǒng)故障診斷研究打下硬件基礎。

1 某型三防系統(tǒng)繼電控制盒原理介紹

該三防裝置由探測器和電氣控制裝置、關閉機構、過濾通風裝置組成，與整車密封機件配合使用。該三防裝置電氣控制方框簡圖如圖1所示。其中最為關鍵的控制盒由多個繼電開關構成，當控制盒接收到報警信號后，經(jīng)過繼電開關來控制除塵增壓風機及其進排氣口關閉機、轉換裝置、隔板通風活門關閉機、百葉窗關閉機等執(zhí)行機構的動作。下面結合三防裝置電氣控制圖，簡要分析系統(tǒng)工作過程。

防原子過程：核爆炸時或者核爆炸后坦克進入放射性沾染區(qū)時，原子報警器發(fā)出報警信號，黃色報警閃光燈亮后，風機進排氣口關閉機、通風活門、百葉窗關閉機自動關閉，轉換活門自動轉換到“過濾”工況。車長看到黃色閃光后立即看控制盒的“過濾”燈亮時，由車長拉出除塵增壓風機進排氣口關閉機的拉柄，使增壓風機進排氣口關閉機開啟，然后按控制盒的“啟動”按鈕，使除塵增壓風機運轉，這時三防系統(tǒng)進入集體防護狀態(tài)。當車輛脫離沾染區(qū)后，車長停止除塵增壓風機運轉。

防含磷毒劑過程：當進入含磷毒劑沾染區(qū)時，報警器自動報警，紅色報警燈閃后，通風活門自動關閉，轉換活門轉換到“過濾”工況。車長看到紅色閃光立即看控制盒的“過濾”燈亮時，由車長完成下述操作。若除塵增壓風機沒有運轉工作，則立即開啟除塵增壓風機進排氣口關閉機并啟動除塵增壓風機；若除塵增壓風機在防護前是運轉的，則不需要進行此項操作。當車輛脫離毒劑沾染區(qū)后，車長停止除塵增壓風機運轉。

圖1 電氣控制方框簡圖

2 改造三防控制盒總體設計背景

分析繼電控制盒的原理很容易看出，該控制盒是靠繼電器來實現(xiàn)控制的。現(xiàn)在本文想通過單片機的控制方式來實現(xiàn)對操作機構的控制。下面通過控制方式、控制速度、延時控制方面的對比來說明使用單片機來控制的優(yōu)勢。

2.1 控制方式

繼電器的控制是采用硬件接線實現(xiàn)的，是利用繼電器接觸點的串聯(lián)或者并聯(lián)及延時繼電器的滯后動作等組合形成控制邏輯，只能完成既定的邏輯控制。而單片機控制其控制邏輯是以程序方式存儲在內存中，想要改變控制邏輯，只需要改變程序就能完成。

2.2 控制速度

繼電器控制邏輯是依靠觸點的機械動作實現(xiàn)控制，工作頻率低，毫秒級別，機械出點有抖動現(xiàn)象。而單片機控則是由程序指令控制半導體電路來實現(xiàn)控制，速度極快，微妙級別，嚴格同步，無抖動。

2.3 延時控制

繼電器控制系統(tǒng)是靠時間繼電器的滯后動作實現(xiàn)延時控制，但是時間繼電器的定時精度不高，受環(huán)境影響大，調整時間較為困難。而單片機控制則是使用半導體集成電路來時限控制，速度快，微秒級別，并且不受環(huán)境影響。

在實際使用的過程中，該控制盒不僅在三防系統(tǒng)中扮演著重要的角色，而且在裝甲車輛的滅火抑爆環(huán)節(jié)也必不可缺。容易看出，雖然這些控制邏輯簡單，但是其連接線多且復雜，并且從實物能看出體積較大，一旦系統(tǒng)構成后，想增加某些功能模塊或增加控制較為困難。由于繼電器觸點數(shù)量有限，所以它的靈活性和可擴展性受到了極大程度的限制。不僅如此，繼電器控制系統(tǒng)使用了大量的機械觸點，觸點開閉合時存在避免不了的機械磨損、電弧燒傷現(xiàn)象，其可靠性和可維護性差。在未來戰(zhàn)場上，功能模塊單一的系統(tǒng)必然會被淘汰。所以為了提升該控制盒的可擴展性，為了在增加其功能的基礎上縮小體積，也為了提高其可靠性和可維護性，本文選用單片機的控制方式對其進行改造。

3 三防控制器硬件設計

3.1 主控芯片

該控制器功能的實現(xiàn)需要較好的計算處理、中斷響應等能力。在搭建實驗系統(tǒng)中，選用了以STM32單片機為核心的開發(fā)板作為控制器的核心硬件，其原理如圖2所示。該單片機是一款發(fā)展成熟的單片機，性能高，成本低，功耗低。

圖2 單片機系統(tǒng)原理圖

3.2 數(shù)據(jù)連接模塊

該硬件使用microusb數(shù)據(jù)連接模塊，如圖3所示，可以與上位機連接并供電。該數(shù)據(jù)連接器體積小，可節(jié)省空間，且插拔使用壽命長。該連接器支持目前USB的OGT功能，在沒有主機的情況下，可用便攜式檢測儀與之實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

圖3 數(shù)據(jù)連接模塊

3.3 電壓轉換器模塊

在應用過程中需要用到如圖4所示的電壓轉化器來得到不同幅值的電壓。該轉換器有超快速瞬態(tài)響應、響應噪聲低、過電流保護、溫度保護等特點。由于該控制器所應用的環(huán)境復雜多變，為了得到穩(wěn)定的電壓，需要采取保護措施。

圖4 電壓轉換模塊

3.4 信號調理模塊

電壓檢測電路如圖5所示。為減少檢測電路給原電路帶來的影響，選擇了LM224運放芯片組成電壓跟隨器進行隔離。對于各傳感器傳回的信息，可以直接由單片機AD通道讀取，而其他電路節(jié)點的輸入則需要使用不同程度的電阻分壓，以匹配AD輸入的電壓值，并使用RC電路進行濾波，可以限制高頻干擾信號。在AD輸入端使用穩(wěn)壓管，以防止電壓過大而燒壞單片機。

圖5 電壓檢測電路原理圖

4 三防控制器軟件設計

4.1 Keil集成開發(fā)環(huán)境

Keil集成開發(fā)環(huán)境是AMR公司推出的微控制器集成開發(fā)軟件，其英文全稱為“Keil AMR Microcontroller Kit Tools”，即Keil AMR微控制器開發(fā)套件，其核心功能可以為AMR和基于Cortex-M處理器的器件（STM32）創(chuàng)建和編寫，編譯C和C++代碼，并且支持在線調試、仿真等功能。

4.2 主程序設計

由于實際情況的限定，在改造、實驗環(huán)節(jié)不可能去制造原子放射沾染區(qū)和沾染區(qū)，所以需要先進行如下操作：用手動開關信號代替原子信號和含磷毒劑信號作為輸入，用二極管紅、黃、綠小燈代替三防系統(tǒng)中的執(zhí)行機構作為輸出。

各管腳定義如表1所示，由于實際三防系統(tǒng)中原子報警燈為黃色，而毒劑報警燈為紅色，因此該設計也用黃燈信號和紅燈信號代替，而其他操作機構用綠燈信號加以區(qū)別。依照控制盒的防原子作業(yè)流程和防含磷毒劑作業(yè)流程，接收到報警信號后使其啟動集體防護，到脫離危險區(qū)域后使其解除防護狀態(tài)的邏輯流程圖如圖6所示。

圖6 邏輯流程圖

表1 管腳定義

5 總結

現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的多樣性，對裝甲車輛防護體系的升級提出了很高的要求。本文首先分析了某型裝甲車輛三防控制盒的基本原理，接著對比了繼電器控制方式和單片機控制方式的特點，結果選擇使用單片機控制的方式對原三防控制盒的繼電器控制進行了改造，為以后增加其他功能模塊提供了保障，從理論分析上提高了靈活性和可擴展性，繼而為下一步裝甲車輛三防系統(tǒng)故障診斷研究打下硬件基礎。改造后經(jīng)過模擬信號的實驗，結果達到預期設想，完全可以實現(xiàn)其基本功能。

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