某型号导弹惯组转台控制器的研制

　　摘要：从分析某型号导弹惯组实际测试与标定过程出发，基于单片机控制技术研制了某型号导弹惯组转台控制器；简单介绍了惯组测试与标定的原理，在此基础上详细介绍了该系统硬件和系统软件各功能模块的设计与实现方法。试验结果表明，该仪器具有性能稳定可靠，实用性强，提高了测试精度，缩短了测试时间，延长了导弹武器系统的使用寿命，为某型号导弹惯组测试与标定提供了快速有效的方法和手段，解决了目前部队惯组标定与测试过程中遇到的技术难题，具有重大的军事意义和显著的经济效益。

　　引言

　　目前在部队某型号导弹的惯组标定与测试过程中，号手手动摇摆转台的次数较多，影响了测试效率，同时也容易产生人为操作误差，影响惯组的测试精度，易造成转台甚至惯组等设备损坏。为了减小惯组的测试误差，提高测试精度，减少测试时间，方便检测转台的工作状态，并防止人为因素损坏转台和惯组等设备，利用较为成熟的单片机自动控制与测试技术，将现有的某导弹惯组转台进行了自动化改进，研制导弹惯组转台控制器，实现导弹惯组的自动化标定与测试，并实时监控转台工作状态，来解决目前部队惯组标定与测试过程中遇到的技术难题十分必要。

　　惯组及其标定与测试简介

　　惯性系统是应用惯性仪表构成的惯性测量系统。它在导弹等飞行器控制系统中的应用，是根据飞行器在空间的运动有六个自由度(即三个角运动和三个线运动)而确立相应的惯性系统。利用三个单自由度陀螺仪可以建立三个相互正交的基准方向，相对此基准方向可以测出导弹的三个姿态角；利用三个加速度计可以测出导弹沿三个基准方向的加速度。三个陀螺仪和三个加速度计通常是以输入轴相互正交方式安装在同一基座上，构成惯性测量组合，简称惯组。

　　惯组是导弹等飞行器的重要组成部分，它反映了飞行器的飞行姿态以及其它重要导航信息，其性能与精度直接影响导弹的性能与精度。为了确保惯性陀螺仪表工作的可靠性，检验其导航精度，需要对惯性仪表进行定期的标定和测试。用转台测试惯性仪表是比较常用的方法。

　　转台由三个环组成，分别称为外环、中环和内环，每个环都由一个步进电机来控制其的转动角速度与角度。转台的主要功能是使安装在转台上的惯组(惯性测量仪器)在三个方向获得不同的角速度和角度，使之输出相应的供控制系统检查测试用的信号，完成惯组的标定与测试。

　　某型号导弹惯组标定与测试用转台实物图如图1所示。

　　其基本的工作原理就是：在转台控制系统的控制下，使三轴回转台按照预定的要求分别绕三个回转轴φ、ψ、γ进行旋转，其原理示意图如图2所示。

　　系统总体结构

　　根据惯组标定与测试的总体功能要求，结合该测试设备的工作原理和特点，利用较为成熟的嵌入式单片机系统、自动控制技术和智能检测技术，确定了基于单片机的转台控制器的硬件结构，系统总体架构框图如图3所示。整个系统的组成包括单片机最小系统，电机驱动模块，串口下载模块，LCD显示模块，电机驱动电流监测与控制模块，独立按键控制模块等部分组成。

　　系统硬件设计与实现

　　转台控制器采用AT89C55单片机作为步进电机控制系统的运动控制核心部件，采用电机驱动芯片L298及其外围电路构成整个系统的驱动部分，再加上串口通信、LCD显示、按键控制及驱动电流监控等外围电路构成一个完整的转台控制系统。

　　单片机最小应用系统

　　由AT89C55单片机及其外围电路组成的单片机最小系统，是整个转台控制器的核心，其主要特点是可以在线擦写，方便程序更改，用于检测是否有按键按下，适时发出控制命令控制转台转动，控制LCD模块显示转台工作情况，检测并显示驱动电流，若电流超限自动断电，此外还具备系统复位功能和自检功能以保证系统处于正常的工作状态。

　　单片机的P0口、P1口、P2口、P3口全部参与系统工作，其中P0口主要用于控制LCD的显示；P1口主要用于通过电机驱动芯片L298控制转台转动；P2口主要通过控制ADC0804模数转化芯片来监测驱动电流的大小；P3口主要用于检测按键控制电路工作状态。

　　电机驱动模块

　　转台系统的每个轴都由步进电机带动，步进电机的转动靠单片机发出的脉冲信号来实现，而单片机驱动能力不足以驱动转台的转动，因此需要设计电机驱动电路来实现单片机对转台的控制。考虑用硬件设计驱动电路的方法会使电路复杂，调试不方便，而且采用多个元器件搭接，成本高，相互之间易受干扰，而直接采用集成的驱动芯片来驱动，电路稳定，成本低，易于控制，所以该系统采用电机驱动芯片L298作为电机驱动部分的核心部件。

　　L298N是双全桥步进电机专用驱动芯片，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准：TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的I/O端口来提供模拟时序信号。

　　电机驱动部分是由驱动芯片L298及其外围电路构成，其中L298的2、3脚和13、14脚(即芯片的输出端)分别与步进电机的四根线相连。而5、6、7、10、11、12脚就依次与单片机的P1口的六个管脚相连，从而实现了单片机与L298以及步进电机的串联控制，如图4所示。

　　图中很重要的部分是由四个二极管连成的保护电路，其作用是防止由于步进电机的转速提高而产生的自感电动势损坏芯片。转台系统使用的电机驱动电压是28V，所以二极管的负端接28V的参考电压。

　　单片机P1口控制电路产生脉冲信号，经驱动电路功率放大后，推动步进电机转动。脉冲信号频率的高低，决定了步进电机转动的快慢，实现控制转台转速的功能；脉冲信号彼此间相位的滞后和超前，决定了转动的方向是正转还是反转。

　　串口通信模块

　　系统采用串口通信，来实现计算机与单片机的通信。在单片机和上位机进行远距离串行通信时，由于通信协议不统一，电压大小不一致，因此需要进行电平转换，系统采用MAX232芯片实现信号的功率放大和串行接口的电平转换，串口通信电路图如图5所示。

　　电流监控模块

　　为了防止电流过大而损坏转台的电机，造成不必要的损失，该系统设计了电流监测与控制模块，能够监测流过电机的电流值并及时显示，当电机过大超限时，能够自动切断供电电源，从而保护装备不受损坏。上面的电机驱动芯片L298的Pin1和Pin15可与电流侦测电阻连接来侦测电机正常工作的情况下的工作电流，通过检测侦测电阻的电压值，然后通过欧姆定律换算电流值的方法来测试电机电流。转台采用的是反应式步进电机，其额定电流值1.5安，常用的电流侦测电阻通常是0.1欧姆，因此检测到的电压值是在mV级，若要是直接将检测到的电压值送给模数转换芯片ADC0804进行模数转换，那么由于精度的原因势必会对检测结果的准确性造成很大的影响。为了提高测试精度，先将检测到的电流值经过功放芯片OP07作放大处理后再将信号送给模数转换芯片ADC0804进行处理，从而保证了检测值的可靠性。ADC0804输出的数字信号再通过8255A芯片送给单片机的P2口，经过单片机处理后最后将检测到的数字信号通过LCD突时显示出来，若电流值超出电机额定值的5%，系统将自动断电，以保护转台设备不被损坏。电流检测模块电路图如图6所示。

　　按键控制模块

　　独立按键作为一个外部中断源，和单片机P3口连接，通过这些按键实现控制电机的启停、转向和转速等功能。系统采用中断和查询相结合的方法来调用中断服务程序，完成对转台实时的控制，按键控制模块电路图如图7所示。

　　LCD显示模块

　　LCD模块主要用来显示转台的工作状态，包括电机的启动与停止、正转与反转、转动速度与角度，以及通过电机的驱动电流等。该系统选用的图形点阵液晶显示模块LGM12641BS1R，它主要由128×64全点阵液晶显示器组成，可以显示8×4个(16×16点阵)汉字。具体接口电路如图8所示。

　　系统软件设计与实现

　　在对某导弹惯组测试与标定设备的工作原理和特点进行深入分析研究的基础上，根据惯组测试转台控制的功能需求和实际测试的工作流程，结合硬件系统设计，该系统的软件设计采用模块化设计思想进行设计，主要由主程序、初始化子程序、串口通信子程序、按键响应子程序、电机电流监测与控制子程序以及LCD显示子程序等组成。为了有利于程序结构化，主程序采用C51语言编写，系统主程序流程如图9所示。

　　结束语

　　本文研制的某导弹惯组转台控制器采用成熟的单片机自动测试与控制技术，具有开发周期短、造价低廉、稳定性好、可靠性高、实用性强、操作简便、界面简洁明了、人机交互功效高等特点；系统硬件和系统软件均采用模块化设计思想，便于系统维护管理，可扩展性和可移植性强。经过在本单位实验室的多次试验和某导弹旅测试单位多次的试用，证明该导弹惯组转台控制器的研制，实现了某导弹惯组的自动化测试与标定，提高了测试精度，缩短了测试时间，减少了操作号手的工作强度，避免了人为原因造成设备损坏，并实现了设备工作状态的自动监控，可以有效延长导弹武器系统使用寿命、缩短导弹测试时间，其性能稳定可靠，操作使用方便，状态显示直观，具有重大的军事意义和显著的经济效益。

　　参考文献：

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　　崔洪亮 第二炮兵工程大学士官学院（山东 潍坊262500）

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