嵌入式炮口抖动测量系统研究
摘要：针对坦克在行进过程中炮口抖动的问题，提出了一种嵌入式炮口抖动测量系统。该系统通过利用光电位置传感器PSD（Position Sensor Detector）线性位移的变化来测量角度，从而进一步测量炮口抖动量。对所测的炮口抖动量用嵌入式系统进行处理、显示以及传输。文章主要的意义在于研究一款体积小、精准度高、携带方便、成本低的一套嵌入式炮口抖动测量系统。
关键词：PSD；炮口抖动量；嵌入式系统；精准度高中图分类号：TN919 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0018-02.
0 引言
影响坦克火炮弹道计算精度和首发命中率的最主要因素就是炮口抖动量。什么是炮口抖动量？炮口抖动量是指坦克在行进过程中，炮口相对于防盾产生的偏移量。怎样测量炮口抖动量？测量炮口抖动量的实质就是角位移的测量，常用的测量方法根据传感器的不同分为陀螺测角法，CCD 摄像法以及 PSD 法等[1]。由于成本、体积和精度等条件的限制，本文采用了基于 PSD 的炮口抖动测量方法。采用 PSD 的测量炮口抖动量，具有设计的电路简单、成本低、分辨率高、响应速度快、使用方便等优点。而且 PSD 在精密尺寸测量、机器人技术、导弹制导及航空等许多方面得到广泛的应用[2,3]。
1 嵌入式系统
嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。嵌入式系统是对对象进行自动控制而使其具有智能化并可嵌入对象体系中的专用计算机系统。“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”是嵌入式系统的三个基本要素。嵌入式系统的软件包括操作系统软件和应用软件。操作系统一般应该具有较强的实时性，并可对多任务进行管理，而应用软件都是一些专用型很强的应用程序。嵌入式系统与通用型计算机系统相比，具有专用性强、可裁剪性好、实时性与可靠性高和功耗低等优点[4]。基于嵌入式系统的诸多优点，本文设计了一款体积小、精准度高，携带方便，造价低的一套嵌入式炮口抖动测量系统。
2 系统的总体框架
传统的炮口抖动测量系统体积较大，价格昂贵，在野外地区不易携带与操作。而本套嵌入式炮口抖动测量系统恰好克服了以上的缺点，不仅体积小易携带、成本较低，而且在精确度上也有严格的要求。本套测量系统包括激光发射器、反射镜、光学系统、光电位置探测器 PSD、信号放大与处理电路、ARM 处理器组成，处理器后的数据会实现显示、存储以及传 具体的流程是激光发出激光，经过传输介质到光学系统的反射镜反射后，光束打到 PSD 光敏面上形成光斑，光通过PSD 后以电流的形式通过信号的放大、处理后，经过 ARM 处理器采集，再经过一些算法实现数据显示、数据存储以及数据与上位机之间的传输。
3 测量系统的测量原理
3.1 PSD 简述
PSD（Position Sensitive Detectors）是一种能测量光点在探测器表面上连续位置的光学探测器，或称为坐标光电池。利用 PSD 的 PN 结上的横向光电效应可以来检测入射光点的照射位置，能直接用来测量位置、距离、高度、角度和运动轨迹等[5]。
PSD 器件能连续检测光点的位置，有死区分辨力高，适配电路简单等特点。正是由于 PSD 的灵敏度高、处理电路简单、价格便宜等优点，本文采用了 PSD 来测量光电位置的变化。
3.2 测量系统的组成
测量系统主要由激光发射器、传输介质、光学系统及PSD组成。测量系统示意图如图 2 所示。激光器发出的激光经过准直光学系统，射到炮口反射镜上，光束经过反射后，PSD 接收，再经过信号采集与处理，按一定的运算规律计算后，即可实现炮口抖动量的测量。激光发射装置与传输装置选在炮口内部，减少了外部噪音对光的干扰，从而使测量更加精确。 图 3 炮口抖动量测量的光学原理示意图测量系统主要由激光发射器、传输介质、光学系统及PSD组成。坦克处于静止状态时，火炮的身管没有发生变形，此刻，由点光源发出的光束经过反射镜反射后按原路返回，在 PSD的光敏面中心位置形成一个光斑 a；当坦克处于运动状态时，火炮就会抖动产生炮口抖动量，固定在炮口位置的反射镜也会跟随抖动，如果反射镜有一个角度 的位移时，由点光源发出的光束经过反射镜放射后就不会按原路返回，就会在 PSD光敏面不是中心的位置形成光斑 b，a 与 b 点之间的距离就是光斑的位移距离 s，s 与反射镜角位移 的关系式如（1）所示：
（1）
式中：——炮口偏移量；s——光点在 PSD 上的位移；f ——接收系统物镜的焦距。
图 4 是信号放大、处理模块设计，该模块主要实现PSD与ARM 处理器之间的连接。光经过 PSD 后转换成微弱的电信号，这个电信号要经过 PSD 的后续电路的处理，才能输入到ARM 处理器中。信号处理就是电信号经过电流电压转换电路转成电压信号，接着经过放大电路放大，然后经过运算电路经过运算，最后经过模数转换转换成数字信号接入ARM处理器，在处理器中进行数据处理，从而实现数据显示、数据存储以及与上位机之间的数据传输。
4 ARM 处理器
ARM处理器采用 RISC 体系结构设计，使用标准的、固定长度的 32 位指令格式，所有 ARM 指令都使用 4 位的条件编码来决定指令是否执行，以解决指令执行的条件判断。本文采用的是基于ARM Cortex-M3 32 位内核的STM32F103 处理器[6]。Cortex-M3 是一款低功耗处理器内核，具有门数目少、中断延迟短、调试成本低的特点，是为要求有快速中断响应能力的深度嵌入式应用而设计[7]。STM32F103XXX 增强型系列使用高性能的 RISC 内核，工作频率为 72MHz，内置高速存储器（高达 128K 字节的闪存和 20K字节的SRAM），丰富的增强I/O 端口和联接到两条 APB 总线的外设 [8]。包括 2 个 12 位的ADC、3 个通用 16 位定时器和一个PWM定时器，还包括通信接口：2 个 I2C 和 SPI、3 个 USART、一个 USB 和一个 CAN。
基于STM32F103 如此强大的功能，针对炮口抖动量的测量的精准度，本文采用STM32F103 来对测到的炮口抖动量数据处理后显示出来，还会对数据进行存储以及对上位机之间进行通信传输。
5 结语
经过以上各模块的分析设计，完成了嵌入式炮口抖动测量系统的设计。针对 PSD 的数据采集、处理以及传输显示等功能的实现都是在该系统基础上利用软件编程实现的，因此，采集与处理阶段的算法很重要。由于本系统要求的是实时处理，因此该系统还采用了任务调度。任务调度是针对多任务处理时采取的方法，这样会使系统的软件编程更加简单，实时性更好。经过分析，本测量系统达到的测量精度低于 0.1m，炮口偏移量的测量范围 2m，最后通过对数据的处理与计算，可算出测量角度的系统误差与随机误差，根据系统误差与随机误差判断本系统的测量结果是否符合标准。本测量系统具备了嵌入式系统与 PSD 的诸多优点，是一款体积小、精准度高，携带方便，造价低的一套嵌入式炮口抖动测量系统，应该广泛应用在坦克火炮测量系统。
参考文献：
[1] 陈彦辉,郭旻,何宗颖等.炮口振动测试方法及实践[J].火炮发射与控制学报,2010(1):80-83.
[2] 张智诠,朱祺,丁晟,等.基于 PSD 的炮口扰动测试方法[J]装甲兵工程学院学报,2012,26(2):49-53.
[3] 朱万彬.激光片对三角位移传感器测量误差的影响[J].光机电信息,2011,28(11):89-91.
[4] 任哲.嵌入式实时操作系统 uc/os-Ⅱ原理及应用(第二版)[M].北京航空航天出版社,2009.
[5] 曾超,李锋,徐向东.光点位置传感器 PSD 特性及应用[J]光学仪器,2002,24(4-5),30-33.
[6] 卢有亮.基于 STM32 的嵌入式系统原理与设计[M].机械工业出版社,2013.
[7] 黄智伟,王兵,朱卫华.ARM微控制器应用设计与实践[M]2012.
[8] 蒙博宇.STM32 自学笔记[M].北京航空航天大学出版社,2012.
作者简介：刘荣（1989-），女，硕士在读，研究方向为光电传感与光电探测技术。
