指控裝備使用記錄系統設計與實現

白 芳,郭寶鋒,李召瑞,3

(1.中國電子科技集團公司第二十八研究所，南京 210007;2.陸軍工程大學石家莊校區，石家莊 050003;3.南京理工大學 自動化學院，南京 210014)

0 引言

在現代戰爭中，以信息化主導的信息戰作為一種特殊的作戰手段，在戰爭中已成為出奇制勝的關鍵因素[1-2]。指揮信息系統在獲取、傳輸、處理信息等方面具有重要作用，是作戰過程中的核心。指揮系統可靠、高效、穩定運行對戰場通信指揮效率以及戰場態勢有著重要影響，目前結合新體制新技術開展指揮信息系統研制也是研究的熱點[3-5]。指控裝備構成復雜，包含設備種類多[6]，目前，對這些設備的使用管理以人工記錄為主，存在記錄不詳實、主觀因素大、疏漏多等問題，難以為裝備的維修、保障提供有效的數據支撐[7]。因此，有必要對指揮車使用管理技術進行研究，以便提高對設備運行狀態、性能的及時掌握。

目前，對復雜電子設備的狀態監控大多通過在設備內部加裝電子信號采集裝置完成[8-11]，采用這種方法存在以下缺點：1)各個子設備上加裝電子信號采集裝置，實現復雜，成本較高，并且占用較大的空間；2)對子設備的電壓信號采集時，產生的電磁干擾會影響裝備的正常工作環境；3)部分子設備在加裝電子信號采集裝置時，需要改變原裝備的物理結構，具有一定的破壞性。

而裝備運行時的電流信號是電路工作特征的重要指示，是設備運行狀態信息的重要組成部分[12-14]，若裝備工作狀態發生改變，則輸出電流的波形將隨之發生相應變化。另外，電流信息具有傳遞性，只需監控電源主節點的電流信息，即可完成所有設備的電流狀態監控，這給數據監測帶來極大的便利[15-16]?；诖?，本文提出了基于電流監測數據的指控裝備使用記錄系統設計方法，該方法能夠通過簡單的電流采集和模式匹配過程完成整個復雜裝備各設備的使用記錄管理，相對傳統方法，電路設計簡單，狀態監測數據少，又不會破壞裝備原工作環境。此外，系統基于MATLAB設計了串口接收及設備狀態顯示界面，數據通過串口傳輸，簡單方便，數據處理速度快，方法高效。

1 系統結構及原理

基于電流監測數據的指控裝備使用記錄系統設計如圖1所示，系統包括數據采集板及計算機上GUI軟件界面。指控裝備直流供電后由電源分線盒分配給各個子設備，因此，為了實時監測各子設備的電流變化信息，電流傳感器的放置位置應在系統電源和電源分線盒之間，這樣，各子設備工作的電流信息均可在該監測點上體現出來。電流傳感器將電流信號變換為電壓信號，信號傳至數據采集板，該板負責將電壓的模擬信號轉換為數字信號，并通過USB232串口傳送給計算機。計算機上運行MATLAB軟件，用于串行接收數據和處理，對監測的數據波形特征進行判別，判斷子設備工作狀態，并在GUI界面上實時顯示處理。

圖1 系統總體設計圖

系統設計包括硬件設計、軟件設計、以及GUI界面設計，其中硬件設計是指采集電路設計，軟件設計是指對硬件的單片機編程實現數據采集，GUI界面設計則通過MATLAB編程進行數據處理并完成可視化界面顯示[17]。

2 系統硬件設計

為實時監測電源分線盒輸入節點的電流信息，需要電流傳感器，獲取電流信息后并轉化為電壓；為了完成數據采集，需要將電流傳感器的輸出信號轉化為數字量，該過程可由內部集成AD轉換器的單片機控制器完成；數據采集轉換后，要完成存儲操作，可通過RS232串口與計算機連接。以上是數據采集傳輸的過程，涉及的硬件電路主要包括三部分：電流傳感器設計、單片機控制器設計和串口通信電路設計。

2.1 電流傳感器設計

電流傳感器選用HCS-LSP3系列閉環霍爾電流傳感器，能夠測量直流、交流、脈沖以及各種不規則電流。該傳感器具有精度高、線性度好、功耗低、電流過載能力強等優點，被廣泛應用于電流監控、逆變電源及太陽能電源、變頻家電的驅動控制等領域。本設計選用的是該系列的HCS-LSP3-10 A型芯片，芯片實物如圖3所示，其額定電流是10 A，測量范圍-20～20 A，額定輸出電壓1.65 V±0.625 V。

HCS-LP3-10 A型電流傳感器共有5個引腳，1腳為輸出腳，2腳為地，3腳為供電腳(+3.3 V)，4腳、5腳為電流串接管腳，即監控電流時，可通過4、5腳把該傳感器串接在電路中，此外，該傳感器還支持另一種測量方式，就是將待測電流的線纜通過傳感器的圓孔穿過芯片，傳感器內部的電磁圈會感應到線纜的電流。本文采用第二種監測方式，即讓線纜穿過傳感器電磁圈進而感應電流變化。

2.2 單片機控制器設計

本文選用Freescale公司的MC9S12XS128MAA單片機[18]，它是S12X家族中的一個成員。

在本設計中，需要用到MC9S12XS128M中的模塊有模擬轉數字(ATD)模塊和SCI模塊。其中ATD模塊完成電流轉換器輸出信號的AD轉換，轉換完成后，輸出數據是8/10/12位并行數據，進而將數據傳至SCI模塊，將并行數據一位一位的按順序傳送出去，這樣，數據輸出只需一根傳輸線，大大降低了硬件成本，適合于遠距離通信。電路設計時，單片機的51腳為ATD轉換的輸入腳，連電流傳感器的輸出腳；單片機的64腳為SCI串行輸出腳，連RS232的輸入端。

2.3 串口通信接口設計

串口通信按位(bit)發送和接收字節，雖然比按字節的并行通信慢，但由于串口通信可以只使用一根線發送數據，使得線路連接簡單并能夠實現遠距離傳輸。目前較為常用的串口包括RS232、RS422、RS485等，RS232采用不平衡傳輸方式，而RS422、RS485采用平衡傳輸方式，通過傳輸差分信號可抑制信號中的共模干擾。RS232通信使用3根線即可完成，分別是地線、發送線和接收線，該通信方式是現在最常用的串行通信接口。本設計采用RS232接口完成數據的串行傳輸，由于數據傳輸時，只需將單片機控制器采集的電流信號傳送至計算機，而計算機不反向傳輸數據，因此，RS232與計算機串口只需兩根線即可完成通信，即地線和發送線。

本設計主要解決電流實時采集及采樣精度問題，為了采集高精度的電流信息，希望增加采樣頻率以及采樣精度，但增大采樣頻率會增加后續的數據處理和傳輸壓力，經過實驗測試，傳輸波特率設置為56 000 bit/s，能夠保證數據精度及傳輸效率。

3 系統軟件設計

3.1 單片機程序設計

為實現對Freescale單片機MC9S12XS128的控制，需要使用該公司提供的CodeWarrior軟件開發環境采用C語言進行編程，所用到的單片機控制器模塊主要包括ATD模塊和SCI串口模塊，由于單片機內部集成的ATD模塊和SCI串口模塊均為2個，程序設計時均采用相應的第一個模塊。軟件開發設計流程如圖2所示。

圖2 單片機程序設計流程

軟件設計具體步驟如下。

1)初始化ATD模塊：

主要設置寄存器ATD0CTL1，使AD采樣分辨率選擇12位；設置寄存器ATD0CTL4，使數據采樣時間為4個時鐘周期。

2)初始化SCI模塊：

主要設置寄存器SCI0BD，使數據串行傳輸波特率為56 000；設置寄存器SCI0CR1，數據串行傳輸無奇偶校驗。

3)查看ATD狀態寄存器ATD0STAT2_CCF0，看是否完成轉換，若完成，改為置1，將轉換得到的數據的高8位、低8位分別存儲在AD_result_H和AD_result_L變量中，轉至4)；若轉換沒完成，則進入等待狀態；

4)查看SCI狀態寄存器SCI0SR1_TDRE，看發送數據寄存器是否為空(當SCI0SR1_TDRE=1時，發送數據寄存器為空)，若為空，則將變量AD_result_H賦值給數據寄存器SCI0DRL，并轉至5)；若SCI0SR1_TDRE非空，則說明SCI數據寄存器不能接收新數據，進入等待狀態；

5)查看SCI狀態寄存器SCI0SR1_TDRE，看發送數據寄存器是否為空(當SCI0SR1_TDRE=1時，發送數據寄存器為空)，若為空，則將變量AD_result_L賦值給數據寄存器SCI0DRL，并轉至6)；若SCI0SR1_TDRE非空，則說明SCI數據寄存器不能接收新數據，進入等待狀態；

6)數據采集是否結束，若沒有結束，轉至3)，進行新一次的數據采樣和傳輸；若結束，則程序終止。

3.2 GUI界面設計

程序設計時，主要包括串行數據接收、數據處理及狀態顯示等模塊，具體設計流程如圖3所示，其中數據串行接收是程序的重難點，數據處理則通過鄰近法完成模式識別(具體可參考文獻[20])，狀態顯示是在GUI界面上顯示出裝備子設備的開關機時間及使用時長等情況。

圖3 程序設計流程

基于電源監測數據的指控裝備使用管理平臺界面如圖4所示，界面中主要包含串口設置區域、串口接收數據顯示區域、電流顯示區域和設備使用統計表。其中串口設置區域用于設置與數據采集板的串口通信參數，包括串口號、波特率、校驗位、數據位、停止位以及串口的打開與關閉；串口接收數據顯示區域用于顯示串口接收到的數據，通過下方的【清空接收區】按鈕可把接收區數據完全清除；電流顯示區域用于繪制采集的電流波形；設備使用統計表用于統計指控裝備各子設備的開機時間、關機時間及運行時長。

圖4 基于電源監測數據的指控裝備使用管理平臺界面

4 實驗結果與分析

為驗證系統設計的正確性，在指控裝備上進行實驗驗證。操作步驟如下。

步驟1：將電流傳感器放置于指控裝備的總電源干線節點；

步驟2：將所設計數據采集板的串口與電腦串口連接；

步驟3：運行MATLAB的GUI界面；

步驟4：數據采集板加電運行，開始實時采集指控裝備的電流狀態數據；

步驟5：通過下拉菜單選擇【串口】、【波特率】、【校驗位】、【數據位】以及【停止位】等參數；

步驟6：在GUI界面點擊【打開串口】按鈕，系統采集的電流數據開始在【清空接收區】上方滾動顯示，并在【電流參數顯示】區上方以圖形方式顯示出來；

步驟7：依次打開指控裝備的子設備1、子設備2、子設備3、子設備4，【電流參數顯示】上方的電流變化如圖5(a)所示；

步驟8：依次關閉指控裝備的子設備4、子設備3、子設備2、子設備1，【電流參數顯示】上方的電流變化如圖5(b)所示。

圖5 指控裝備不同子設備開機、關機電流變化曲線

從圖5可以看出，不同設備開機、關機電流變化是不同的。設備開機時，設備產生瞬間高電流，由于電流的傳導性，本系統監測的電源分線盒主節點的電流會隨之變化；設備關機時，不同設備的電流降低幅度不同，可據此作為典型特征，區分不用設備的關機時刻。那么，本系統依據采集的數據，與原始的數據庫(需提前采集數組數據)進行比對，通過模式識別判斷是哪個設備開機或關機，據此給出指控裝備各設備的使用記錄與管理。

運用整個系統對指控裝備進行實時監測，得到的測試結果界面如圖6所示，可以看出，該系統能夠采集指控裝備的電流數據并實時串口傳輸，MATLAB設計的GUI界面能夠接收串口發送的數據并實時的將電流波形繪制出來，利用該波形信息，GUI還能夠判斷設備的開機、關機等動作，記錄相應的時間，進而完成對指控裝備各子設備的使用管理。

圖6 使用管理平臺界面測試結果

5 結束語

本文從指控裝備使用記錄的實際需求出發，設計了基于電源監測數據的指控裝備使用記錄系統，通過對電源電流信號的實時監測與分析，完成了裝備的子設備開關機狀態確認。相對傳統方法，該系統電路設計簡單，狀態監測數據少，又不會破壞裝備原工作環境，此外，基于MATLAB開發的串口接收及顯示界面，具有簡單方便、數據處理速度快、方法高效的優點。該系統能夠取代人工記錄方式完成裝備以及各子設備的全面管理，為裝備的維修、保障提供有效的數據支撐。