摘 要： 隨著車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)工作對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)量精度要求的不斷提高，傳統(tǒng)的調(diào)平方法已無(wú)法滿(mǎn)足車(chē)載系統(tǒng)對(duì)快速、實(shí)時(shí)性的發(fā)展要求。在分析了傳統(tǒng)調(diào)平方法的不足之后，提出了一種對(duì)車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)水平度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方案，利用電子水平儀的特點(diǎn)，采用通過(guò)DSP控制雙方向同步顯示" title="同步顯示">同步顯示的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在滿(mǎn)足系統(tǒng)操作方便、成本低的要求的同時(shí)，保證了車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)的水平精度，具有很強(qiáng)的工程應(yīng)用價(jià)值。
關(guān)鍵詞： 轉(zhuǎn)臺(tái) 調(diào)平 水平儀 DSP
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轉(zhuǎn)臺(tái)是廣泛應(yīng)用于航空、航天、兵器、航海等領(lǐng)域的光機(jī)電一體化設(shè)備，車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)憑借其優(yōu)異的機(jī)動(dòng)性能，得到了廣泛應(yīng)用。然而與陸基轉(zhuǎn)臺(tái)不同的是，即使是落地測(cè)量，地表的差異、周?chē)h(huán)境的變化都將導(dǎo)致車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)的水平度發(fā)生明顯改變，水平基準(zhǔn)的改變則會(huì)影響整個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)的精度，為此必須對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的水平機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。
傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)平方法是將一臺(tái)數(shù)字式電子水平儀以平行于B、C連線的方向擺放到轉(zhuǎn)臺(tái)A點(diǎn)上，如圖1所示，測(cè)量A處的水平值，然后將轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)180°，再一次測(cè)量A處的水平值，兩次測(cè)量值的差值即為B處和C處的水平值差，通過(guò)調(diào)整B或C點(diǎn)的調(diào)平機(jī)構(gòu)，使得三點(diǎn)的水平值達(dá)到相同。這樣，一個(gè)由三點(diǎn)所確定的轉(zhuǎn)臺(tái)被視為水平。
這種傳統(tǒng)的調(diào)平方法雖然在陸基轉(zhuǎn)臺(tái)上應(yīng)用起來(lái)非常方便，可是要在車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)上仍采用該方法，就會(huì)給工作帶來(lái)很多的不便。圖2為電子水平儀應(yīng)用在車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的工作模型。工作過(guò)程中的不足點(diǎn)具體體現(xiàn)在以下三方面：
(1)原有電子水平儀的測(cè)量底座對(duì)溫度的變化較為敏感，導(dǎo)致不同溫度下的測(cè)量結(jié)果有較大差異，所以氣候條件惡劣、周?chē)h(huán)境干擾大會(huì)對(duì)水平儀的測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生很大影響；
(2)工作過(guò)程中，因水平儀安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，會(huì)隨著轉(zhuǎn)臺(tái)工作位置的不斷變換而發(fā)生改變。因此調(diào)平人員不能隨時(shí)看到水平儀的讀數(shù)，無(wú)法掌握恰當(dāng)?shù)恼{(diào)平時(shí)刻；
(3)調(diào)平時(shí)，調(diào)平人員要同時(shí)兼顧在載車(chē)上讀數(shù)與載車(chē)下調(diào)平的雙重工作，這樣勢(shì)必會(huì)影響調(diào)平的精確度和快速性。
因此，為了克服傳統(tǒng)調(diào)平方法應(yīng)用在車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)上時(shí)產(chǎn)生的種種弊端，提出了對(duì)車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)水平度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的方法。該方法應(yīng)用到目前的車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備中，保證了車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)的水平精度，對(duì)提高車(chē)載設(shè)備的機(jī)動(dòng)性能起著很重要的作用，并且對(duì)今后的車(chē)載自穩(wěn)定系統(tǒng)的研究也有著深遠(yuǎn)的意義。
1 新型動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理
對(duì)車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)的水平度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，其主導(dǎo)思想就是將車(chē)載設(shè)備的水平度通過(guò)數(shù)字式電子水平儀同步傳送至中心機(jī)和載車(chē)側(cè)壁的數(shù)碼管上，使得在中心機(jī)上就可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)的水平度，同時(shí)調(diào)平人員調(diào)平時(shí)在載車(chē)側(cè)壁就可以看到水平儀測(cè)量出的水平值。該方法的實(shí)現(xiàn)主要是根據(jù)數(shù)字式電子水平儀會(huì)輸出與測(cè)量結(jié)果成正比的模擬電壓量的原理，只要將該電壓量進(jìn)行相應(yīng)的模數(shù)轉(zhuǎn)換即可。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：
增加一臺(tái)電子水平儀，將兩臺(tái)電子水平儀全部密封固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上方或下方，即可避免外界環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，另外將水平儀的測(cè)量值輸出到兩個(gè)方向同步顯示，一部分將顯示值引導(dǎo)到主控軟件的界面上，另一部分同步到載車(chē)的側(cè)壁上。具體的同步方式如圖3所示。
這樣，一方面調(diào)平人員可以根據(jù)中心機(jī)界面上水平度的實(shí)時(shí)顯示來(lái)監(jiān)測(cè)車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)的水平度，以判斷是否需要調(diào)平；另一方面，在調(diào)平的過(guò)程當(dāng)中，調(diào)平人員可在車(chē)下根據(jù)載車(chē)側(cè)壁的顯示值進(jìn)行調(diào)平，提高了調(diào)平的精確度和快速性。
2 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)
2．1 硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，由水平儀、A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換芯片AD1674[1～2]、DSP、BCD-7段鎖存" title="鎖存">鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器MC14513、外部電壓基準(zhǔn)MAX6133、MAX488接口芯片和中心機(jī)等部分組成。
2．2 硬件工作過(guò)程分析
在該系統(tǒng)中，A/D轉(zhuǎn)換和數(shù)碼顯示是相對(duì)較為重要的部分，下面介紹其具體的工作過(guò)程。
2.2.1 A/D轉(zhuǎn)換
當(dāng)水平儀自身顯示值為1時(shí)，它會(huì)輸出1mV的電壓值，因此該設(shè)計(jì)中AD1674采用了外部電壓基準(zhǔn)，12V電壓經(jīng)由MAX6133后輸出4.096 V的基準(zhǔn)電壓，于是12位A/D轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，1mV對(duì)應(yīng)一個(gè)字節(jié)，這樣不但簡(jiǎn)化了中間的數(shù)據(jù)運(yùn)算過(guò)程，而且減少了由于運(yùn)算帶來(lái)的誤差。AD1674將來(lái)自水平儀的模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字信號(hào)后，通過(guò)DSP的數(shù)據(jù)總線傳送到DSP中，DSP進(jìn)行相應(yīng)處理之后，輸出相應(yīng)的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)載車(chē)側(cè)壁的數(shù)碼管，使之與水平儀同步顯示相同的測(cè)量值。
2.2.2 數(shù)碼顯示
DSP將從A/D轉(zhuǎn)換器讀取回來(lái)的數(shù)據(jù)在自身的寄存器內(nèi)部進(jìn)行十進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換之后，再由IOPC口輸出顯示數(shù)字的BCD碼到BCD-7段鎖存/譯碼/驅(qū)動(dòng)器MC14513中，由剩余閑置的I/O口產(chǎn)生BCD碼輸入鎖存信號(hào)。當(dāng)BCD碼被鎖存后，經(jīng)7段譯碼，相應(yīng)位的數(shù)碼管將產(chǎn)生相應(yīng)的顯示值[5]。與此同時(shí)，DSP將數(shù)據(jù)從其自身串口" title="串口">串口發(fā)出，通過(guò)MAX488芯片轉(zhuǎn)換成RS422信號(hào)后傳送至中心機(jī)，并在中心機(jī)的界面上實(shí)時(shí)顯示。圖5為水平儀同步顯示部分的電路原理圖[3～4]。
3 軟件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)軟件部分主要包括數(shù)碼管顯示和中心機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控兩部分。
3.1 數(shù)碼管顯示程序設(shè)計(jì)
數(shù)碼管顯示程序主要是采用DSP進(jìn)行控制，具體包括以下幾部分[5]：主程序、中斷初始化程序、十進(jìn)制子程序" title="子程序">子程序、串口發(fā)數(shù)子程序和顯示子程序。其中,主程序中開(kāi)始啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換并等待中斷；中斷初始化程序主要負(fù)責(zé)設(shè)置外部中斷的響應(yīng)方式、外部中斷的開(kāi)啟、總中斷的開(kāi)啟；十進(jìn)制子程序把12位二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的十進(jìn)制數(shù)據(jù)；串口發(fā)數(shù)子程序?qū)腁/D轉(zhuǎn)換器讀取回來(lái)的數(shù)據(jù)量通過(guò)串口以固定波特率發(fā)送到中心機(jī)；顯示子程序?qū)⒁@示數(shù)字的BCD碼發(fā)送到MC14513并置位相應(yīng)鎖存位。系統(tǒng)程序流程框圖如圖6所示。
3.2 實(shí)時(shí)監(jiān)控程序設(shè)計(jì)
實(shí)時(shí)監(jiān)控程序的任務(wù)是增加兩個(gè)對(duì)水平度進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示的窗口，該窗口將從DSP傳送過(guò)來(lái)的RS422信號(hào)轉(zhuǎn)換為水平度的測(cè)量值顯示出來(lái)，采用Visual C++實(shí)現(xiàn)，具體包括以下幾個(gè)方面：顯示窗口的創(chuàng)建、串口通信、水平度在窗口中的同步顯示[6]。實(shí)時(shí)監(jiān)控窗口如圖7所示。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
將其中一個(gè)電子水平儀輸出在顯示界面和數(shù)碼管上的值與水平儀自身所帶的顯示屏顯示結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，采用定點(diǎn)等時(shí)間間隔連續(xù)測(cè)量法進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)記錄下當(dāng)時(shí)的顯示界面、數(shù)碼管顯示及水平儀顯示的數(shù)值。表1記錄了兩小時(shí)之內(nèi)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。
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根據(jù)顯示數(shù)據(jù)繪制的曲線如圖8所示。表1和圖8的對(duì)比結(jié)果表明，采用該設(shè)計(jì)方法可以使得水平儀、數(shù)碼管以及顯示界面的同步顯示結(jié)果誤差僅在一個(gè)碼值之內(nèi)(2角秒)，精度完全滿(mǎn)足車(chē)載轉(zhuǎn)臺(tái)的水平度控制要求(10角秒以?xún)?nèi))，實(shí)現(xiàn)了在中心機(jī)上實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載車(chē)系統(tǒng)的水平度，并且調(diào)平人員可根據(jù)載車(chē)側(cè)壁的數(shù)碼顯示值更加直觀、快捷地調(diào)整載車(chē)車(chē)體,使之水平。
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