CC BY
32
ПРИКЛАДНАЯ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА И ПРИБОРЫ
УДК 681.39
БОРТОВОЙ РЕГИСТРАТОР ПАРАМЕТРОВ РАБОТЫ ДИЗЕЛЯ УТД-29 БМД-4М
Д. С. Голубев, С. С. Штурманов
Рассмотрены предпосылки разработки и изготовления бортового регистратора, предназначенного для автоматической записи параметров, характеризующих режимы работы дизеля в эксплуатации. Представлены функциональная схема, а также принципы разработки аппаратной и программной части устройства. Приведены результаты испытаний бортового регистратора на боевой машине десанта БМД-4М.
Ключевые слова: бортовой регистратор, параметры работы, БМД-4М, дизель УТД-29, CAN-шина, программа микроконтроллера.
Задача разработки бортового регистратора возникла в связи с необходимостью повышения эксплуатационной надёжности дизеля УТД-29 боевой машины десанта БМД-4М посредством определения степени воздействия режимов его работы на изменение технического состояния [1].
Определение режимов работы дизеля может осуществляться на основании параметров его работы, которые, в свою очередь, характеризуются показаниями датчиков, штатно или дополнительно установленных на контролируемых системах и механизмах силовой установки.
Силовая установка боевых машин имеет специфические особенности, обусловленные ограниченными размерами силового отделения и обеспечением жестких требований по массе машины. Эти ограничения исключают возможность установки на боевую машину крупногабаритной измерительной аппаратуры. При этом необходимо получение точной информации о режимах работы дизеля с возможностью переноса на PC без сложных согласующих устройств.
Учитывая указанные особенности БМД-4М, получение необходимых данных возможно только при применении компактного бортового регистратора параметров работы дизеля. Такое устройство может быть вы-
223
полнено на базе микропроцессорных модулей, имеющих небольшие габариты и не требующие для своего подключения специальных условий [2, 3, 4, 5].
Высокая контролепригодность БМД-4М за счёт применения информационно-управляющей системы шасси (ИУСШ) и САЫ-шины позволяет применять подобные устройства. Но, несмотря на широкое распространение СЛК-шины, на рынке электроники сравнительно мало устройств, которые позволяют производить сбор и обработку данных с СЛК-шины, а стоимость таких устройств весьма велика. Помимо этого, все эти устройства производятся за рубежом и существуют серьёзные ограничения по таможенному ввозу подобных устройств.
Вследствие этого, с целью сбора необходимой информации о режимах работы дизеля УТД-29 в длительной рядовой эксплуатации БМД-4М был разработан бортовой регистратор параметров работы дизеля.
При разработке к устройству были предъявлены требования:
- возможность получения доступа к показаниям штатных датчиков машины без установки дополнительных через управляющую СЛК-шину БМД-4М;
- при работе с СЛК-шиной устройство не должно вмешиваться в работу электрооборудования машины;
- показания датчиков должны записываться сплошным потоком с интервалом времени, равным одной секунде;
- возможность получения информации без снятия устройства с машины.
Функциональная схема разработанного регистратора приведена на рис. 1.
Рис. 1. Функциональная схема бортового регистратора параметров
работы дизеля
Аппаратная часть бортового регистратора. Разработанный бортовой регистратор параметров работы дизеля подключается в управляющую СЛК-шину ИУСШ БМД-4М и записывает параметры работы дизеля, характеризующие его эксплуатационные режимы (температуру охлажда-
224
ющей жидкости и моторного масла, частоту вращения коленчатого вала, скорость машины и частоту вращения турбинного колеса гидротрансформатора), на внешний USB флэш-накопитель. Решение по применению флэш-памяти в разработанном устройстве принято по нескольким причинам:
- возможность считывания накопленных данных в любой момент времени без снятия устройства с машины;
- простота считывания информации. Фактически процесс считывания информации с флэш-накопителя в современных условиях не является затруднительным: работа с данным типом накопителя легко осуществима как с помощью практически любого PC, так и большинства современных смартфонов;
- распространённость и доступность среди внешних устройств для хранения относительно больших (до 256 гигабайт) объемов данных. В используемом устройстве сбора данных, например, примерный расход памяти для сохранения необходимой информации составляет 10 - 20 мегабайт за сутки непрерывной работы, поэтому стандартного флэш-накопителя на 8 Гбайт хватит минимум на год беспрерывного сбора данных;
- надёжность и компактность носителя. Флэш-накопители значительно более устойчивы к внешним воздействиям, температуре, магнитным полям, по сравнению с другими внешними накопителями данных.
Физически бортовой регистратор представляет собой одноплатное устройство, выполненное в промышленном формате 1-DIN, которое подключается к бортовой сети и CAN-шине БМД-4М. Устройство на лицевой панели имеет несколько светодиодов для контроля состояния работы и USB-разъем для подключения флэш-накопителя данных. Общий вид устройства со снятой крышкой представлен на рис. 2.
Регистратор управляется 8-битным RISC-микроконтроллером PIC18F46K80, в котором за счёт программного обеспечения полностью реализуется рабочий функционал устройства.
Преобразователь-стабилизатор напряжения преобразует входное напряжение в диапазоне 10 - 36 В в выходные напряжения 5 В для питания драйвера CAN и USB флеш-накопителя и 3,3 В для питания микроконтроллера и USB-контроллера. Стабилизатор собран на первичном преобразователе LM2675M-5.0, позволяющем получить на выходе 5 В и на вторичном преобразователе LM1117IMP-3.3, на выходе которого напряжение равно 3,3 В. Входной диод VD2 защищает устройство сбора данных от некорректного подключения питающего напряжения. Конденсаторы C20, C21, C22, C19, C14, C10, C9 защищают питающие линии регистратора от широкого диапазона электрических помех, так как это необходимо для стабильной работы обоих контроллеров, а в реальных условиях питающие линии БМД-4М могут быть сильно зашумлены от пульсаций генератора и различных устройств, создающих электрические наводки на близлежащие линии и устройства.
Рис. 2. Бортовой регистратор без крышки
Драйвер CAN реализован на микросхеме DA2 MCP2551. Входные линии CAN в устройстве защищены от высокочастотных помех с помощью конденсаторов C24, C25 и дросселя L5. Это позволяет свести к минимуму искажение входного сигнала устройств в сети CAN, обеспечив устойчивый приём сигнала бортовым регистратором данных. На выходе драйвера вместо дифференциального сигнала присутствует обычный ТТЛ-сигнал, который уже обрабатывает микроконтроллер. Особенностью данного драйвера является то, что для корректного формирования уровней дифференциальной пары CAN ему необходимо питающее напряжение 5 В, но в то же время микроконтроллер работает от напряжения 3,3 В. Для согласования уровней на выходе драйвера применён резисторный делитель R37:R38. На входе драйвера не требуется дополнительное преобразование, так как драйвер совершенно корректно работает с сигналом уровня 3,3 В.
Часы реального времени реализованы на широко распространённой микросхеме DD5 DS1307, с которой микроконтроллер взаимодействует по протоколу I2C. Для корректной работы микросхемы необходим внешний кварцевый резонатор ZQ3, а также внешний источник питания, который используется, пока регистратор данных выключен. В роли внешнего источника питания используется литиевая аккумуляторная батарея CR1225, которая обеспечивает отсчёт времени микросхемой питания в выключенном состоянии как минимум 5 лет. Так как вышеуказанная микросхема также питается от 5 вольт, было выполнено согласование напряжений на полевых транзисторах VT3, VT4 между микроконтроллером и микросхемой часов.
Контроллер USB-flash выполнен на микросхеме DD1 VNC1L-1A. Это микроконтроллер, реализующий взаимодействие с USB-устройством с помощью протокола SPI или параллельного порта. Сам стандарт USB достаточно сложен, но с помощью данной микросхемы можно получить практически весь функционал взаимодействия с USB-устройством (в нашем случае накопитель USB-flash) практически на любом самом простом микроконтроллере. В случае разработанного регистратора данных можно было бы использовать один микроконтроллер, который сразу бы поддерживал стандарт USB, но в данном случае это серьёзно бы усложнило микропрограмму и соответственно надёжность устройства.
В качестве основного микроконтроллера регистратора данных, связывающего все остальные элементы устройства, выступает контроллер DD2 Microchip PIC18F46K80. Особенностью данного МК является его относительная простота (в сравнении с 32-битными МК), низкая стоимость и богатый функционал, позволяющий решить поставленную задачу по сбору данных с БМД-4М. Данный микроконтроллер содержит в себе 64 Кб ППЗУ для размещения микропрограммы, 3648 байт ОЗУ, 1 Кб энергонезависимой флэш-памяти. Скорость работы МК определяется кварцевым резонатором ZQ2 и в текущей реализации составляет 16 миллионов команд в секунду, что позволяет реализовывать достаточно сложные алгоритмы управления и взаимодействия с периферией. Также достоинством данного МК (впрочем, как и всех остальных 8-битных МК) является его низкая стоимость, которая обычно не дороже 400 - 600 рублей в розничных магазинах электроники. При правильном проектировании схемы и печатной платы, решения, собранные на данном микроконтроллере, зарекомендовали себя как очень надежные и стабильные устройства, позволяющие успешно решать весьма широкий круг задач.
Программная часть. Программа микроконтроллера написана на языке высокого уровня Си. Фирма-производитель микроконтроллеров Microchip разработала среду для разработки программ и компилятор под все типы своих микроконтроллеров, поэтому разработка велась с использованием их программного обеспечения.
Для облегчения разработки микропрограммы использовалась парадигма программирования, называемая автоматным программированием. Суть данной модели заключается в том, что программа разделяется на логические блоки, называемые автоматами, реализующими свой функционал: например, автомат работы с CAN-шиной, автомат работы с часами реального времени, автомат работы с USB флэш-накопителем и т. п. [6]. Использование автоматного программирования позволяет создавать легко читаемый программный код, обеспечивать простое масштабирование проекта и повторное использование уже готовых модулей.
Основной принцип работы программы разработанного устройства сводится к решению логической задачи, представленной в виде графа, вершинами которого являются устойчивые логические состояния автомата. Программа реализуется таким образом, что среднее время выполнения кода конкретного логического автомата очень мало. Это обстоятельство позволяет более равномерно распределить процессорное время между всеми логическими автоматами, не прибегая в реализации подобия операционной системы.
Принцип функционирования автоматов разработанного программного обеспечения упрощённо рассмотрен на примере логического блока, реализующего алгоритм работы с USB флэш-накопителем (рис. 3). Логические автоматы других функциональных систем программы работают по аналогичной схеме.
успешная инициализация
Рис. 3. Алгоритм автомата работы с и8Б накопителем
Работа бортовых регистраторов, установленных на подконтрольных машинах, начинается одновременно с подачей напряжения в бортовую электрическую сеть (включение тумблера «масса»), при этом запуск программы происходит менее чем через одну секунду, после чего устройство начинает «слушать» СЛК-шину БМД.
Запись параметров работы дизеля начинается после его пуска и срабатывания дифференциально минимального реле ДМР-400Т, предназначенного для подключения генератора к бортовой электрической сети (подачи зарядного тока). В случае неисправности генератора сигналом для начала записи является начало работы датчика тахометра МЭ 307. Такой алгоритм начала работы устройства позволяет снизить возможность потери информации к минимуму.
Для подключения бортового регистратора к СЛК-шине БМД разработан и изготовлен кабель-адаптер, подключаемый в разрыв штатного соединительного кабеля между БУСУ и БОИ машины, схема подключения представлена на рис. 4.
САМ н
САМ -
САМ 6МР
XI
Л
12
Х2
V
I I -1—
■V
I I -|—г-
хз
V
12
+ БС
* БЗ рез
ГД1
15
14
18
19
О
в"
О
о-
тт
15
14
18
19
ГД16М0
ГД2
10
-4-+
ю
ГД 2 ОМР
11
"V"
11
АВСК
САМ +
САМ -
САМ б№ б
-Г
"V
Рис. 4. Схема подключения кабель-адаптера
228
При изготовлении кабель-адаптера монтаж вёлся проводом марки ПВ-2 сечением 0,35 мм, за исключением проводов питания, сечение последних составляло 0,5 мм, обозначенных на схеме (а), цепи, обозначенные (У ), свивались между собой в так называемую витую пару с шагом 15 - 20 мм. Все провода для уменьшения волнового сопротивления и влияния внешних электромагнитных излучений помешались в медную экранированную оплётку и соединялись с корпусами разъёмов XI и Х2, после чего закрывались защитной влагонепроницаемой оболочкой.
Описанный выше бортовой регистратор данных, общий вид которого вместе с кабель-адаптером показан на рис. 5, был протестирован на предприятии изготовителе ИУСШ для объектов 950М (БМД-4М) и 955 (БТР-МДМ) ОАО «СКБ ПА» (город Ковров). В результате проведённых мероприятий по проверке устройства специалистами «СКБ ПА» было установлено, что устройство не оказывает влияния на функционирование ИУСШ объектов 950М и 955, кроме этого подтверждена высокая надёжность аппаратной и программной части. В результате бортовой регистратор допущен к использованию на боевых машинах с целью сбора информации из СЛК-канала ИУСШ.
Рис. 5. Внешний вид бортового регистратора данных с кабель-адаптером
Кроме сбора данных о работе дизеля, устройство может использоваться для решения довольно большого спектра других задач после его перепрограммирования и соответствующей адаптации под конкретную задачу (например, контроль работоспособности электрооборудования, контроль режимов эксплуатации и т.д.).
При помощи разработанного устройства была получена необходимая информация о режимах работы силовой установки в штатной рядовой эксплуатации в различных природно-климатических условиях, а именно -о скорости машины, частоте вращения коленчатого вала, частоте вращения турбинного колеса ГТД, температуре масла двигателя, температуре масла ГМТ, температуре охлаждающей жидкости, давлении масла двигателя, давлении масла в ГОМП, давлении масла в линии управления ГМТ, расходе топлива, напряжении бортовой сети.
229
Таким образом, разработанный регистратор может применяться не только на боевых машинах десанта, но и на любых машинах, использующих сетевой интерфейс CAN. Кроме этого, на базе устройства могут быть разработаны диагностические приборы, позволяющие проводить непрерывный контроль диагностических параметров непосредственно в эксплуатации.
Список литературы
1. Информационный подход к мониторингу технического состояния транспортных средств / Заяц Ю.А. [и др.] // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. 2014. №1. С. 86 - 88.
2. Хазаров А.М. Диагностическое обеспечение технического обслуживание и ремонт автомобилей. М.: Высшая школа, 1999. 127 с.
3. Борщенко Я. А. Электронные и микропроцессорные системы автомобилей. Курган: Изд-во курганского государственного университета, 2007. 206 с.
4. Исаев И.П., Журавлёв С.Н., Седов В.И. Проблемы повышения надёжности технических устройств железнодорожного транспорта. М.: «Транспорт», 1968. 157 с.
5. Бочкарёв С. А. Валиулин Р.Г. Ресурс тепловозных дизелей и средства его определения // Межвузовский сборник научных трудов. № 20. Самара: СамНИТ, 2000. С. 142 - 143.
6. Поликарпова Н.И., Шалыто А.А. Автоматное программирование. СПб: «Питер», 2008. 176 с.
Голубев Денис Сергеевич, канд. техн. наук., старший преподаватель, denus@,mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское Высшее воздушно-десантное командное училище имени генерала армии В. Ф. Маргелова,
Штурманов Сергей Сергеевич, адъюнкт, nabat62295@mail.ru, Россия, Рязань, Рязанское Высшее воздушно-десантное командное училище имени генерала армии В. Ф. Маргелова
BOARD REGISTRATOR OF DIESEL OPERATING DETAILS UTD-29 BMD-4M
D.S. Golubev., S.S. Shturmanov
The prerequisites for the development and manufacture of an on-board registrar designed for automatic recording of parameters characterizing the operating modes of the diesel engine in operation are considered. A functional diagram is presented, as well as the principles of developing the hardware and software part of the device. The results of tests of the on-board registrar on the combat vehicle BMD-4M are given.
Key words: on-board logger, operation parameters, BMD-4M, UTD-29 diesel, CAN-bus, microcontroller program.
Golubev Denis Sergeevich, candidate of technical sciences, senior lecturer, denus@,mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan Higher Airborne Command School named after General of the Army V.F. Margelova,
Shturmanov Sergey Sergeevich, adjunct, nabat62295@,mail. ru, Russia, Ryazan, Ryazan Higher Airborne Command School named after General of the Army V.F. Margelova
УДК 681.586.787; 681.5.033.23
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПРИВОДОМ КОНИЧЕСКОГО СКАНИРОВАНИЯ АНТЕННЫ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ СТАНЦИИ
А.Э. Соловьев, Д.О. Грибов, Н.В. Ивахно, С.И. Зыкин, А.В. Гладких
Рассматривается разработка системы управления приводом конического сканирования радиолокационной станции, выполнено моделирование и синтез системы с использованием петли Костаса.
Ключевые слова: генератор опорного напряжения, задающая частота, петля Костаса, интегратор, двигатель, привод конического сканирования.
При построении обзорно-поисковых, сканирующих систем комплексов военного назначения широко используются электроприводы с фазовой синхронизацией, в основе построения которых лежит принцип фазовой автоподстройки частоты вращения (ФАПЧВ) [1], которые позволяют обеспечить высокие точностные характеристики системы в широком диапазоне регулирования угловой скорости. Многообразие условий эксплуатации систем с контуром фазовой синхронизации и возможностей их технической реализации ведёт к широкому использованию таких систем: известны системы с импульсной синхронизацией, импульсно-цифровой синхронизацией [2, 3], цифровые системы [2].
Уровень развития современной микропроцессорной техники позволяет применять микроконтроллеры в устройствах обработки сигналов и синтеза частот. Преимуществами цифровой ФАПЧВ электропривода по сравнению с аналоговой системой, являются повышенная устойчивость и надежность, низкая стоимость в производстве, стабильность работы во всем температурном диапазоне, высокая помехозащищенность. Однако, непосредственная реализация алгоритмов управления в цифровой системе из-за присутствия в ней процессов квантования по времени и по уровню приводит к увеличению погрешности системы.
Основные параметры, выдвигаемые к системе управления электроприводом конического сканирования: время выхода на рабочую частоту вращения; диапазон рабочих частот; время стабилизации частоты при сбое синхронизма; точность подстраиваемой фазы [4, 5].
Условно система разделяется на два контура подстройки: частотный и фазовый. Первый работает до тех пор, пока частота с объекта управления не приблизится до 90 % значения опорной частоты, после чего в работу вступает второй контур.
