范志應(yīng),趙河明,2,呂昊暾,馬 睿,高麗軍

(1.山西北方惠豐機(jī)電有限公司,山西長(zhǎng)治 046012;2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西太原 030051;

3.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,可編程器件的出現(xiàn)及其日益成熟的發(fā)展為提高武器系統(tǒng)的智能化程度創(chuàng)造了條件,從進(jìn)行簡(jiǎn)單邏輯判斷的器件到單片機(jī),再到 DSP的出現(xiàn),其處理信息的能力和速度都發(fā)生著質(zhì)的變化.DSP在制導(dǎo)武器核心控制部分中已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用,而在常規(guī)武器如炮彈中的應(yīng)用則處于起步階段,但其發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)十分明確[1].由于傳統(tǒng)的無(wú)線電引信采用的是模擬器件組成起爆控制電路,雖然加入了過(guò)增幅限制等抗干擾措施,但對(duì)干擾信號(hào)的識(shí)別能力仍然存在缺陷,致使引信的早炸率偏高,DSP系統(tǒng)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在引信中的應(yīng)用將會(huì)以程序控制的方式來(lái)提高系統(tǒng)的抗干擾能力,對(duì)滿足起爆條件的目標(biāo)信號(hào)的要求更加嚴(yán)格,使引信抗干擾性能得到顯著提高[2].

采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與分析,可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力,有效抑制隨機(jī)干擾和人為干擾所造成的引信的誤動(dòng)作;使用 DSP系統(tǒng)對(duì)引信進(jìn)行起爆控制,可以增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的識(shí)別能力,控制最佳起爆時(shí)機(jī)[3-4],達(dá)到對(duì)目標(biāo)的最大毀傷效果;DSP系統(tǒng)方便可靠的控制功能使點(diǎn)火電容充電的安全時(shí)間控制和自毀時(shí)間控制等更加精確可靠,很大程度上簡(jiǎn)化了引信電路,提高了引信系統(tǒng)可靠性.

1 總體實(shí)現(xiàn)方案

無(wú)線電引信的電路功能模塊主要由高頻探測(cè)、濾波放大、整流積分、增幅速率選擇和適時(shí)起爆等模塊組成[5-6],在無(wú)線電引信中引入 DSP系統(tǒng),其功能模塊中的高頻部件、安全系統(tǒng)、電源等環(huán)節(jié)都不作改動(dòng),只對(duì)引信的低頻處理電路應(yīng)用 DSP系統(tǒng)替代,縮短了研發(fā)周期,DSP芯片功能的日益強(qiáng)大和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展完善使在普通炮彈中應(yīng)用 DSP系統(tǒng)的方法逐漸具有了通用性[7].

C2000系列 DSP是 TI公司(美國(guó)德州儀器公司)的 TMS320系列 DSP的三大主流產(chǎn)品之一,主要針對(duì)工業(yè)應(yīng)用提供的高性能和高代碼效率控制器[8].C2000系列數(shù)字信號(hào)處理器在提供通用處理器性能的同時(shí),將微控制器 (MCU)豐富的集成外設(shè)與 TI領(lǐng)先的 DSP技術(shù)融合在一起,其中外設(shè)包括大容量Flash存儲(chǔ)器、快速 A/D轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)定的 CAN控制器模塊等.利用 TI公司低成本、高集成度的 C2000強(qiáng)大控制器平臺(tái),開(kāi)發(fā)人員可以在降低系統(tǒng)成本的同時(shí)提高產(chǎn)品性能,并能快速地投向市場(chǎng).

目前可用于引信數(shù)字信號(hào)處理的芯片主要有單片機(jī)、可編程邏輯器件 (CPLD/FDGA)和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)等.單片機(jī)的控制接口種類較多,適用于以控制為主的模數(shù)混合系統(tǒng)設(shè)計(jì).CPLD/FPGA使用于計(jì)數(shù)、譯碼、鎖存、乘加、編解碼、查表等數(shù)字信號(hào)處理運(yùn)算的高速數(shù)字系統(tǒng)中.DSP面向高速、重復(fù)性、數(shù)值運(yùn)算密集型的實(shí)時(shí)處理,其處理速度比普通微處理器快得多.在成本上略高于單片機(jī)和CPLD.對(duì)于功能復(fù)雜處理數(shù)據(jù)量大的引信系統(tǒng)適合應(yīng)用于 DSP作為微處理器.

在引信中引入 DSP芯片,使用 DSP自身集成的 AD轉(zhuǎn)換器對(duì)信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,C2000系列的 DSP芯片片內(nèi)集成的 AD轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速度為 2M Hz,可以滿足引信低頻信號(hào)的采集,而不需外擴(kuò) AD轉(zhuǎn)換器,并且控制時(shí)序簡(jiǎn)單;將引信信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以后,在 DSP片內(nèi) RAM區(qū)進(jìn)行緩存,在需要時(shí)由 CPU對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析處理,原理框圖如圖1所示.而定時(shí)器用來(lái)為系統(tǒng)提供各個(gè)時(shí)間基準(zhǔn),包括點(diǎn)火電容充電時(shí)刻和系統(tǒng)自毀時(shí)間等.

DSP的 CPU通過(guò) JTAG接口與 TI公司的 CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境相連接,使用 CCS開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì) DSP進(jìn)行編程調(diào)試和程序下載;使用DSP的 SCI串行外設(shè)連接上位機(jī)和 DSP,當(dāng)程序在 Flash中運(yùn)行時(shí)用來(lái)觀測(cè)特定變量的值,為程序的調(diào)試開(kāi)發(fā)提供便利.

電平轉(zhuǎn)換過(guò)程是將 DSP發(fā)出的0 V～3.3 V的控制指令轉(zhuǎn)換成點(diǎn)火電容充電和點(diǎn)火控制所需要的電平信號(hào).DSP系統(tǒng)的軟件部分以硬件為載體,硬件以軟件為核心,兩者的設(shè)計(jì)相互照應(yīng)以達(dá)到最佳效果.

2 硬件結(jié)構(gòu)

T I公司 DSP芯片豐富的外設(shè)使硬件大為簡(jiǎn)化,DSP外圍只需連接晶振而不需要任何其它器件,DSP與外圍的接口相對(duì)較多,從框圖上可以看出包括 JTAG仿真調(diào)試接口、RS232串行接口、控制指令輸出接口和 AD采樣的信號(hào)入口,另外還需要給 DSP提供電源的電源接口.因此在電路板的周邊需要根據(jù)不同接口的特點(diǎn)留出調(diào)試用接口和引信功能接口,而電源接口是兩類接口中都需要擁有的一部分.

DSP供電電源為 3.3 V,在考慮功耗的前提下可以使用普通的三端穩(wěn)壓管來(lái)提供,電路簡(jiǎn)單,可以不設(shè)計(jì)在 DSP系統(tǒng)電路板上,而是在引信原來(lái)的基板上,然后通過(guò)對(duì)應(yīng)的接口將電源送給 DSP.電平轉(zhuǎn)換電路使用比較器實(shí)現(xiàn),所占用的空間較小.

3 軟件實(shí)現(xiàn)方法

引信 DSP系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括 CPU對(duì) AD轉(zhuǎn)換器、定時(shí)器和指令輸出端口的控制,從實(shí)用角度分析則是由 CPU對(duì)引信信號(hào)采集控制、引信工作時(shí)序控制和信號(hào)分析處理與起爆控制.引信起爆控制程序流程如圖2所示.

引信信號(hào)采集由 AD轉(zhuǎn)換器的啟動(dòng)與停止、數(shù)據(jù)及時(shí)讀取并存儲(chǔ)等過(guò)程組成,ADC模塊集成在DSP片內(nèi),作為 CPU的一個(gè)外設(shè)出現(xiàn),因此對(duì) AD轉(zhuǎn)換器的操作是通過(guò)對(duì)特定寄存器的讀寫操作來(lái)完成的,程序?qū)崿F(xiàn)非常方便,而使用ADC的特定中斷入口來(lái)控制AD轉(zhuǎn)換,則可在信號(hào)處理的同時(shí)同步進(jìn)行后續(xù)信號(hào)的采集,提高了程序的執(zhí)行效率.

引信工作時(shí)序控制以 DSP定時(shí)器的時(shí)間為基準(zhǔn),使引信時(shí)間控制更加精確可靠,計(jì)時(shí)定時(shí)過(guò)程由 DSP的中斷系統(tǒng)來(lái)完成,幾乎不會(huì)影響其它程序的執(zhí)行.

引信起爆控制的程序包括 AD采樣結(jié)果的平滑濾波、系統(tǒng)噪聲監(jiān)測(cè)和信號(hào)極值判斷等,信號(hào)處理程序?qū)σ艡z測(cè)到的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行過(guò)濾分析,完成了對(duì)系統(tǒng)噪聲的測(cè)試和目標(biāo)信息的獲取.信號(hào)處理方法的合理性直接影響著引信對(duì)目標(biāo)攻擊的正確性和精確性.程序編寫的科學(xué)性又直接影響到程序的執(zhí)行效率,使 DSP系統(tǒng)從引信低頻信號(hào)中篩選出目標(biāo)有效信息(如信號(hào)頻率、振幅、增幅速率等),縮短了引信發(fā)火信號(hào)相對(duì)于最佳起爆時(shí)刻的滯后時(shí)間.通過(guò)DSP判斷是否滿足彈丸起爆條件,在合適的時(shí)機(jī)發(fā)出起爆信號(hào).

4 結(jié) 論

經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)將 DSP應(yīng)用于無(wú)線電引信起爆控制中,采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)對(duì)目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)與分析,有效提高了目標(biāo)信息的處理速度和控制準(zhǔn)確度,提高了引信抗干擾能力和適時(shí)起爆的可靠性,為引信數(shù)字化改造提供技術(shù)支持.

[1] 錢淵,郭穎.基于 DSP技術(shù)的引信信號(hào)處理模塊研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2006,26(3):269-271.

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