吳春光，王愛民

（92941部隊，葫蘆島 125000）

紅外成像制導(dǎo)武器系統(tǒng)研制過程中，紅外成像目標(biāo)模擬器是半實物仿真實驗中不可缺少的組成部分。目前常見的目標(biāo)成像生成裝置有紅外CRT、液晶光閥和電阻陣［1］等。電阻陣具有紅外輻射強(qiáng)度高、覆蓋光譜寬等特點，可適用于線掃和凝視兩種紅外成像器件的紅外圖像目標(biāo)源［2］，因此得到了廣泛的應(yīng)用。國外通過多年的技術(shù)積累已經(jīng)建立起從目標(biāo)紅外圖像、大氣傳輸、戰(zhàn)場背景模擬到多種目標(biāo)紅外模擬器全套的目標(biāo)紅外模擬系統(tǒng)，并已成功的應(yīng)用到靶場測試、軍事演習(xí)等多種領(lǐng)域中［3］。

本文設(shè)計了一種采用分布溫度控制系統(tǒng)構(gòu)成的面目標(biāo)模擬器。通過對局部模擬溫度的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了模擬目標(biāo)溫度分布特性。溫度波動在無擾動情況下傳感器測試溫度達(dá)到0.2℃。

1 系統(tǒng)組成

紅外面目標(biāo)模擬器主要由紅外輻射體以及測溫控溫等裝置組成。利用目標(biāo)輻射特性的統(tǒng)計特征，可以給出構(gòu)成目標(biāo)主要輻射部分的輻射溫差和輻射面積。并對目標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格化處理，其每個單元網(wǎng)格可近似為溫度分布均勻的紅外輻射體。采用多個溫度控制模塊實現(xiàn)對每個網(wǎng)格的紅外輻射特征模擬，并通過測控設(shè)備實現(xiàn)與中心控制器數(shù)據(jù)信息交換。

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)測控需求指標(biāo)，設(shè)計以單片機(jī)為單元控制器的測控電路。為簡化連接線路，與中心控制計算機(jī)通信采用了電力載波通訊。根據(jù)測控需求，控制終端盒內(nèi)的控制器選用單片機(jī)測控溫結(jié)合電力載波通信實現(xiàn)。按照測控系統(tǒng)的需求，采用模塊化、可擴(kuò)展的思想，設(shè)計功能模塊。功能模塊具體分為溫度采集模塊、PID溫度控制模塊、電力載波通訊模塊等。具體包括2路模擬信號測量接口，用來實現(xiàn)環(huán)境溫度信號采集和目標(biāo)溫度信號采集。1路PWM輸出接口，實現(xiàn)目標(biāo)的PID溫度控制。1路電力載波通信接口，實現(xiàn)與中心控制計算機(jī)之間的通訊。鉑電阻性能穩(wěn)定、線性好、精度高。因此溫度傳感器選用鉑電阻 pt100。溫度傳感器采用三線制，目的是消除線長的影響。在測量時，流過溫度傳感鉑電阻的電流不能太大，否則會引起鉑電阻自熱，產(chǎn)生溫升。當(dāng)流過pt100鉑電阻的電流為1mA時，鉑電阻自熱產(chǎn)生的溫升為0.05℃。當(dāng)溫度變化1℃時pt100溫度傳感器變化0.3左右。所以需要對鉑電阻產(chǎn)生的溫度信號進(jìn)行放大才能使溫度測量達(dá)到一定的精度。要使測量精度達(dá)到1℃，必須采用高精度的A/D轉(zhuǎn)換器并要適合工業(yè)級的環(huán)境溫度要求，A/D轉(zhuǎn)換器采用 16位的和—差式 A/D轉(zhuǎn)換器AD7705。

由于采集的溫度點多且分散，因此需要將采集的溫度點分類編號，用總線組成網(wǎng)絡(luò)傳輸，并要求網(wǎng)絡(luò)上任意一個節(jié)點發(fā)生故障不影響其它節(jié)點工作。電力載波通信使控制器與總線之間實現(xiàn)電氣上隔離進(jìn)一步提高溫控的可靠性。靶船溫控系統(tǒng)硬件組成原理圖如圖1。在進(jìn)行溫度控制時，各個溫控節(jié)點接收發(fā)送來的溫度目標(biāo)值，根據(jù)溫度目標(biāo)值，控制固態(tài)繼電器通斷，使加熱單元溫度穩(wěn)定在目標(biāo)值上。溫控算法采用脈寬調(diào)制法進(jìn)行。即當(dāng)每個獨立加電單元的溫度值低于目標(biāo)溫度值時，根據(jù)實測溫度值與目標(biāo)溫度值之間的差值大小，則對加熱膜進(jìn)行頻率相同但占空比不同的脈沖加熱方式。根據(jù)溫度控制實驗結(jié)果，周期設(shè)計為 30s。占空比為0.1%～100%。脈寬調(diào)制加熱由控制器軟件實現(xiàn)。

3 軟件設(shè)計

3.1 溫度采集控制器軟件設(shè)計

溫度采集控制器的軟件流程如圖2。

3.2 溫度控制節(jié)點控制器軟件設(shè)計

圖1 靶船溫控系統(tǒng)硬件組成原理圖Fig.1 The hardware schematic diagram of target ship temperature controlling systems

圖2 節(jié)點控制器的軟件流程Fig.2 The software flow diagram of node controller

溫度控制器工作溫度為 20℃～50℃，選擇工業(yè)級的A/D轉(zhuǎn)換器AD7705，它包括一個型ADC、片內(nèi)帶靜態(tài)RAM的校準(zhǔn)控制器、時鐘振蕩器、數(shù)字濾波器和一個雙向串行通信端口。該器件的電源電流僅為320A，供電電源可選擇2.7～5.25V。AD7705包括2個可編程增益全差分模擬輸入通道，輸入通道的可選增益為1、2、4、8、16、32、64和128，當(dāng)基準(zhǔn)輸入電壓為2.5V時允許器件接受0mV～+20mV。器件的工作溫度為 40℃～+85℃。

4 電力載波傳輸芯片

電力載波傳輸芯片選用PL2102，該芯片是專為電力線通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的半雙工異步調(diào)制解調(diào)器。它僅由單一的+5V電源供電，以及一個外部的接口電路與電力線耦合。PL2102除具備基本的通訊控制功能外，還內(nèi)置了五種常用的功能電路：可數(shù)字頻率校正的實時鐘電路，32 Bytes SRAM，電壓監(jiān)測，看門狗定時器及復(fù)位電路，它們通過標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口與外部的微處理器相聯(lián)，其中實時鐘與32 Bytes SRAM在主電源掉電的情況下可由3V備用電池供電繼續(xù)保持工作。PL2102是特別針對中國電力網(wǎng)惡劣的環(huán)境所研制開發(fā)的低壓電力線載波通信芯片。

5 溫度控制器

溫度控制器采用了三相四線制輸入、兩路溫度測量接口、一路PMW控制功率輸出。同時設(shè)計了三相電斷相檢測與保護(hù)以及過溫度硬件保護(hù)等功能。整機(jī)電路圖如圖3所示。溫度測量接口采用了三線制的熱電阻橋式測量電路。并在輸出端設(shè)計了穩(wěn)壓二極管限制輸出過電壓。放大電路芯片由測量放大運(yùn)放OP27組成，具有線性度好、溫度適應(yīng)范圍寬的優(yōu)點。單片機(jī)采用AT89S52芯片，具有在線程序下載接口。電力載波芯片為PL2102，輸出調(diào)制信號經(jīng)放大后饋至電力線A相。整個控制板供電由三個電源變壓器提供。這三個變壓器同時兼做三相電缺相檢測輸入。三相電斷相檢測電路由三個電壓比較器（U11）實現(xiàn)。在電源缺相時將斷開外部機(jī)械式繼電器并報警。電路中設(shè)計了 AT24C04的EEPROM，保存該板的節(jié)點地址號和溫度傳感器的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。為了便于調(diào)試，單片機(jī)設(shè)計了紅外數(shù)據(jù)傳輸串口。具有和通用紅外串行控制器接口功能。通過紅外串行控制器修改地址和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

圖3 溫度控制箱的接線示意圖Fig.3 Connection schematic diagram of temperature control box

溫度控制箱電路板設(shè)計完成后，先后進(jìn)行了溫度控制調(diào)試、載波通信調(diào)試、紅外傳輸控制調(diào)試。在溫度控制調(diào)試中，針對已經(jīng)研制的單元樣板，進(jìn)行了PID參數(shù)的選取，設(shè)計中采用了可變PID參數(shù)的調(diào)節(jié)技術(shù)，針對不同的溫度誤差范圍選取不同的PID參數(shù)，實驗測試結(jié)果表明在通電20分鐘后，溫度控制進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。溫度波動在無擾動情況下傳感器測試溫度達(dá)到0.2℃。

6 結(jié)束語

本紅外面目標(biāo)模擬器滿足了項目對外場目標(biāo)模擬源的技術(shù)要求，其研制填補(bǔ)了專項配套設(shè)備的空白，解決了外場使用和內(nèi)場科研中的相應(yīng)問題。實際應(yīng)用效果良好，既可廣泛地進(jìn)行外場應(yīng)用，又可靈活地用于支持各種內(nèi)場科研試驗。為科研和部隊技術(shù)保障增添了得力的輔助設(shè)備。對于提升部隊?wèi)?zhàn)斗力起到積極的作用，具有良好的應(yīng)用前景和相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)效益潛力。

［1］肖云鵬，馬斌，梁平治.國產(chǎn)電阻陣列動態(tài)紅外景像投射器研制進(jìn)展［J］.紅外技術(shù)，2006，28（5）：266-270.

［2］Harrison D.C.Infrared System Engineering［M］.John Wiley&Sons，INC，1996.

［3］蘆漢生，白廷柱，鄒正峰.電阻陣列紅外動目標(biāo)源的研究［J］.紅外與激光工程，1998，27（1）：20-22.