朱明珠，李 軍，欒東海，莫宗來，吳 磊

（南京理工大學 江蘇 南京 210094）

為了提高重要軍事目標的生存能力，研究超近程主動防護系統(tǒng)，既可以有效應對突發(fā)性、規(guī)模性軍事打擊，也可以抵擋精確制導武器的侵略破壞作用。研制以某型裝置作為武器平臺的近程防護武器系統(tǒng)對提高我軍重要軍事目標生存能力有重大意義，而現代化的控制系統(tǒng)又使得整個武器系統(tǒng)更加可控化，智能化。目前，即使進程防護武器的重要性已經凸顯出來，但是依然存在一些缺陷，比如武器系統(tǒng)反應速度比較慢，打擊精度比較低。例如，在目前對于火箭發(fā)射系統(tǒng)的研究中，文獻[1]主要研究的是步進電機，由于其開環(huán)控制系統(tǒng)使得其控制精度比較低，響應速度比慢；而在文獻[2]中，此伺服系統(tǒng)提出的觀察器無法在較寬的調速范圍內使用。為了解決這些問題，在本系統(tǒng)中，采用了動態(tài)響應靈敏度快，隨動性好，可靠性高的伺服電機，并且采用了比較優(yōu)化的軟件編程，解決了這些問題。

1 系統(tǒng)功能與方案設計

1.1 系統(tǒng)功能分析

某火箭炮控制系統(tǒng)的功能主要是：武器系統(tǒng)的初始自整，俯仰和回轉運動，按鍵控制和液晶顯示，以及與火控系統(tǒng)的通信交流。如圖1所示，系統(tǒng)包括4個模塊，初始自整模塊、運動模塊、按鍵顯示模塊和通信模塊。電源供電模塊為所有板塊提供工作電源。

圖1 控制系統(tǒng)功能圖Fig.1 Functional diagram of control system

1.2 系統(tǒng)方案

1.2.1 運動控制模塊

在本系統(tǒng)中，除了可以通過火控系統(tǒng)發(fā)送信號控制發(fā)射裝置的俯仰運動和回轉運動以外，還可以通過按鍵操作控制發(fā)射裝置的俯仰和回轉運動。其主要工作過程為：打開外部380 V電源，系統(tǒng)進行初始化，之后系統(tǒng)進行初始自整（在某些特定情況下，此過程可以通過按鍵手動操作進行），在系統(tǒng)找到俯仰和回轉方向的零位后給火控系統(tǒng)發(fā)送準備完畢處于預發(fā)射狀態(tài)的信息。當某一時刻火控系統(tǒng)接到雷達的發(fā)現目標位置的信息后，計算出合適的發(fā)射位置并通過通信模塊將此指定位置發(fā)送給武器系統(tǒng)，武器系統(tǒng)會在0.75 s內調整到指定炮位，并立即將發(fā)射準備完畢的信息返回到火控系統(tǒng)，由火控系統(tǒng)控制發(fā)射。發(fā)射任務完成后，火控系統(tǒng)給武器系統(tǒng)發(fā)送復位指令，武器系統(tǒng)將自動調整到初始零位狀態(tài)。

1.2.2 按鍵顯示模塊

在按鍵模塊中含有薄膜開關和普通開關兩種：薄膜開關主要用于手動操作控制系統(tǒng)，包括控制其自整和俯仰回轉運動；普通開關用于選擇操作模式和選定零位。

顯示模塊是由HG12864-12型號的液晶顯示屏、控制芯片ST7920和驅動芯片ST7921組成的，具有4位或者8位并行，2線或者3線串行接口方式的點陣圖形。HG12864-12顯示屏是目前比較通用的液晶顯示屏，內部含有字庫，方便編程，可以顯示圖形或者8×4行16×16點陣漢字。其對外提供標準數據和控制接口以及控制器指令，使用時只要將其命令和數據寫入液晶顯示控制器編程內置緩沖區(qū)即可實現各種顯示功能。本系統(tǒng)中液晶顯示屏采用的是2線串口連接模式，主要用于顯示錯誤提示、目標的方位角度和系統(tǒng)自身轉過的實際角度。

1.2.3 通信模塊

TMS320F2812器件包含了串行通信接口SCI模塊，SCI接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，可以單獨工作或者在全雙工的方式下同時工作，SCI對接到的數據進行間斷監(jiān)測并校驗，通過超時和幀出錯的檢查來確保數據的完整性。該SCI模塊帶有與RS-232標準一致的異步串口，使得TMS320F2812可以方便地與其他使用標準格式的異步外設進行數據通信。在本設計中通信子系統(tǒng)就是通過標準RS-232串口完成DSP與火控系統(tǒng)之間的數據通信控制[3]。

1.2.4 初始自整模塊

初始自整模塊是為了滿足武器系統(tǒng)在發(fā)射精度要求，在系統(tǒng)開機后會自動運行初始自整模塊（在某些情況下，也可以通過按鍵控制手動操作進行整定），找到方位和俯仰方向的零位后給火控系統(tǒng)發(fā)送已經完成發(fā)射準備的信息，其自身處于待命狀態(tài)，等待雷達發(fā)射目標位置信號及發(fā)火命令。

初始自整模塊的功能通過接近開關發(fā)送信號并由DSP處理器經過一系列特定的運算實現。接近開關選用電感式、圓柱型、PNP輸出、三線直流常閉型接近開關。接近開關是一種小型感測頭，安裝靈活，反應靈敏，即使在有水或者在油漆噴濺的苛刻環(huán)境下也可以正常工作，由于其非接觸檢測的工作特性，避免了對傳感器自身和目標物的破壞，并且其無觸點輸出的工作方式，使得其工作壽命比一般的傳感器工作壽命長。

設計以DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，系統(tǒng)開機初始化結束后進行自整，通過雷達火控系統(tǒng)發(fā)送命令字符串控制武器裝置的俯仰運動和回轉運動，達到要求后自動向指定位置發(fā)射火箭彈；通過液晶顯示屏可以觀察到火控系統(tǒng)發(fā)出的目標位置，系統(tǒng)實際轉過的方位角度、回轉角度和報錯信息；通過按鍵可以實現選擇操作模式和選定零位。

TMS320F2812是一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片[5]。該芯片兼容TM320F2407指令系統(tǒng)，最高可在150 MHz主頻下工作，并帶有18k×16位0等待周期片上ARAM和128k×16位片上FLASH。它采用哈佛總線結構，具有密碼保護機制，可進行16×16位和32×32位MAC操作，因而可兼顧控制和快加速運算的雙重功能。其外設主要包括 2×8 路 12 位 ADC，2 路 SCI，1 路 SPI，1 路 McBSP，1路eCAN等，并帶有兩個事件管理模塊。另外，該器件還有3個獨立的31位CPU定時器，以及多達56個獨立編程的GPIO引腳，可外擴大于1 M×16位的程序和數據存儲器。鑒于以上因素，本系統(tǒng)的微處理器是以TMS320F2812核心的。

2 系統(tǒng)硬件設計及實現

2.1 系統(tǒng)硬件構成

本系統(tǒng)硬件為基于DSP的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括4個模塊，初始自整模塊、運動模塊、按鍵顯示模塊和通信模塊，電路板實物圖及硬件系統(tǒng)原理分別如圖2，圖3所示。

圖2 電路板實物圖Fig.2 PCB physical map

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Principle block diagram of control system

2.2 電路設計

2.2.1 降壓驅動

本設計中一共有3部分的降壓電路，分別是內部電源降壓電路，接近開關降壓電路和編碼器反饋降壓電路，考慮到這3部分降壓電路具有不同的物理特征，采取了不同的降壓電路設計。通常降壓的設計有3種方案，分別是使用DC/DC降壓芯片，二極管降壓和電阻分壓降壓。

1）通常使用的DC/DC降壓芯片是LM1117系列，LM1117是一個低壓差電壓調節(jié)器系列，輸出端需要一個至少10 uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。這種靠芯片降壓的方式比較簡單可靠，但是只在直流電壓的情況下工作良好。因此，在內部電源降壓電路中選擇了這種設計方式，本系統(tǒng)采用兩片LM1117將+5V分別轉換為+3.3 V和+1.8 V的輸出電壓。

2）二極管的本質是一個PN結，電流從P流向N，反之不導通，P極和N極的壓降為0.7 V，但是由于二極管的單向導通特性，易發(fā)生擊穿，并且當壓降較大的情況下，需要串聯(lián)較多個數的二極管，較為繁冗。因此，本設計沒有使用這種方法。

3）電阻分壓降壓常用于弱電類降壓情況，按照需要得到的電流大小確定分壓電阻的阻值，要確保分壓電阻的功率要符合電路最大功率的要求，防止電阻被燒毀。這種方式中，電阻可以根據具體的需要選擇合適的功率和阻值，比較方便和簡潔。本設計的接近開關降壓電路和編碼器反饋降壓電路都采用了這種設計方式。其中，接近開關降壓電路從12 V降到3.3 V，編碼器反饋降壓電路從5 V降到3.3 V。如圖4和圖5所示。

圖4 接近開關降壓電路原理圖Fig.4 Principle diagram of reduced voltage for proximity swich

圖5 編碼器反饋降壓電路原理圖Fig.5 Principle diagram of reduced voltage for encoder

2.2.2 液晶顯示電路

本設計中采用的是基于TMS320F2812控制的液晶顯示模塊，其中TMS320F2812與液晶顯示模塊HG12864接口電路如圖6所示。DSP發(fā)出的數據由串行數據輸入端SID傳輸給HG12864，串行同步時鐘SCLK在上升沿時讀取SID數據，需要在PSB端口接入低電平，選擇串口方式。

圖6 TMS320F2812與HG12864相連的電路原理圖Fig.6 Principle diagram of TMS320F2812 connect with HG12864

3 系統(tǒng)調試與結果

將元器件焊接在電路板上，檢查是否有虛焊漏焊的焊點，測量電源是否有焊接短路現象，確保電路板的電源供電正常，各個模塊間的連線正確。電路板實物連接如圖7所示，經過調試，程序運行完好，武器系統(tǒng)可以實現30°回轉方向運動，30°內高低方向運動以及對武器系統(tǒng)初始自整、手動操作、按鍵顯示、與火控系統(tǒng)通信交流等一系列的功能要求。

圖7 電路板實物連接圖Fig.7 Hardware connection diagram of PCB

4 結束語

目前，DSP控制系統(tǒng)在各類儀器和測控系統(tǒng)中應用非常廣泛，它比單片機集成度更高，運行速度更快，功能更強大，是一種特別適合于進行數字信號處理運算的微處理器，主要應用于實時快速地實現各種數字信號處理算法，通常工程上偏向于使用TMS320F2812，這里主要介紹了DSP降壓電路及DSP與HG12864—12接口電路，通過調試和實驗證明本設計具有良好的實時性和可靠性，可以滿足設計要求。

[1]陳玲，李軍，朱明珠.基于DSP的ATV-ATT中控系統(tǒng)設計[J].電子設計工程，2010，18（11）:103-105.CHEN Ling，LI Jun，ZHU Ming-zhu.Design of ATV-ATT central control system based on DSP[J].Electronic Design Engineering，2010，18（11）:103-105.

[2]WANG Chen-yuan，XU Zhan.Fuzzy and VSC control AC servo driving system based on the torque observer[J].Elec.Trans.，1998（1）:17-20.

[3]姜艷波.數字信號處理器DSP應用100例[M].北京：化學工業(yè)出版社，2009.

[4]楊幫文.新型工業(yè)控制開關實用手冊[J].中國照明電器淘汰燈具文摘，2006，26（4）：22.YANG Bang-wen.Practical handbook of new industrian control switch[J].ChinaLighting LightFixtruesDigest，2006，26（4）：22.

[5]佚名.三恒星科技TMS320F2812 DSP原理與應用實例[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[6]劉向宇.DSP嵌入式常用模塊與綜合系統(tǒng)設計實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.