邵森木，苗 軍，蒙美海，盧一喆

（1．機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；2．西安機(jī)電信息研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

我國(guó)的遙測(cè)技術(shù)應(yīng)用始于20世紀(jì)50年代，引進(jìn)了原蘇聯(lián)的遙測(cè)系統(tǒng)，主要用于導(dǎo)彈測(cè)量。20世紀(jì)80年代后期，我國(guó)開始研制新一代遙測(cè)系統(tǒng)，在體制上開始和國(guó)際接軌，采用了IRIG標(biāo)準(zhǔn)推薦的標(biāo)準(zhǔn)S頻段和調(diào)制體制，即2 200～2 300 MHz和FM／PCM 體制，并生產(chǎn)出了相應(yīng)型號(hào)的設(shè)備［1］。兵器遙測(cè)由于受常規(guī)彈藥高過(guò)載（高加速度、高旋轉(zhuǎn)和高速度）、小尺寸和低成本等因素以及微電子技術(shù)發(fā)展水平的制約，其遙測(cè)彈載設(shè)備在研制初期采用S頻段（也可P頻段）FM／FM體制，由于受體積所限S頻段FM／FM體制遙測(cè)彈載設(shè)備所能測(cè)量的遙測(cè)通道有限，無(wú)法適應(yīng)常規(guī)彈藥的制導(dǎo)化、小型化、信息化和遠(yuǎn)程化的新測(cè)試需求。為適應(yīng)新的測(cè)試需求常規(guī)彈藥遙測(cè)系統(tǒng)采用了S頻段PCM／F M體制。采用基于FPGA的PCM采編器的超遠(yuǎn)程炮彈遙測(cè)系統(tǒng)，在155 mm榴彈炮3—6號(hào)裝藥條件下成功對(duì)高速串行數(shù)字信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量。采用基于單片機(jī)的片上可編程PCM采編器的57 mm口徑炮彈遙測(cè)系統(tǒng)在試驗(yàn)中達(dá)到了30 000 g過(guò)載，僅對(duì)幾路模擬信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量，無(wú)法對(duì)高速串行數(shù)字信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。

隨著常規(guī)彈藥向信息化方向的進(jìn)一步發(fā)展，彈藥系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，體積越來(lái)越小，智能化程度越來(lái)越高，人們總是希望在真實(shí)發(fā)射裝藥的條件下利用遙測(cè)系統(tǒng)來(lái)了解彈丸的氣動(dòng)特性、制導(dǎo)和慣性裝置的可靠性及彈藥的動(dòng)態(tài)性能［2］。彈道修正引信需要在真實(shí)發(fā)射裝藥的條件下測(cè)量GPS接收機(jī)和彈載計(jì)算機(jī)輸出的高速串行數(shù)字信號(hào)，以及各種彈道環(huán)境測(cè)量傳感器給出的模擬信號(hào)。為解決基于FPGA的PCM采編器無(wú)法適應(yīng)高動(dòng)態(tài)的發(fā)射環(huán)境問(wèn)題，將無(wú)線電遙測(cè)系統(tǒng)中抗過(guò)載能力差的晶體振蕩器用硅振蕩器替代。

1 振蕩器與PCM采編器

1．1 PCM采編器

PCM采編器的基本功能是完成對(duì)多路模擬混合信號(hào)的數(shù)據(jù)采集和對(duì)快速變化的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行接收、編碼、形成遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)格式的PCM數(shù)據(jù)流，再送入調(diào)頻發(fā)射機(jī)進(jìn)行無(wú)線發(fā)送。信號(hào)調(diào)理模塊主要為模擬量和總線信號(hào)兩種獨(dú)立的調(diào)理模塊。模擬信號(hào)調(diào)理器主要完成模擬信號(hào)與A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的匹配工作?？偩€信號(hào)模塊通過(guò)總線接口電路將彈上串行總線協(xié)議（如波特率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)幀頭）送入串行總線解包模塊，采集編碼模塊主要完成對(duì)模擬信號(hào)的采樣保持、數(shù)字量化、數(shù)字信號(hào)編排和幀同步碼的插入控制、數(shù)據(jù)合并轉(zhuǎn)化并形成標(biāo)準(zhǔn)的PCM串行數(shù)據(jù)流。時(shí)鐘振蕩器是產(chǎn)生PCM采編器時(shí)序和控制信號(hào)的重要組成部分，也是系統(tǒng)中抗高過(guò)載的最薄弱環(huán)節(jié)。

基于單片機(jī)的PCM采編器原理框圖如圖1所示，包括：模擬多路選擇器A MUX、A／D變換器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、串行總線數(shù)字接口SPI等［3］。它的時(shí)鐘振蕩器集成單片機(jī)內(nèi)部，可以承受10 000 g以上的過(guò)載，但是受單片機(jī)本身資源的限制，無(wú)法完成對(duì)高速串行數(shù)字信號(hào)進(jìn)行接收、編碼、形成遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)格式的PCM數(shù)據(jù)流。

圖1 基于片上系統(tǒng)的PCM采編器原理框圖Fig．1 Schematic of PCM acquisition coder based on SOC

基于FPGA實(shí)現(xiàn)的PCM采編器原理框圖如圖2所示。

圖2 基于FPGA的PCM采編器原理框圖Fig．2 Schematic of PCM acquisition coder based on FPGA

基于FPGA實(shí)現(xiàn)的PCM采編器具有高速串行數(shù)字信號(hào)測(cè)量能力，但是FPGA本身未集成時(shí)鐘振蕩器，PCM采編器須專門設(shè)計(jì)時(shí)鐘源輸入。一般采用晶體振蕩器作為PCM采編器的時(shí)鐘源。晶體振蕩器抗過(guò)載性能較差，就使得基于FPGA實(shí)現(xiàn)的PCM采編器無(wú)法承受高過(guò)載的沖擊。

1．2 振蕩器

提高結(jié)構(gòu)的抗高過(guò)載性能通常有5種技術(shù)途徑［4－5］：1）選用高強(qiáng)度材料；2）加大結(jié)構(gòu)承受力部位尺寸；3）改善結(jié)構(gòu)件受力方向及載荷轉(zhuǎn)移安裝設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高的部位承受高沖擊載荷；4）采用高強(qiáng)度的灌封材料和高密度灌封工藝灌封部件；5）加沖擊減振裝置，降低作用在結(jié)構(gòu)上的載荷。但后幾項(xiàng)對(duì)于基于FPGA實(shí)現(xiàn)的PCM采編器并不適用，出路在于選用抗高過(guò)載器件。

晶體振蕩器是利用具有壓電效應(yīng)的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場(chǎng)的作用時(shí)會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，當(dāng)交變電場(chǎng)的頻率與石英晶體的固有頻率相同時(shí)，振動(dòng)便變得很強(qiáng)烈，這就是晶體諧振特性的反應(yīng)。它是高精度和高穩(wěn)定度的振蕩器，被廣泛應(yīng)用于彩電、計(jì)算機(jī)、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統(tǒng)中用于頻率發(fā)生器、為數(shù)據(jù)處理設(shè)備產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)和為特定系統(tǒng)提供基準(zhǔn)信號(hào)。晶體振蕩器的典型電源電壓為5 V或3．3 V，功耗比較高，一般在100～300 m W。晶體振蕩器為空封結(jié)構(gòu)，由于晶體薄片必須有振動(dòng)空間，不能采用塑封等加固措施，所以本身抗過(guò)載能力比較差，受沖擊時(shí)晶體薄片易損壞而停振，最多能抗8 000 g過(guò)載。

硅振蕩器是完全集成的RC振蕩器，是最簡(jiǎn)單的時(shí)鐘源。這些器件可產(chǎn)生規(guī)定頻率的方波，可直接送入微控制器的時(shí)鐘輸入。LTC6930硅振蕩器的電源電壓為1．7～5．5 V，工作功耗在0．3～1．5 m W。硅振蕩器并不依賴于機(jī)械共振特性來(lái)獲得振蕩頻率，而是基于一個(gè)內(nèi)部的RC時(shí)間常數(shù)，這樣的設(shè)計(jì)使硅器件對(duì)于外部機(jī)械作用不敏感，具有與裸硅片相同的抗過(guò)載能力，達(dá)到2×105g［6］。與傳統(tǒng)振蕩器不同的是，沒(méi)有裸露在外的高阻抗節(jié)點(diǎn)，這樣使硅振蕩器可以承受更大的濕度和EMI影響。

凌力爾特公司設(shè)計(jì)和制造門類廣泛的高性能模擬集成電路，擁有先進(jìn)的硅振蕩器技術(shù)，它的固態(tài)硅振蕩器或“即時(shí)型時(shí)鐘”可采用單個(gè)電阻器或通過(guò)一個(gè)SPI或I2C接口輸出一個(gè)寬廣的頻率范圍，相比于晶體振蕩器這些易于使用的IC擁有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括頻率可編程性、抗震、小尺寸和低功耗。通用型硅振蕩器可提供1 k Hz～170 MHz的頻率。

LTC6930是凌力爾特公司（Linear Technology Corporation）生產(chǎn)的一個(gè)精密低功率硅振蕩器，它的輸出頻率可在32．768 k Hz～8．192 MHz范圍內(nèi)靈活調(diào)整，頻率誤差小于0．09%（在25℃ 時(shí)的最大值），啟動(dòng)時(shí)間小于110μs（在所有頻率條件下），1．7～5．5 V單電源操作，105μA典型電源電流（在32 k Hz，V＋＝3 V），490μA 典型電源電流（在8 MHz，V＋＝3 V），典型RMS周期抖動(dòng)小于0．15%（在 V＋＝3 V）。

2 基于硅振蕩器的PCM遙測(cè)采編器

如前所述，LTC6930硅振蕩器在1．7～5．5 V均可正常工作，覆蓋晶體振蕩器的3．3 V或5 V，并且輸入輸出端口完全兼容。因此硅振蕩器可以直接替代晶體振蕩器，不需要改變電路，而具有更高的抗過(guò)載能力，更低的工作功耗。

采用可編程邏輯器件FPGA來(lái)設(shè)計(jì)PCM采編器實(shí)現(xiàn)對(duì)大容量高速串行數(shù)據(jù)的測(cè)量。根據(jù)遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GJB21．2 A－92關(guān)于碼速率的準(zhǔn)確率和穩(wěn)定度的規(guī)定：有用數(shù)據(jù)在任何時(shí)間段內(nèi)碼速率的實(shí)測(cè)值與標(biāo)稱值之差不大于標(biāo)稱值的1%。碼速率是通過(guò)時(shí)鐘信號(hào)分頻得到的，在FPGA分頻誤差基本為零，因此只要時(shí)鐘振蕩器的實(shí)測(cè)值與標(biāo)稱值之差不大于標(biāo)稱值的1%，即時(shí)鐘振蕩器的頻率誤差小于等于1%就能滿足遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)GJB21．2 A－92關(guān)于碼速率的準(zhǔn)確率和穩(wěn)定度的規(guī)定。晶體振蕩器頻率穩(wěn)定度范圍一般為不大于±100 pp m（±0．01%）；硅振蕩器LTC6930的頻率誤差為小于0．09%，比晶體振蕩器約差一個(gè)數(shù)量級(jí)。但是，晶體振蕩器和硅振蕩器LTC6930作為PCM采編器的時(shí)鐘源在頻率準(zhǔn)確率和穩(wěn)定度都能滿足GJB21．2 A－92的要求。針對(duì)基于FPGA實(shí)現(xiàn)的PCM采編器中抗高過(guò)載薄弱環(huán)節(jié)，用LTC6930硅振蕩器替代晶體振蕩器增強(qiáng)器件本身的抗過(guò)載能力，使PCM采編器能夠在惡劣環(huán)境下可靠工作。

將信號(hào)調(diào)理模塊和采集編碼模塊裝入超硬鋁制作的鋁盒用發(fā)泡材料進(jìn)行整體灌封，使系統(tǒng)能夠在惡劣環(huán)境下可靠工作，灌封后的遙測(cè)艙如圖3所示。

圖3 遙測(cè)艙灌封后外形圖Fig．3 The shape diagram of telemetering cabin packaged by epoxide resin

3 遙測(cè)試驗(yàn)

在灌封后對(duì)信號(hào)調(diào)理和采集編碼模塊進(jìn)行了3次23齒馬歇特錘擊試驗(yàn)。對(duì)錘擊試驗(yàn)過(guò)程的編碼器采集的GPS模擬器發(fā)送的數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)更新率為10 Hz）進(jìn)行分析得：整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程GPS數(shù)據(jù)每隔100 ms更新一次，時(shí)間點(diǎn)連貫，沒(méi)有丟失任何一包數(shù)據(jù)。由此得出基于硅振蕩器的PCM遙測(cè)采編器能夠承受高沖擊過(guò)載。

在122 mm底凹彈GPS遙測(cè)靶場(chǎng)飛行試驗(yàn)中，接收的GPS串行數(shù)據(jù)包包含有多路信息：幀頭、狀態(tài)字、分鐘、秒、日、月、年、維度、經(jīng)度、高度、速度、軌跡角、北向速度、東向速度、天向速度、水平精度因子、垂直精度因子、收星數(shù)、校驗(yàn)和、結(jié)束字。圖4是使用96式122 mm榴彈炮全裝藥發(fā)射底凹彈GPS靶場(chǎng)飛行試驗(yàn)中遙測(cè)接收并解算出GPS數(shù)據(jù)包的部分信息。

圖4 GPS數(shù)據(jù)包的部分信息Fig．4 Parts of infor mations that the GPS data wrap

圖5 是彈在整個(gè)飛行過(guò)程中GPS測(cè)量的經(jīng)度、緯度、海拔高度和速度變化曲線，圖中時(shí)間軸上的零點(diǎn)表示發(fā)射時(shí)刻。在試驗(yàn)中落區(qū)工作人員利用遙測(cè)數(shù)據(jù)解算出的GPS串行數(shù)據(jù)包中最后一包數(shù)據(jù)中的經(jīng)緯度，依據(jù)這一坐標(biāo)信息順利地找到了底凹彈的落彈坑。

試驗(yàn)結(jié)果表明：經(jīng)過(guò)改進(jìn)的無(wú)線電遙測(cè)系統(tǒng)能夠耐受122 mm底凹彈全裝藥條件下高過(guò)載（大于14 000 g）、高旋轉(zhuǎn)（約13 000 r／min）和強(qiáng)烈沖擊振動(dòng)的膛內(nèi)惡劣環(huán)境及高速飛行和高旋轉(zhuǎn)的外彈道環(huán)境，同時(shí)對(duì)模擬信號(hào)和數(shù)據(jù)總線信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，成功實(shí)現(xiàn)了彈道修正引信的多路遙測(cè)。

在155 mm底排彈彈道修正引信遙測(cè)靶場(chǎng)飛行試驗(yàn)中，在10號(hào)裝藥條件下成功地對(duì)模擬信號(hào)和彈上計(jì)算機(jī)給出的數(shù)據(jù)總線信號(hào)進(jìn)行了測(cè)量。圖6是彈在整個(gè)飛行過(guò)程中溫度變化曲線。

圖5 GPS測(cè)量的經(jīng)度、緯度、海拔高度和速度變化曲線Fig．5 The GPS measure change curve of longitude，degree of latitude，elevation height and speed

圖6 溫度變化曲線Fig．6 The temperature changes curve

4 結(jié)論

本文將無(wú)線電遙測(cè)系統(tǒng)中抗過(guò)載能力差的晶體振蕩器用硅振蕩器替代，硅振蕩器適應(yīng)電源電壓范圍1．7～5．5 V，覆蓋晶體振蕩器的3．3 V或5 V，并且輸入輸出端口完全兼容，因而直接替換而無(wú)需改變電路，并且降低了功耗。試驗(yàn)成功表明：采用該方法的PCM采編器能耐高過(guò)載，遙測(cè)系統(tǒng)能夠經(jīng)受全裝藥條件下火炮發(fā)射的高動(dòng)態(tài)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)彈道修正引信模擬信號(hào)和數(shù)據(jù)總線信號(hào)的多路遙測(cè)。高過(guò)載無(wú)線電遙測(cè)的試驗(yàn)技術(shù)和平臺(tái)正在為并將繼續(xù)為兵器智能化、信息化彈藥，小型制導(dǎo)武器的發(fā)展提供可靠的工程化試驗(yàn)手段。硅振蕩器可以推廣應(yīng)用到其他需要使用時(shí)鐘振蕩器的高過(guò)載領(lǐng)域。

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