劉少坤， 閆曉鵬， 郝新紅， 栗 蘋

（北京理工大學(xué)機電工程與控制國家重點實驗室，北京100081）

0 引言

無線電引信模擬系統(tǒng)的研制目的是配合干擾機的研制、對干擾機的性能進行測試以及進行后續(xù)訓(xùn)練。干擾機的性能需要測試人員進行大量的實驗才可驗證，以往的實驗都是以實彈發(fā)射來模擬引信的真實工作過程，這樣的實驗方式最為可靠直觀，但價格昂貴，需要動用炮兵還要占用很大的實驗場地［1］。無線電引信模擬系統(tǒng)可以靜態(tài)地模擬引信的真實工作過程并且可以實時顯示干擾機對引信的干擾效果，從而簡化干擾機的性能測試，節(jié)省高昂的測試費用，雖然其實驗效果不如實彈測試真實可靠，但作為輔助手段可為訓(xùn)練和測試提供參考，同時由于無線電引信模擬系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，操作人員攜帶方便，易于操作?，F(xiàn)有的引信模擬系統(tǒng)不能以線饋的方式進行引信性能的檢測，同時現(xiàn)有模擬系統(tǒng)只能實時顯示引信的啟動情況，不能采集或存儲引信的檢波信號，也不能借助上位機進行啟動信號和檢波信號的處理，因此不利于后期實驗結(jié)果分析。針對這些問題，本系統(tǒng)進行了改進。首先，系統(tǒng)在原有系統(tǒng)引信性能空饋檢測的基礎(chǔ)上增加了線饋檢測功能；其次，系統(tǒng)新增了引信檢波信號采集電路，可采集并存儲實驗過程中引信的檢波信號，并借助上位機進行分析處理，為判定干擾機干擾效果提供更有力的數(shù)據(jù)支撐；最后，本系統(tǒng)采用GPS授時為多種實驗設(shè)備提供精確的、統(tǒng)一的時鐘，很好的解決了多系統(tǒng)協(xié)同工作過程中時間統(tǒng)一方面的問題，提高了系統(tǒng)的兼容性。

1 無線電引信模擬系統(tǒng)總體方案設(shè)計

無線電引信模擬系統(tǒng)要最大程度的滿足引信干擾機測試要求必須滿足以下條件：

a）首先，模擬系統(tǒng)必須能夠模擬引信的正常工作過程；

b）其次，要避免人員和其他設(shè)備對測試結(jié)果的影響；

c）再次，可以隨時直觀地觀測到引信的工作狀態(tài)和啟動情況。

為滿足上述要求，本系統(tǒng)采取以下方案設(shè)計：

無線電引信模擬系統(tǒng)采用模擬器和控制器分離子系統(tǒng)設(shè)計，模擬器主要實現(xiàn)引信檢波信號和啟動信號采集存儲、GPS授時等功能；控制器主要實現(xiàn)對模擬器的控制、引信工作狀態(tài)選擇和顯示等功能。模擬器與控制器之間通過RS422協(xié)議進行通信，通信距離最大可以達到1500m，可確保人員在要求距離范圍內(nèi)通過控制器對模擬器進行遠距離控制，排除人員和設(shè)備因素對實驗的影響。

為了最大程度的模擬實彈發(fā)射狀態(tài)，模擬器設(shè)計了引信工作狀態(tài)選擇電路，操作人員可通過控制器選擇引信以單發(fā)連射或者多發(fā)齊射等任意模式發(fā)射，同時可設(shè)置每枚引信的工作過程，由此可真實的模擬引信的正常工作過程。

為了隨時直觀的觀測引信的工作狀態(tài)和啟動情況，模擬器設(shè)計了引信信號采集存儲電路，引信正常工作過程中的檢波信號和啟動信號都可采集出來進行存儲，方便以后分析處理。同時，檢波信號和啟動信號也可實時顯示在控制器端的液晶屏上，方便測試人員實時掌握引信的工作情況。

由于系統(tǒng)采用模擬器和控制器分離子系統(tǒng)設(shè)計，要實現(xiàn)系統(tǒng)之間協(xié)同工作需要解決時鐘統(tǒng)一問題。本系統(tǒng)采用GPS授時模塊為各系統(tǒng)提供統(tǒng)一的時間標準，解決了時鐘統(tǒng)一問題，提高了系統(tǒng)的兼容性。

圖1所示為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 模擬器硬件設(shè)計

為滿足系統(tǒng)的設(shè)計指標，本系統(tǒng)必須具有數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信、鍵盤和液晶屏模塊等，因此，主控芯片需要有強大的外設(shè)能力。同時，本系統(tǒng)偏重于控制，對數(shù)據(jù)運算要求不高。綜合考慮，模擬器主控芯片選用LPC1768芯片，該ARM 芯片主要適用于工業(yè)控制領(lǐng)域，具有1個USB2.0全速接口、4個串行接口、4個32 位通用定時器、1 個SD 通信接口等強大的外設(shè)能力，能夠滿足本系統(tǒng)的設(shè)計要求［2］。

模擬器采用模塊化設(shè)計，包括引信工作狀態(tài)選擇模塊、引信信號采集模塊、遠程通信模塊、引信性能檢測模塊、GPS授時模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

引信工作狀態(tài)選擇模塊主要用來控制引信的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對真實戰(zhàn)場環(huán)境下炮彈不同發(fā)射狀態(tài)的模擬。通過對引信供電電路的控制可以實現(xiàn)引信的單發(fā)連射或多發(fā)齊射等多種工作模式。

該系統(tǒng)通過對繼電器的控制實現(xiàn)對引信供電電路的控制，從而控制引信的工作狀態(tài)。

引信信號采集與存儲模塊主要由A／D 采集模塊、信號調(diào)理電路和信號存儲模塊三部分組成，用來實現(xiàn)引信中頻檢波信號和啟動信號的采集。

在信號采集過程中，引信中頻檢波信號的幅值約為5mV～20 mV，頻率最高為1kHz，屬于微弱信號采集，在采集過程中對噪聲的敏感程度較高，因此需要選用較高分辨率的AD 轉(zhuǎn)換器。若要求采樣誤差保持在10%以內(nèi)，芯片模擬電壓的輸入范圍設(shè)為±10V，則由

可得n＝16，即AD 轉(zhuǎn)換器應(yīng)該具有16位。

引信啟動信號幅值為5V～20V，16位轉(zhuǎn)換器滿足對啟動信號的轉(zhuǎn)換精度。系統(tǒng)采用的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片是AD7606，該芯片為16位8通道AD轉(zhuǎn)換器，滿足系統(tǒng)要求。

由于引信的中頻檢波信號存在直流偏置，不同引信的直流偏置有所不同且幅值相差較大。同時，引信啟動脈沖的幅度往往也有較大變化，脈沖幅度變化和直流偏置的存在導(dǎo)致了信號采集電路對于所采集信號難以適應(yīng)的問題，為了消除此類影響，需要對啟動信號和檢波信號進行調(diào)理［3］。

系統(tǒng)采用電阻分壓的方式來實現(xiàn)對信號幅值的調(diào)整。為了防止負載電路對信號幅值的影響，在電阻分壓電路的前端和后端均加入一個電壓跟隨器。電路設(shè)計時，由于負載阻抗的變化，進入分壓電路的信號波形會受到負載阻抗的影響，因此需要增大分壓電路的輸入阻抗，這樣可以增大分壓電路的帶負載能力。系統(tǒng)選用兩片AD8544跟隨器來實現(xiàn)電路阻抗匹配的設(shè)計，從而保證分壓電路免受負載變化的影響。

模擬器遠程通信模塊主要用于控制器和模擬器之間的相互通信，實現(xiàn)控制器對模擬器的遠程控制以及啟動信號的回傳。

為了消除由于引信性能優(yōu)劣造成的干擾機測試誤差，同時不引入額外引信性能測試設(shè)備，本系統(tǒng)設(shè)計了引信性能檢測模塊。此模塊除具備原有模擬系統(tǒng)空饋檢測功能外還可以線饋方式檢測引信性能，即調(diào)用存儲在數(shù)據(jù)存儲器中的引信真實回波信號，經(jīng)過DA 轉(zhuǎn)換為模擬信號，再由引信接收端灌入引信中頻信號處理單元。在該信號的作用下，如果引信啟動，則表明引信性能良好，否則證明引信不能正常工作。

為了借助于上位機對引信檢波信號和啟動信號進行后續(xù)處理，需要在實驗過程中存儲這兩種信號。每枚引信最大工作次數(shù)為200次，工作時長為10s，引信總數(shù)為8枚，啟動信號和檢波信號采樣率分別為40kHz和4kHz，則引信啟動信號、檢波信號總的數(shù)據(jù)量為

因此數(shù)據(jù)存儲器的存儲空間應(yīng)該大于12Gbit，考慮存儲容量和性價比，本系統(tǒng)采用32G的SD 卡作為存儲設(shè)備。

由于采用控制器和模擬器子系統(tǒng)設(shè)計，同時系統(tǒng)外設(shè)較多，系統(tǒng)在工作時存在協(xié)同工作和時間統(tǒng)一問題。為了滿足多種實驗設(shè)備協(xié)同工作的需求，解決時間統(tǒng)一問題，本系統(tǒng)設(shè)計了授時模塊，可以對系統(tǒng)工作時間進行標定，以統(tǒng)一各設(shè)備之間的時間基準［4］。

2.2 控制器硬件設(shè)計

引信控制器作為無線電引信模擬系統(tǒng)的控制平臺，主要用于實現(xiàn)對模擬器的遠程控制，同時實時顯示每次實驗過程中干擾設(shè)備對引信的干擾情況?？刂破髦饕扇糠纸M成：主控電路、人機交互界面、擴展接口。

為了程序開發(fā)的一致性，控制器的主控芯片也選用LPC1768。

遠程通信模塊主要用于控制器對模擬器的控制，以及部分實驗數(shù)據(jù)的回傳等功能，通過對模擬器的遠程通信模式的分析，選擇RS422 通信協(xié)議。

鍵盤主要用來實現(xiàn)對模擬器各項功能的選擇、操作等，例如：引信性能檢測功能、引信工作模式選擇、引信實驗結(jié)果顯示等各項功能的選擇；液晶屏主要用來顯示實驗過程中各項實驗數(shù)據(jù)，可清楚的顯示引信工作狀態(tài)、受干擾次數(shù)、啟動時間等信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

設(shè)置根據(jù)設(shè)計要求，模擬系統(tǒng)應(yīng)該能對4發(fā)引信的發(fā)射模式、發(fā)射次數(shù)在一定范圍內(nèi)進行任意組合設(shè)置。人員對于鍵盤的操作應(yīng)該有相應(yīng)的提示，誤操作應(yīng)可返回或者重置。系統(tǒng)采集的引信啟動信號、啟動時間以及啟動次數(shù)可在液晶屏上實時顯示，以便于實時觀測引信的工作狀態(tài)和受干擾情況。引信檢波信號、啟動信號、啟動時間、發(fā)射狀態(tài)、發(fā)射時間等信息可存儲及讀取，方便后續(xù)分析處理。系統(tǒng)采集和存儲的數(shù)據(jù)信息可上傳至上位機，借助上位機強大的數(shù)據(jù)處理能力進行分析處理，并通過上位機的人機交互界面進行顯示和設(shè)置。

圖2 總控功能流程圖

為實現(xiàn)以上要求，本系統(tǒng)采用C 語言編寫了系統(tǒng)控制軟件。圖2所示為總控模塊流程圖，完成系統(tǒng)初始化、系統(tǒng)故障診斷及故障定位、引信工作狀態(tài)、數(shù)據(jù)采集存儲、實驗結(jié)果查詢、實驗數(shù)據(jù)輸出等功能。系統(tǒng)開機后首先進行系統(tǒng)自檢，系統(tǒng)自檢流程如圖3所示。

若系統(tǒng)無故障，則在控制端進行引信工作狀態(tài)設(shè)置，選擇單發(fā)連射或多發(fā)齊射，設(shè)置結(jié)果在液晶屏上顯示，設(shè)置完成，按下“發(fā)射”鍵后可進行三種操作：引信性能檢測、實驗結(jié)果查詢或者進行實驗并且采集實驗數(shù)據(jù)。

模擬器在總控系統(tǒng)的控制下進行工作，其采用模塊化設(shè)計，主程序流程圖如圖4所示。模擬器收到控制器發(fā)出的指令后進行判斷，若為自檢指令則轉(zhuǎn)至故障診斷模塊進行故障診斷，若為工作狀態(tài)設(shè)置或者發(fā)射指令則轉(zhuǎn)至相應(yīng)模塊進行處理。

圖3 故障診斷模塊流程圖

圖4 引信遠端控制器主流程圖

故障診斷模塊主要用來診斷引信信號模擬器中的電源模塊、繼電器模塊、RS422 通信模塊等功能模塊，并可實現(xiàn)各功能模塊的故障定位；引信工作狀態(tài)選擇模塊用來控制引信的工作狀態(tài)，實現(xiàn)對真實戰(zhàn)場環(huán)境下炮彈不同發(fā)射狀態(tài)的模擬；檢波信號采集模塊完成4 路檢波信號的采集與存儲；引信啟動信號統(tǒng)計模塊完成啟動信號電平轉(zhuǎn)換、啟動信號存儲與干擾次數(shù)統(tǒng)計功能。

故障診斷模塊作為無線電引信模擬系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成以下兩方面的內(nèi)容：檢查系統(tǒng)易壞模塊功能是否正常，避免由于系統(tǒng)故障影響干擾機測試結(jié)果；系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，快速定位故障模塊，為系統(tǒng)修復(fù)提供依據(jù)。當控制器選擇自檢功能后各故障標志位清零，系統(tǒng)各模塊依次進行故障檢測，發(fā)現(xiàn)故障后，相應(yīng)的標志位置位，系統(tǒng)根據(jù)不同的標志位置位情況實現(xiàn)故障定位。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)在原有引信模擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了引信性能的線饋檢測功能、引信檢波信號的采集存儲功能以及GPS授時功能，相較于原有模擬系統(tǒng)，本系統(tǒng)可為測試和訓(xùn)練提供更多元的實驗數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)未來的發(fā)展方向之一是實現(xiàn)實裝引信的全數(shù)字化模擬，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的進一步簡化。

［1］ 周忠來，白玉賢，徐清泉，等.引信干擾機訓(xùn)練模擬器控制系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代引信，1998，（3）：46.

［2］ 孫安青.ARM Cortex-M3嵌入式開發(fā)實例詳解-基于NXP LPC1768［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012：5-15.

［3］ 周博，鄭偉，陳靜.軍用電子設(shè)備的電磁兼容性設(shè)計及應(yīng)用［C］.全國抗惡劣環(huán)境計算機第二十屆學(xué)術(shù)年會論文集，2010.

［4］ 鐘陪強.基于GPS的精確定時系統(tǒng)［D］.桂林：桂林電子工業(yè)學(xué)院，2005.