趙晉宏, 楊 猛, 王琴娟

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一種發(fā)射訓練系統(tǒng)設定應答器的設計與實現(xiàn)

趙晉宏1, 楊 猛2, 王琴娟3

(1. 山西平陽機械廠代表室, 山西侯馬, 043002; 2. 中國船舶工業(yè)系統(tǒng)工程研究院, 北京, 100094; 3. 山西平陽機械廠, 山西侯馬, 043002)

提出了一種魚雷發(fā)射訓練設定應答器的設計方案, 并通過試驗驗證了該方案的有效性和可行性。該方案具有模擬準確、操作簡便、可靠性高、體積小等優(yōu)點, 可為其他型號產(chǎn)品設定應答器的設計提供參考。采用該方案的模擬訓練系統(tǒng)不僅可以節(jié)約大量訓練經(jīng)費, 而且可以在低成本條件下大幅度增加演練機會, 促使新裝備快速形成戰(zhàn)斗力。

魚雷; 發(fā)射訓練; 應答器

0 引言

任何一型武器裝備都必須經(jīng)過有關人員的反復操演才能掌握使用, 更好地發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。嚴格的訓練是人與裝備緊密結合, 形成過硬戰(zhàn)斗力的唯一途徑[1]。特別是新型現(xiàn)代化裝備, 由于其性能先進, 結構復雜, 高新技術含量提高, 使用難度增加, 在一定程度上限制了試驗次數(shù)。在各種訓練方法中模擬將引起訓練方面的革命, 其將成為21世紀的主要訓練方法[2]。采取模擬訓練方法, 既能使訓練形象逼真、近似實戰(zhàn), 又能減少裝備損耗, 降低訓練成本, 具有其他訓練形式所不具備的優(yōu)點。目前發(fā)射訓練系統(tǒng)設定應答器就是其中的典型代表。文中提出了一種設定應答器的設計方案, 并通過試驗驗證了它的有效性。

1 設定應答器的工作原理

發(fā)射訓練系統(tǒng)設定應答器是訓練系統(tǒng)中的一種關鍵電子裝置, 其工作原理就是通過模仿實際產(chǎn)品中的相應電子組件, 實現(xiàn)直升機或艦艇火控系統(tǒng)完成對發(fā)射產(chǎn)品武器通道的檢查及參數(shù)設定等功能。它能模擬產(chǎn)品進行發(fā)射前檢查、作戰(zhàn)參數(shù)設定和熱電池激活等功能, 也能模擬武器裝備進行發(fā)射前的彈道和攻擊程序設定, 可以根據(jù)訓練要求進行空投旋回、管裝發(fā)射、空投蛇行多種發(fā)射方式的設定, 可以進行任意搜索角度、任意搜索深度的設定等。設定應答器電子模塊由CPU模塊、網(wǎng)絡通信模塊、I/O信號控制模塊和電源組成, 用于完成電信號控制、網(wǎng)絡通信和流程控制, 其系統(tǒng)框圖如圖1所示。

CPU模塊是設備的核心處理器, 用于對接收的數(shù)據(jù)和信號進行解析和處理, 并按流程回復相應信號。為提高可靠性, 設定應答器選擇雙列直插封裝的單片機作為主處理芯片。

網(wǎng)絡通信模塊用于完成10 M/100 M以太網(wǎng)數(shù)據(jù)接收和發(fā)送, 可以同真實產(chǎn)品管裝發(fā)控儀進行通信, 接收產(chǎn)品參數(shù)、發(fā)控命令并回復狀態(tài)信息。

I/O接口模塊用于接收設定應答器的電平控制信號, 包括熱電池激活信號和發(fā)射信號。發(fā)射信號利用光耦進行內(nèi)外隔離。

電源包括外部輸入電源和儲能設備。正常情況下, 設定應答器由外部供電電源進行供電, 通過變壓器將電源轉換為產(chǎn)品工作電源, 保證應答器的正常工作。

其硬件設計框圖如圖2所示。

2 設定應答器的實現(xiàn)

2.1 主要硬件模塊設計

2.1.1 CPU處理器

CPU選用一種高性能的80C51類型的8位閃存微控制器, 包含16 kB程序和數(shù)據(jù)閃存塊, 該16 kB閃存可用于并行編程模式或串行模式。擁有256 Byte的內(nèi)部RAM, 9路4級中斷控制器和3個定時器/計數(shù)。有可編程計數(shù)器陣列、1個1 024 Byte的XRAM、硬件看門狗定時器、鍵盤接口、2-wire接口、串行外設(serial peripheral interface, SPI)接口, 1個通用串行通道(EUART)和速度提高機制(X2模式)。它的全靜態(tài)設計能夠降低系統(tǒng)的功耗, 同時還可通過軟件控制減少功能和8位的時鐘模式進一步降低功耗, 在空閑模式下, CPU能保持不工作, 而外設和中斷系統(tǒng)仍能正常運作, 在休眠模式下, RAM將保存所有數(shù)據(jù)用于系統(tǒng)喚醒。

2.1.2 網(wǎng)絡芯片

網(wǎng)絡芯片選擇新型以太網(wǎng)控制器, 如ENC424J600。它是Microchip推出的一款以太網(wǎng)控制器, 網(wǎng)絡接口速率可以達到100 Mbps, 提供了2種接口模式, 芯片具有44引腳TQFP和QFN 2種封裝形式[3], 是一款優(yōu)異的網(wǎng)絡接口芯片。其主要特征如下。

1) 符合IEEE 802.3協(xié)議。

2) 集成媒體訪問控制器(media access control, MAC)和10M /100M Base-T以太網(wǎng)物理層器件(physical layer interface devices, PHY)。

3) 具有24 kB發(fā)送/接收數(shù)據(jù)包緩存區(qū)?？梢耘渲冒l(fā)送/接收緩沖區(qū)的大小, 支持高性能的硬件IP校驗和計算, 支持掉電模式下的訪問。該緩沖存儲器提供了靈活可靠的數(shù)據(jù)管理機制?；静恍枰饨屿o態(tài)隨機存取存儲器(static random access memory, SRAM)。

4) 具有14 Mb/s SPI接口和8位復用并行接口。并行接口的最大傳輸帶寬達140 Mb/s。

5) 支持半雙工、全雙工模式。

6) 具有硬件安全加速引擎。支持多種硬件模式和多種軟件算法。如RSA, Diffie-Hellman, AES, MD5和SHA-1算法。

7) 具有可編程的沖突時自動重發(fā)功能。

8) 具有可編程的填充和循環(huán)冗余碼生成功能。

9) 具有可編程的自動拒收錯誤和過小數(shù)據(jù)包功能。

11) 具有可編程的多數(shù)據(jù)包格式過濾功能。

12) 單播(Unicast)、多播(Multicast)或廣播(Broadcast)信息包。

2.1.3 超級電容

超級電容是超級電容器的簡稱, 又稱為電化學電容器、雙電層電容器等, 是根據(jù)電化學雙電層理論研制而成, 是目前已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種。它的容量是普通電容器的20~1000倍[4], 是同體積電解電容器的2000~6000倍[5]。因為它的容量特別大, 對外表現(xiàn)跟電池相同, 有時也稱為“電容電池”。它具有以下特點[6-10]。

1) 充電時間非?？? 充滿時間只需要10~ 12 min。

2) 使用壽命長, 在充放電過程中不會發(fā)生電化學反應, 充放電循環(huán)使用次數(shù)可達1~50萬次。

3) 大電放逐電能力超強, 能量轉換效率高, 過程損失小, 大電流能量輪回效率≥90%。

幼兒對人物造型動態(tài)的把握既是重點也是難點。他們最初是以蝌蚪人的形式來表現(xiàn)人物的動態(tài)，隨著技能技巧的純熟，部分幼兒能臨摹教師示范的人物形象，但缺乏自己的想象。繪本中的每一個角色都有其豐富的表情、神態(tài)、動作。藝術家們運用不同的創(chuàng)作手法讓幼兒在欣賞繪本的過程中，通過觀察更好地理解人物表情、神態(tài)、動作的繪畫表現(xiàn)方式。通過對故事中人物形象的觀察和模仿，來豐富自己的已有經(jīng)驗，從而改善原本在繪畫活動中可能會出現(xiàn)的表情或動作單一的現(xiàn)象。繪本中的人物形象和擬人化的動物形象充滿活力，能讓幼兒通過觀察以全新的視角去塑造自己心中的角色形象。

4) 比功率非常高, 可達3 kW/kg, 比任何化學蓄電池都要高。

5) 不需專門的充放電電路, 安全系數(shù)高, 長期使用免維護。

6) 低溫條件下使用特性好, 在低溫工作時容量僅減少10%左右。工作溫度范圍寬(–40℃~+ 70℃)。

2.1.4 光耦隔離芯片

光耦合器選擇一款用于雙通道的高速光耦合器, 光電耦合優(yōu)點如下。1) 信號受干擾的程度少; 2) 防止靜電的干擾; 3) 可以減少輸出信號的誤差干擾。采用光耦隔離技術, 完全隔離了輸入端和輸出端之間的電氣與地線回路, 使一端的電信號變成光信號以后傳到另一端, 然后再變回到電信號, 可以免遭地線回路和浪涌的干擾和損壞, 可以明顯提高系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。

2.1.5 斷電續(xù)航模塊設計

系統(tǒng)要求應答器在外部電源斷電后, 仍能正常工作秒, 按照應答器的設計方案, 在應答器內(nèi)部使用了一個超級電容, 在外部電源供電時, 超級電容將自動充電, 在外部電源斷電后超級電容將支持應答器持續(xù)工作秒以上。

超級電容放電時間計算公式[11]

式中:為電容容量;為放電電流;1為初始電壓;2為終止電壓;1為放電初始到電壓達到1的時間;2為放電初始到電壓達到2的時間。

根據(jù)系統(tǒng)設計, 應答器內(nèi)部單板使用的是5 V供電方式, 電壓浮動范圍為5%, 那么當5 V電源下降到4.75 V以下時, 單板將無法正常工作。因此1的值為5 V,2的值為4.75 V,2-1的值為1.5 s, 由整板功耗可計算出單板工作需要的電流為mA, 由超級電容放電時間計算式(1), 可得出要使用應答器續(xù)航秒, 超級電容需要有的電容容值為

也就是說, 只要超級電容中有相應容量, 就能夠支持應答器斷電后工作秒。

再根據(jù)超級電容充電時間計算公式[11]計算需要的充電時間。

式中:為充電時提供的電流;為充電時間;為充入到超級電容中的容值;為壓差(充電前后的電壓差)

外部電源能提供給應答器的最大功率為20 W,除去系統(tǒng)內(nèi)單板所需要的功率和部分損耗, 估計外部電源最大能提供15 W給超級電容充電, 即所提供的最大電流為3 A。

由式(3)可得

理論上只要應答器上電2.86 s, 超級電容就能充電達到1.56 F, 斷電后超級電容就能支持應答器工作秒。為了加強系統(tǒng)的可靠性, 可選擇的超級電容如SP-5R5-Z106VY, 其額定放電電容為10 F, 根據(jù)式(3), 需要20 s就能將其完全充滿, 即應答器供電時間能達到20 s, 且系統(tǒng)能夠提供給應答器20 W的功率, 超級電容就能完成充電, 完全能保證系統(tǒng)斷電后續(xù)航秒。

2.2 軟件設計

應答器采用小型化、智能化、低功耗設計, 使用超低功耗的8位微控制單元(microcontroller unit, MCU)進行數(shù)據(jù)運算及邏輯處理。如何有效減少控制軟件對存儲空間的占用, 提高控制軟件的運行效率, 是軟件方面需要解決的關鍵技術之一。

為簡化設計, 提高系統(tǒng)可靠性和實時性, 利用標準C語言和匯編語言進行軟件編程, 通過相應工具直接燒錄在芯片中。軟件按功能劃分為網(wǎng)絡驅動函數(shù)、I/O接口管理函數(shù)、定時器函數(shù)、協(xié)議解析函數(shù)、中斷控制函數(shù)和主管理函數(shù)等部分, 各函數(shù)間盡量獨立, 確保軟件的可靠性和穩(wěn)定性。軟件系統(tǒng)的安全性應符合GJB900的要求, 采用容錯性設計, 對一些非規(guī)范操作, 軟件拒絕執(zhí)行。

應答器軟件網(wǎng)絡通信部分主要采用TCP/IP協(xié)議棧裁剪技術解決內(nèi)存空間和運行效率的問題。由于需要完成可靠的以太網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸, 避免網(wǎng)絡誤碼或丟包, 因此TCP/IP協(xié)議是軟件開發(fā)必不可少的支撐模塊。但針對產(chǎn)品本身的特點, 其工作過程中主要目的是實現(xiàn)點對點TCP通信, 并沒有使用到協(xié)議棧的全部功能。因此, 針對TCP/IP協(xié)議棧進行裁剪實現(xiàn), 去掉與產(chǎn)品功能無關的模塊, 將協(xié)議部分的設計和開發(fā)重點放在IP/TCP/ICMP/ARP 這些網(wǎng)絡層和傳輸層協(xié)議上, 不但有效降低了軟件占用內(nèi)存的大小, 同時簡化了通信流程, 提高了軟件的通用性和運行的穩(wěn)定性。在協(xié)議棧設計方面, 采用將應用層、協(xié)議棧層、硬件層共用一個全局緩存區(qū)方法, 可大大節(jié)省空間和時間。

2.3 電磁兼容性設計

設備在設計時必須注重提高模塊的電磁兼容性能, 應符合GJB151B-2013《軍用設備和分系統(tǒng)電磁發(fā)射和敏感度要求與測量》、GJB1389A-2005《系統(tǒng)電磁兼容性要求》和GJB/Z25-91《電子設備和設施的接地、搭接和屏蔽設計指南》要求。

外部干擾通過輻射、傳導或兩者同時存在的傳遞方式, 經(jīng)設備縫隙及線纜進入設備內(nèi)部。形成外部干擾, 同時內(nèi)部高頻的電磁波也會泄漏出去而影響周邊設備的正常工作。對內(nèi)外部電磁雜波地屏蔽和接地處理是外部設計的基本手段。采取的措施如下。

1) 采用導電性能良好的鋁合金材料, 采用整體焊接的方式制作設備的機箱, 在電磁屏蔽上形成連續(xù)導電的屏蔽外殼。焊接方式避免了螺釘連接的接觸電阻大, 以及電接觸連續(xù)性隨時間推移變差的問題。

2) 為保證搭接部位的電接觸, 內(nèi)腔采用導電氧化處理, 提供更持久的接觸電阻保證和抗腐蝕設計。

3) 箱體的分型結合面采用彈性導電材料填充縫隙, 同時提供密封和電磁屏蔽性能。

4) 設備搭接部位的縫隙、螺釘間距應在70~85 mm之間。

5) 電氣件所在腔體均為密封式的箱體。

6) 電源輸入部分加低通濾波器, 有效解決由電源出線導致的電磁兼容隱患。

7) 對電磁干擾敏感的位置, 如電源入口部分, 采用連續(xù)導電的結構件把其封閉在一個殼體內(nèi)部。

2.4主要功能

裝置設計完成后的主要功能:

1) 當系統(tǒng)進行連通性檢查時, 能夠模擬產(chǎn)品的連通性檢查信息;

2) 當系統(tǒng)進行發(fā)射前自檢時, 能夠模擬產(chǎn)品的自檢信息反饋;

3) 當系統(tǒng)進行參數(shù)設定時, 能夠模擬產(chǎn)品的預設定信息反饋, 并將反饋結果貯存;

4) 當系統(tǒng)啟動熱電池時, 能夠模擬產(chǎn)品熱電池啟動后的反饋信號。

此外, 軟件采用數(shù)據(jù)記錄和回放手段, 將重要的應答信息存儲到本地flash中。以參數(shù)設定為例, 一次發(fā)控流程中, 系統(tǒng)可能會多次向應答器發(fā)送預設定信息。應答器接收到預設定信息后, 一方面模擬真實產(chǎn)品, 將預設定信息回復給系統(tǒng), 作為模擬設定成功的依據(jù); 同時, 由于發(fā)射前的最后一幀預設定參數(shù)作為產(chǎn)品出管后運動的輸入, 是關鍵應答數(shù)據(jù), 因此應答器軟件將最后一幀設定和應答數(shù)據(jù)進行存儲。試驗完成后, 若產(chǎn)品出現(xiàn)設定異常, 用戶可以將數(shù)據(jù)重新讀取和解析出來, 識別異常的問題是出現(xiàn)在系統(tǒng)還是應答器本身。

3 試驗驗證

采用與艦船上配置一致的某型發(fā)控儀進行多次匹配試驗, 在操作過程與真實產(chǎn)品一致的情況下, 通過各種參數(shù)設定、應答, 發(fā)控儀反饋的各種參數(shù)完全一致, 符合要求。

將設定應答器裝入某發(fā)射訓練系統(tǒng)后, 在湖上組織實施了2次試驗, 設定應答器按程序進行參數(shù)設定、發(fā)射及信息反饋等項目試驗, 通過試驗驗證了設計的合理性和有效性, 試驗結果表明該設計可以完成模擬發(fā)射訓練的各種功能要求。

4 結束語

文中采用高性能低功耗CPU控制器、網(wǎng)絡芯片、超級電容等器件, 設計實現(xiàn)了一種簡便可靠的發(fā)射訓練應答器。該裝置可模擬部分產(chǎn)品掛機空投和艦載管裝火控系統(tǒng)的實際設定, 具有結構簡單、操作方便、可靠性高、體積小等優(yōu)點, 可以為設計產(chǎn)品模擬發(fā)射訓練系統(tǒng)提供參考。

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Design and Implementation of a Setting Transponder for Torpedo Launch Training System

ZHAO Jin-hong1, YANG Meng2, WANG Qin-juan3

(1. Military Representative Office, Stationed in Shanxi Pingyang Machinery Factory, Houma 043002, China; 2. System Engineering Research Institute, China State Shipbulding Corporation, Beijing 100094, China; 3. Shanxi Pingyang Machinery Factory, Houma 043002, China)

A design scheme of setting transponder for torpedo launch training system was proposed, and its effectiveness and feasibility were verified by experiment. The scheme has the advantages such as accurate simulation, simple operation, high reliability and small size, and may provide a reference for design of other setting transponders. Application of this scheme to simulation training system can save training cost, and can significantly increase the chance of training at low cost to promote rapid formation of fighting force for new equipment.

torpedo; launch training; transponder

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.01.015

TJ635

A

1673-1948(2016)01-0076-05

2016-01-05;

2016-01-14.

趙晉宏(1967-), 男, 高工, 碩士, 主要研究方向為魚雷總體與動力技術.

(責任編輯: 許 妍)