王苗苗，王　玲

(沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159)

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智能地雷的硬件系統(tǒng)設計

王苗苗，王玲

(沈陽理工大學，遼寧 沈陽 110159)

介紹了基于核心控制板和功能擴展板的硬件設計理念. 根據(jù)智能地雷系統(tǒng)的要求，設計了S3C2416XH-40的控制處理模塊.詳細闡述了系統(tǒng)的硬件設計思想、工作原理及其終端設備的工作流程. 經(jīng)實際測試，該硬件電路的設計符合智能地雷系統(tǒng)的性能指標要求，并且具有體積小、低成本、低功耗等優(yōu)點.

核心控制板；功能擴展板；芯片

本研究根據(jù)智能地雷控制系統(tǒng)實際應用對功耗、體積和性能等方面的要求，有針對性地設計了其硬件電路，并對電路的基本原理和功能進行了說明，對其核心器件的選型進行了介紹. 由于系統(tǒng)所處環(huán)境存在很多的干擾信號會對主控系統(tǒng)和傳感測量單元造成一定影響，因此在硬件電路設計方面采用了抗干擾設計，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性

1　智能地雷控制系統(tǒng)概述

地雷控制系統(tǒng)通過每個子地雷系統(tǒng)自組建拓撲網(wǎng)絡，使每個子地雷系統(tǒng)的聲音、震動和磁傳感測量單元與戰(zhàn)斗部相配合[1]，自動實現(xiàn)對目標的探測和識別分類，完成目標的定位、運動方向判斷、運動軌跡估算，根據(jù)微處理器中相應的算法進行威脅判定和態(tài)勢評估，解算和優(yōu)化攻擊的策略和攻擊控制指令，最后由自組建的節(jié)點通信網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換[2].

實際上，建立地雷控制系統(tǒng)的關鍵是搭建子地雷系統(tǒng)，根據(jù)控制系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，主要搭建測試系統(tǒng)，以便進行戰(zhàn)場環(huán)境模擬實驗.其硬件系統(tǒng)總體方案設計包括系統(tǒng)核心控制單元、系統(tǒng)功能擴展單元和電源模塊等幾個部分. 系統(tǒng)核心控制單元是控制系統(tǒng)的“大腦”.系統(tǒng)功能擴展單元主要包括節(jié)點通信系統(tǒng)、傳感測量系統(tǒng)和上位機數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，電源模塊負責整個控制系統(tǒng)的能源供應.

智能地雷控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1　智能地雷控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

2　系統(tǒng)的硬件設計

2.1核心控制器選型和設計

根據(jù)控制系統(tǒng)的功能要求選擇微處理器.

(1)體積小、功耗低. 由于地雷控制系統(tǒng)是基于小型化、低功耗設計的，因此要考慮體積較小、功耗更低的微處理器.

(2)運算速度快、數(shù)據(jù)處理能力強. 傳感測量單元需要采集大量的數(shù)據(jù)信息，傳輸至微處理器進行數(shù)據(jù)處理，而且要進行攻擊策略的解算優(yōu)化并生成相應的控制指令. 整個過程的實現(xiàn)需要更快的運算速度和數(shù)據(jù)處理速度.

(3)存儲擴展能力強.核心控制器具有較大的ROM和RAM存儲空間，可以直接驅(qū)動大容量外部存儲設備，對測試數(shù)據(jù)進行存儲.

(4)可搭載操作系統(tǒng).在該控制系統(tǒng)運行過程中，必須對各個任務進行管理、分配和執(zhí)行.搭載操作系統(tǒng)可以并行處理多個任務，以提高系統(tǒng)運行效率.

(5)實際選擇.本設計選用Samsung公司生產(chǎn)的基于RISC體系架構(gòu)的32位ARM微處理器S3C2416XH-40，作為地雷控制系統(tǒng)的核心控制器.它具有低成本、體積小、低功耗、高性能、數(shù)據(jù)處理速度快以及可搭載Linux操作系統(tǒng)等特點. 針對地雷控制系統(tǒng)的功能要求，S3C2416XH-40具有以下優(yōu)點：①采用ARM926EJ內(nèi)核版本，主頻為400MHz，最高可超頻到533MHz，運行速度更快；②支持6路具有外部請求引腳的DMA控制器，可提高系統(tǒng)運行效率；③4路串行通信接口，方便了通信擴展；④外部存儲控制器支持mSDR/mDDR/DDR2/SDRAM，使系統(tǒng)運行速度提高，數(shù)據(jù)存儲能力增強；⑤2個高速MMC和SDMMC接口，可以用于存儲擴展；⑥2路USBHost控制器和1路USBDevice控制器，可方便地外接USB設備；⑦10路12位A/D轉(zhuǎn)換器，傳感器模擬量可以直接被輸入轉(zhuǎn)換；⑧138個通用I/O口，具有16路外部中斷源，易于功能擴展；⑨電源管理模式包括正常運行模式、空閑模式、慢速模式、深度停止模式和睡眠模式，能夠保證系統(tǒng)以極低的功耗運行；⑩具有PLL的片上時鐘發(fā)生器，可為較高工作頻率的內(nèi)部總線提供可靠的時鐘.

2.2傳感器測量模塊設計

在聲信號的檢測應用中，通常使用聲音傳感器.在設計中，傳感器測量模塊選擇的聲音傳感器是駐極體式聲音傳感器.它具有低成本、低功耗、電聲性能較好、結(jié)構(gòu)簡單牢固、輸出阻抗較低等特點. 駐極體式聲音傳感器實際上是一種麥克風式聲音傳感器，主要包括駐極體極頭和場效應管兩個部分.

由于聲音傳感器采集到的輸出電壓信號很微弱，一般僅有幾mV至幾十mV，而且信號中包含大量的噪聲，因此需要對聲音傳感器的輸出電壓信號進行放大和濾波處理.圖2所示為聲音傳感器采集輸出電壓信號的放大電路，可以通過電阻R64和R65來調(diào)節(jié)放大增益.放大后的模擬信號AIN0直接由主控制器的A/D轉(zhuǎn)換模塊進行處理.AIN4用于檢測采集到聲音信號的幅值(圖3).GPF0用于檢測外部聲音信號輸入(圖4). 當無聲音信號輸入時，放大電路輸出低電平；當有聲音信號輸入時，放大電路輸出高電平[3-5].

圖2　聲音傳感器信號放大電路

圖3　聲音傳感器信號幅值測量電路

圖4　聲音傳感器輸入信號檢測電路

3　終端設備的工作流程

在監(jiān)控區(qū)域內(nèi)，人工布置并連通終端設備，判斷監(jiān)控中心是否正常工作.如果監(jiān)控中心正常工作，終端節(jié)點則快速組織形成無線網(wǎng)絡，終端設備處于備戰(zhàn)狀態(tài)；如果監(jiān)控中心不能正常工作，終端節(jié)點之間則進行比較，選擇出最優(yōu)的監(jiān)控中心，并迅速組成無線網(wǎng)絡[6].由傳感器采集監(jiān)控區(qū)域的探測參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡發(fā)送至各終端設備，同時將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心.監(jiān)控中心通過網(wǎng)關傳回處理數(shù)據(jù)，建立設備拓撲結(jié)構(gòu)，并監(jiān)視設備的工作狀態(tài).當威脅參數(shù)達到閾值時，監(jiān)控中心向網(wǎng)絡設備發(fā)送命令，控制地雷節(jié)點完成自毀、失效、失能等操作(圖5).

圖5　終端設備工作流程

4　結(jié)束語

根據(jù)智能地雷系統(tǒng)的要求，設計出了基于S3C2416的控制處理系統(tǒng).實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，硬件電路的設計符合智能地雷系統(tǒng)的性能指標要求，并且具有體積小、成本低、重量輕等優(yōu)點，具有一定的應用價值.

[1]楊寧.無線傳感器網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)研究[J].無線電工程,2006,36(2):11-13.

[2]繆迪.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡硬件設計及應用[D].杭州:浙江大學，2010.

[3]高昆.智能雷場的無線傳感器網(wǎng)絡技術研究[J]. 無線電工程,2008,38(4):2-4.

[4]何勝強，張安.飛機航空電子綜合火控系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境仿真[J]．火力與指揮控制，2008，33(2)：41-45.

[5]謝俊杰.毫米波探測技術在智能地雷中的應用[J].制導與引信,2006,27(2):56-60.

[6]穆磊,姜春蘭,李明.基于TDMA的戰(zhàn)場無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點低功耗通信協(xié)議實現(xiàn)[J].科技導報，2010,28(18):75-79.

TheHardwareDesignofIntelligentMine

WANGMiao-miao,WANGLing

(ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China)

Thispaperintroducesthehardwaredesignconceptbasedonthecorecontrolboardandfunctionextension.Accordingtotherequirementofintelligentminesystem,thecontrolprocessmoduleS3C2416XH-40isdesigned,thehardwaredesignideaandbasicworkingprincipleofthesystemaredescribedindetail,andtheworkingflowchartoftheterminalequipmentissimplyintroduced.Bypracticaltest,thedesignofthehardwarecircuitmeetstherequirementsofintelligentminesystem,andhastheadvantagesofsmallphysicalstrength,lowcost,lowpowerconsumptionandsoon.

corecontrolboard;functionextensionboard;chip

2016-06-06

王苗苗(1990-)，女，山東濟寧人，碩士研究生，研究方向為先進控制理論與應用.

1006-3269(2016)03-0025-03

TN927

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.03.005