洪 黎，張 合，丁立波

HONG Li,ZHANG He,DING Li-bo

（南京理工大學(xué) 智能彈藥技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210094）

0 引言

信息化戰(zhàn)爭(zhēng)要求武器系統(tǒng)之間及時(shí)地將有用信息進(jìn)行交聯(lián)，以便快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地打擊目標(biāo)[1]。裝定是時(shí)間引信的關(guān)鍵技術(shù)之一，裝定具有無(wú)線裝定和有線裝定兩種形式，無(wú)線裝定存在抗電磁干擾能力差、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差等缺點(diǎn)；有線裝定因其結(jié)構(gòu)能夠合理安排，制造工藝簡(jiǎn)單且價(jià)格便宜，有較高的穩(wěn)定性，功耗很小，適用面廣泛等優(yōu)點(diǎn)，是目前國(guó)內(nèi)外裝定的主要手段之一。

本文對(duì)有線裝定系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)并重點(diǎn)分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，1）采用以單片機(jī)為核心軟件控制、選取起點(diǎn)信號(hào)可靠判斷方案、對(duì)引信電源采取保護(hù)措施來(lái)提高可靠性；2）對(duì)可編程內(nèi)部振蕩器校準(zhǔn)以提高引信定時(shí)精度；3）電路保護(hù)設(shè)計(jì)、泄能控制等來(lái)提高系統(tǒng)安全性。

1 引信有線裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 有線裝定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

總體設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1左側(cè)為裝定器部分，引信信息有線裝定的工作過(guò)程：通過(guò)探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)，確定目標(biāo)的參數(shù)送入火控計(jì)算機(jī)，火控計(jì)算機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)以及預(yù)先輸入的彈丸彈道參數(shù)計(jì)算出引信所需的裝定信息，裝定信息經(jīng)火控計(jì)算機(jī)送入裝定器，裝定信息經(jīng)編碼調(diào)制后通過(guò)信息能量發(fā)送模塊通過(guò)導(dǎo)線傳輸給即將發(fā)射的彈藥引信，同時(shí)裝定器通過(guò)導(dǎo)線給引信電路傳輸能量[2]。引信接收到能量后將其存入儲(chǔ)能電容中，存儲(chǔ)的能量經(jīng)DC/DC變化后作為MCU的能量；引信接收到裝定信息后，送入調(diào)理電路調(diào)理，調(diào)理后送入CPU解碼得到裝定信息并進(jìn)行存儲(chǔ)。彈藥發(fā)射后引信根據(jù)存儲(chǔ)的裝定信息在目標(biāo)處輸出發(fā)火信號(hào)，點(diǎn)爆彈藥摧毀目標(biāo)。

圖1 總體設(shè)計(jì)框圖

1.2 有線裝定系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

有線裝定裝定器原理框圖如圖2上半部所示?；鹂赜?jì)算機(jī)解算出的裝定信息經(jīng)C8051F310高速單片機(jī)編碼并對(duì)編碼信號(hào)進(jìn)行處理后，加起始位和校驗(yàn)碼，構(gòu)成傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，幀信號(hào)由信息收發(fā)模塊調(diào)制后通過(guò)電纜傳輸給引信。引信電路原理框圖如圖2下半部所示。引信通過(guò)電纜接收到信號(hào)，信號(hào)通過(guò)信息收發(fā)模塊解調(diào)，再由高速單片機(jī)C8051F310解碼得到裝定信息，計(jì)數(shù)器工作，當(dāng)計(jì)到裝定數(shù)據(jù)時(shí)，控制電路根據(jù)記錄的飛行時(shí)間算解的距離窗核查算解的距離是否正確，選擇適當(dāng)作用模式，輸出發(fā)火信號(hào)。

圖2 裝定器原理框圖和引信原理框圖

1.3 有線裝定系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

如圖3所示為裝定器軟件流程圖，首先系統(tǒng)初始化，接收完火控裝定數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，合格再向引信電路發(fā)送裝定信息，不合格繼續(xù)等待下次火控?cái)?shù)據(jù)，裝定器接收引信反饋數(shù)據(jù)，對(duì)反饋數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，不相同繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，如果有連續(xù)5次都不相同，回到等待下次火控?cái)?shù)據(jù)；相同然后判斷是否為泄能信號(hào)，若為泄能則停止工作，若不是泄能則已經(jīng)裝定成功，再轉(zhuǎn)到等待下次火控?cái)?shù)據(jù)到來(lái)。

圖3 裝定器流程圖

如圖4所示為引信軟件流程圖 ，首先系統(tǒng)初始化，引信等待接收裝定器裝定數(shù)據(jù)，接收完向裝定器反饋數(shù)據(jù)，反饋完等待新裝定數(shù)據(jù)，如果有新數(shù)據(jù)，循環(huán)接收數(shù)據(jù)反饋數(shù)據(jù)然后等待的過(guò)程；若引信接收到斷線啟動(dòng)信號(hào)，定時(shí)電路工作，啟動(dòng)充電解保發(fā)火信號(hào)，到目標(biāo)位置處點(diǎn)爆彈藥。

圖4 引信流程圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析設(shè)計(jì)

2.1 可靠性設(shè)計(jì)

2.1.1 以單片機(jī)為核心軟件控制

用軟件控制模式來(lái)代替電路硬件電路控制模式，可以大大簡(jiǎn)化引信系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，同時(shí)硬件對(duì)外界電磁等干擾比較敏感，所以可以用軟件代替硬件的地方盡量用軟件，大大提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

2.1.2 起點(diǎn)信號(hào)確定

起點(diǎn)信號(hào)的確定關(guān)系著整個(gè)引信系統(tǒng)能否正?？煽抗ぷ鳎瘘c(diǎn)信號(hào)不可靠確定破壞了引信的啟動(dòng)特性，導(dǎo)致早炸或誤炸，甚至使系統(tǒng)完全無(wú)法工作，根據(jù)系統(tǒng)特性有三種確定起點(diǎn)信號(hào)的方案。

1) 信號(hào)線檢測(cè)

在彈藥飛離炮口位置的瞬間，信號(hào)線被拉斷，拉斷后，信號(hào)線的波形如圖5所示，信號(hào)線由低電平變?yōu)楦唠娖?，引信電路?dāng)檢測(cè)到這種變化過(guò)程認(rèn)為是起點(diǎn)信號(hào)。

由于信號(hào)線由低電平到穩(wěn)定高電平有個(gè)過(guò)渡過(guò)程，可跳過(guò)這個(gè)過(guò)程再檢測(cè)是否為高電平，若為高電平則為起點(diǎn)信號(hào)，但這個(gè)過(guò)渡過(guò)程不確定，難認(rèn)識(shí)清楚，所以此種起點(diǎn)信號(hào)確定方案不可靠。

2) 電源線檢測(cè)

電源線在彈藥離開(kāi)炮口位置的瞬間由高電平變?yōu)榈碗娖饺鐖D5所示，引信根據(jù)此種變化，判斷彈離開(kāi)炮口，此時(shí)是起點(diǎn)時(shí)刻。

由于意外切斷電源時(shí)，電源線也有這一變化，此種判斷信號(hào)的方案不可靠，會(huì)誤起爆彈藥，帶來(lái)不必要彈藥安全事故。

3) 電源線信號(hào)線共同檢測(cè)

以上兩種方案被否決后，引信可以同時(shí)根據(jù)這兩種信號(hào)變化來(lái)確定發(fā)射起點(diǎn)，當(dāng)電源由高電平變成低電平的同時(shí)檢測(cè)到信號(hào)線為高電平認(rèn)為是起點(diǎn)時(shí)刻。

圖5 起點(diǎn)信號(hào)判斷圖

2.1.3 引信電源設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)使用電容儲(chǔ)能為引信電路提供工作能量，使用如圖6所示的電源電路，電源電容在高過(guò)載下會(huì)瞬時(shí)失電，從而使彈藥瞎火。解決措施：1）使用經(jīng)過(guò)嚴(yán)格篩選后的軍品電容；2）加電路保護(hù)，這樣不至于其中一個(gè)電容出現(xiàn)問(wèn)題就使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法工作。

圖6 引信電源圖

2.2 高精度設(shè)計(jì)

定時(shí)引信采用已經(jīng)過(guò)工廠校核的可編程內(nèi)部振蕩器，裝定器部分的振蕩器采用高精度的晶振電路，用以校準(zhǔn)定時(shí)引信內(nèi)部振蕩器，以保證時(shí)間計(jì)時(shí)精度。若定時(shí)精度有5ms以上的誤差將會(huì)使引信失去作用意義。由于單片機(jī)待自身時(shí)鐘頻率穩(wěn)定后再進(jìn)行校頻才有意義[3]，引信上電后再進(jìn)行校頻。

本系統(tǒng)裝定器主頻為10MHz,定時(shí)器12分頻，每位傳輸數(shù)據(jù)計(jì)數(shù)166次，每幀數(shù)據(jù)為14位，則14位數(shù)據(jù)總時(shí)間為：

設(shè)T1對(duì)應(yīng)的引信時(shí)間為x（已知），T2對(duì)應(yīng)的時(shí)間值為y，可列等式：

2.3 安全性設(shè)計(jì)

2.3.1 保護(hù)電路設(shè)計(jì)

裝定器電源線與信號(hào)線相碰和引信電路電源線與引信信號(hào)線相碰均會(huì)使電路燒壞，從而使整個(gè)系統(tǒng)無(wú)法正常工作。如圖7所示加上電路保護(hù)，無(wú)論裝定器還是引信電路，當(dāng)電源線與信號(hào)線相碰時(shí)均得到了保護(hù)，不會(huì)由于高壓大電流使電路燒毀。

圖7 電路保護(hù)圖

2.3.2 泄能控制

系統(tǒng)上電后，由于各種原因如不需要發(fā)射彈藥，此時(shí)存在兩種可能，信息已經(jīng)裝定，斷電就認(rèn)為是彈藥發(fā)射，就不得不發(fā)射彈藥，這樣就白白浪費(fèi)了彈藥；信息沒(méi)有裝定，但此時(shí)戰(zhàn)士也不敢斷電，由于在緊張激烈的環(huán)境下，戰(zhàn)士可能記不清有沒(méi)有裝定，給戰(zhàn)士帶來(lái)很大的心理負(fù)擔(dān)，能夠泄能后，無(wú)論哪種情況，按下泄能鍵后都可以直接關(guān)斷電源，可以大大提高彈藥的可靠性，節(jié)約了彈藥，保護(hù)了我軍戰(zhàn)士的寶貴生命。

按下泄能按鍵后，裝定器向引信發(fā)送泄能信號(hào)，引信接收到泄能信號(hào)后，關(guān)掉所有中斷，不再有解保發(fā)火信號(hào)。裝定器切斷電源，直到電池能量耗盡。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)上述原理理論基礎(chǔ)，制作了原理樣機(jī)。進(jìn)行了捶擊實(shí)驗(yàn)和定時(shí)精度實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果能滿足指標(biāo)要求。

3.1 電容電壓在高過(guò)載下電壓分析

為考核引信電源在高過(guò)載下能否可靠工作，對(duì)制作的原理樣機(jī)進(jìn)行捶擊實(shí)驗(yàn)。

如圖8所示，4#、5#是采用加保護(hù)電路軍品級(jí)電容的引信，1#、2#、3#是未加電路保護(hù)工業(yè)級(jí)電容的引信，經(jīng)過(guò)比較發(fā)現(xiàn)使用加電路保護(hù)的軍品級(jí)電容的引信作用可靠，相反在高過(guò)載下，未加電路保護(hù)的工業(yè)級(jí)電容的引信會(huì)失效，電容會(huì)瞬時(shí)失電，從而使引信不能可靠工作。

圖8 電容電壓變化圖

3.2 定時(shí)精度實(shí)驗(yàn)

為考察系統(tǒng)定時(shí)精度能否滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，對(duì)制作的原理樣機(jī)進(jìn)行了定時(shí)精度實(shí)驗(yàn)。

原理樣機(jī)通過(guò)鍵盤(pán)輸入裝定數(shù)據(jù)，在噪音為85 dB的環(huán)境下實(shí)驗(yàn)，輸入裝定數(shù)據(jù)后進(jìn)行手動(dòng)拉拔斷線模擬彈藥發(fā)射動(dòng)作，測(cè)得解保發(fā)火信號(hào)如圖9、10所示，解保電壓達(dá)到13.2V，發(fā)火峰峰值電壓為13.4V,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示，定時(shí)精度在正負(fù)3ms以內(nèi)，滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

圖9 解保電壓圖

圖10 發(fā)火電壓圖

表1 時(shí)間引信定時(shí)精度試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

本文研究的有線裝定電子定時(shí)定距引信經(jīng)過(guò)20000g捶擊模擬實(shí)驗(yàn)、定時(shí)精度實(shí)驗(yàn)、-55℃ 120℃的高低溫實(shí)驗(yàn)及實(shí)彈試驗(yàn)驗(yàn)證,是以簡(jiǎn)單的技術(shù)途徑,實(shí)現(xiàn)了較好的炸點(diǎn)控制效果。系統(tǒng)成本低、可靠性高、定時(shí)精度高、安全性好。

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