劉少坤， 閆曉鵬， 郝新紅， 栗 蘋

（北京理工大學(xué)機(jī)電工程與控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jī)的研制、對干擾機(jī)的性能進(jìn)行測試以及進(jìn)行后續(xù)訓(xùn)練。干擾機(jī)的性能需要測試人員進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)才可驗(yàn)證，以往的實(shí)驗(yàn)都是以實(shí)彈發(fā)射來模擬引信的真實(shí)工作過程，這樣的實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)工作過程并且可以實(shí)時顯示干擾機(jī)對引信的干擾效果，從而簡化干擾機(jī)的性能測試，節(jié)省高昂的測試費(fèi)用，雖然其實(shí)驗(yàn)效果不如實(shí)彈測試真實(shí)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。現(xiàn)有的引信模擬系統(tǒng)不能以線饋的方式進(jìn)行引信性能的檢測，同時現(xiàn)有模擬系統(tǒng)只能實(shí)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(jī)進(jìn)行啟動信號和檢波信號的處理，因此不利于后期實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。針對這些問題，本系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)。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(shí)驗(yàn)過程中引信的檢波信號，并借助上位機(jī)進(jìn)行分析處理，為判定干擾機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jī)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(shí)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(shí)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(jìn)行通信，通信距離最大可以達(dá)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(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，排除人員和設(shè)備因素對實(shí)驗(yàn)的影響。

為了最大程度的模擬實(shí)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(shí)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(jìn)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(shí)時顯示在控制器端的液晶屏上，方便測試人員實(shí)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)，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(qiáng)大的外設(shè)能力。同時，本系統(tǒng)偏重于控制，對數(shù)據(jù)運(yùn)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(qiáng)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(yuǎn)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(shí)現(xiàn)對真實(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(jìn)行調(diào)理［3］。

系統(tǒng)采用電阻分壓的方式來實(shí)現(xiàn)對信號幅值的調(diào)整。為了防止負(fù)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(fù)載阻抗的變化，進(jìn)入分壓電路的信號波形會受到負(fù)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(fù)載能力。系統(tǒng)選用兩片AD8544跟隨器來實(shí)現(xiàn)電路阻抗匹配的設(shè)計，從而保證分壓電路免受負(fù)載變化的影響。

模擬器遠(yuǎn)程通信模塊主要用于控制器和模擬器之間的相互通信，實(shí)現(xiàn)控制器對模擬器的遠(yuǎn)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(jī)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(shí)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(jī)對引信檢波信號和啟動信號進(jìn)行后續(xù)處理，需要在實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行標(biāo)定，以統(tǒng)一各設(shè)備之間的時間基準(zhǔn)［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(shí)現(xiàn)對模擬器的遠(yuǎn)程控制，同時實(shí)時顯示每次實(shí)驗(yàn)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(jī)交互界面、擴(kuò)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(yuǎn)程通信模塊主要用于控制器對模擬器的控制，以及部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的回傳等功能，通過對模擬器的遠(yuǎn)程通信模式的分析，選擇RS422 通信協(xié)議。

鍵盤主要用來實(shí)現(xiàn)對模擬器各項(xiàng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示等各項(xiàng)功能的選擇；液晶屏主要用來顯示實(shí)驗(yàn)過程中各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)時顯示，以便于實(shí)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(jī)，借助上位機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力進(jìn)行分析處理，并通過上位機(jī)的人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示和設(shè)置。

圖2 總控功能流程圖

為實(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果查詢、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)輸出等功能。系統(tǒng)開機(jī)后首先進(jìn)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(jìn)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(jìn)行三種操作：引信性能檢測、實(shí)驗(yàn)結(jié)果查詢或者進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并且采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

模擬器在總控系統(tǒng)的控制下進(jìn)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(jìn)行判斷，若為自檢指令則轉(zhuǎn)至故障診斷模塊進(jìn)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(jìn)行處理。

圖3 故障診斷模塊流程圖

圖4 引信遠(yuǎn)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(shí)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(shí)現(xiàn)對真實(shí)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(jī)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(dāng)控制器選擇自檢功能后各故障標(biāo)志位清零，系統(tǒng)各模塊依次進(jìn)行故障檢測，發(fā)現(xiàn)故障后，相應(yīng)的標(biāo)志位置位，系統(tǒng)根據(jù)不同的標(biāo)志位置位情況實(shí)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)未來的發(fā)展方向之一是實(shí)現(xiàn)實(shí)裝引信的全數(shù)字化模擬，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的進(jìn)一步簡化。

［1］ 周忠來，白玉賢，徐清泉，等.引信干擾機(jī)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(shí)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(jī)第二十屆學(xué)術(shù)年會論文集，2010.

［4］ 鐘陪強(qiáng).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.