基于 DSP的無線電引信起爆控制技術(shù)研究?

范志應(yīng),趙河明,2,呂昊暾,馬 睿,高麗軍

(1.山西北方惠豐機(jī)電有限公司,山西長治 046012;2.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,山西太原 030051;

3.北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京 100191）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,可編程器件的出現(xiàn)及其日益成熟的發(fā)展為提高武器系統(tǒng)的智能化程度創(chuàng)造了條件,從進(jìn)行簡單邏輯判斷的器件到單片機(jī),再到 DSP的出現(xiàn),其處理信息的能力和速度都發(fā)生著質(zhì)的變化.DSP在制導(dǎo)武器核心控制部分中已經(jīng)有了較為廣泛的應(yīng)用,而在常規(guī)武器如炮彈中的應(yīng)用則處于起步階段,但其發(fā)展趨勢已經(jīng)十分明確[1].由于傳統(tǒng)的無線電引信采用的是模擬器件組成起爆控制電路,雖然加入了過增幅限制等抗干擾措施,但對干擾信號的識別能力仍然存在缺陷,致使引信的早炸率偏高,DSP系統(tǒng)和數(shù)字信號處理技術(shù)在引信中的應(yīng)用將會以程序控制的方式來提高系統(tǒng)的抗干擾能力,對滿足起爆條件的目標(biāo)信號的要求更加嚴(yán)格,使引信抗干擾性能得到顯著提高[2].

采用數(shù)字信號處理技術(shù)對目標(biāo)信號進(jìn)行檢測與分析,可以提高系統(tǒng)的抗干擾能力,有效抑制隨機(jī)干擾和人為干擾所造成的引信的誤動作;使用 DSP系統(tǒng)對引信進(jìn)行起爆控制,可以增強(qiáng)系統(tǒng)對目標(biāo)信號的識別能力,控制最佳起爆時機(jī)[3-4],達(dá)到對目標(biāo)的最大毀傷效果;DSP系統(tǒng)方便可靠的控制功能使點(diǎn)火電容充電的安全時間控制和自毀時間控制等更加精確可靠,很大程度上簡化了引信電路,提高了引信系統(tǒng)可靠性.

1 總體實現(xiàn)方案

無線電引信的電路功能模塊主要由高頻探測、濾波放大、整流積分、增幅速率選擇和適時起爆等模塊組成[5-6],在無線電引信中引入 DSP系統(tǒng),其功能模塊中的高頻部件、安全系統(tǒng)、電源等環(huán)節(jié)都不作改動,只對引信的低頻處理電路應(yīng)用 DSP系統(tǒng)替代,縮短了研發(fā)周期,DSP芯片功能的日益強(qiáng)大和數(shù)字信號處理技術(shù)的發(fā)展完善使在普通炮彈中應(yīng)用 DSP系統(tǒng)的方法逐漸具有了通用性[7].

C2000系列 DSP是 TI公司(美國德州儀器公司)的 TMS320系列 DSP的三大主流產(chǎn)品之一,主要針對工業(yè)應(yīng)用提供的高性能和高代碼效率控制器[8].C2000系列數(shù)字信號處理器在提供通用處理器性能的同時,將微控制器 (MCU)豐富的集成外設(shè)與 TI領(lǐng)先的 DSP技術(shù)融合在一起,其中外設(shè)包括大容量Flash存儲器、快速 A/D轉(zhuǎn)換器和穩(wěn)定的 CAN控制器模塊等.利用 TI公司低成本、高集成度的 C2000強(qiáng)大控制器平臺,開發(fā)人員可以在降低系統(tǒng)成本的同時提高產(chǎn)品性能,并能快速地投向市場.

目前可用于引信數(shù)字信號處理的芯片主要有單片機(jī)、可編程邏輯器件 (CPLD/FDGA)和數(shù)字信號處理器 (DSP)等.單片機(jī)的控制接口種類較多,適用于以控制為主的模數(shù)混合系統(tǒng)設(shè)計.CPLD/FPGA使用于計數(shù)、譯碼、鎖存、乘加、編解碼、查表等數(shù)字信號處理運(yùn)算的高速數(shù)字系統(tǒng)中.DSP面向高速、重復(fù)性、數(shù)值運(yùn)算密集型的實時處理,其處理速度比普通微處理器快得多.在成本上略高于單片機(jī)和CPLD.對于功能復(fù)雜處理數(shù)據(jù)量大的引信系統(tǒng)適合應(yīng)用于 DSP作為微處理器.

在引信中引入 DSP芯片,使用 DSP自身集成的 AD轉(zhuǎn)換器對信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,C2000系列的 DSP芯片片內(nèi)集成的 AD轉(zhuǎn)換器最高轉(zhuǎn)換速度為 2M Hz,可以滿足引信低頻信號的采集,而不需外擴(kuò) AD轉(zhuǎn)換器,并且控制時序簡單;將引信信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號以后,在 DSP片內(nèi) RAM區(qū)進(jìn)行緩存,在需要時由 CPU對信號數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取和分析處理,原理框圖如圖1所示.而定時器用來為系統(tǒng)提供各個時間基準(zhǔn),包括點(diǎn)火電容充電時刻和系統(tǒng)自毀時間等.

DSP的 CPU通過 JTAG接口與 TI公司的 CCS開發(fā)環(huán)境相連接,使用 CCS開發(fā)環(huán)境對 DSP進(jìn)行編程調(diào)試和程序下載;使用DSP的 SCI串行外設(shè)連接上位機(jī)和 DSP,當(dāng)程序在 Flash中運(yùn)行時用來觀測特定變量的值,為程序的調(diào)試開發(fā)提供便利.

電平轉(zhuǎn)換過程是將 DSP發(fā)出的0 V～3.3 V的控制指令轉(zhuǎn)換成點(diǎn)火電容充電和點(diǎn)火控制所需要的電平信號.DSP系統(tǒng)的軟件部分以硬件為載體,硬件以軟件為核心,兩者的設(shè)計相互照應(yīng)以達(dá)到最佳效果.

2 硬件結(jié)構(gòu)

T I公司 DSP芯片豐富的外設(shè)使硬件大為簡化,DSP外圍只需連接晶振而不需要任何其它器件,DSP與外圍的接口相對較多,從框圖上可以看出包括 JTAG仿真調(diào)試接口、RS232串行接口、控制指令輸出接口和 AD采樣的信號入口,另外還需要給 DSP提供電源的電源接口.因此在電路板的周邊需要根據(jù)不同接口的特點(diǎn)留出調(diào)試用接口和引信功能接口,而電源接口是兩類接口中都需要擁有的一部分.

DSP供電電源為 3.3 V,在考慮功耗的前提下可以使用普通的三端穩(wěn)壓管來提供,電路簡單,可以不設(shè)計在 DSP系統(tǒng)電路板上,而是在引信原來的基板上,然后通過對應(yīng)的接口將電源送給 DSP.電平轉(zhuǎn)換電路使用比較器實現(xiàn),所占用的空間較小.

3 軟件實現(xiàn)方法

引信 DSP系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括 CPU對 AD轉(zhuǎn)換器、定時器和指令輸出端口的控制,從實用角度分析則是由 CPU對引信信號采集控制、引信工作時序控制和信號分析處理與起爆控制.引信起爆控制程序流程如圖2所示.

引信信號采集由 AD轉(zhuǎn)換器的啟動與停止、數(shù)據(jù)及時讀取并存儲等過程組成,ADC模塊集成在DSP片內(nèi),作為 CPU的一個外設(shè)出現(xiàn),因此對 AD轉(zhuǎn)換器的操作是通過對特定寄存器的讀寫操作來完成的,程序?qū)崿F(xiàn)非常方便,而使用ADC的特定中斷入口來控制AD轉(zhuǎn)換,則可在信號處理的同時同步進(jìn)行后續(xù)信號的采集,提高了程序的執(zhí)行效率.

引信工作時序控制以 DSP定時器的時間為基準(zhǔn),使引信時間控制更加精確可靠,計時定時過程由 DSP的中斷系統(tǒng)來完成,幾乎不會影響其它程序的執(zhí)行.

引信起爆控制的程序包括 AD采樣結(jié)果的平滑濾波、系統(tǒng)噪聲監(jiān)測和信號極值判斷等,信號處理程序?qū)σ艡z測到的目標(biāo)信號進(jìn)行過濾分析,完成了對系統(tǒng)噪聲的測試和目標(biāo)信息的獲取.信號處理方法的合理性直接影響著引信對目標(biāo)攻擊的正確性和精確性.程序編寫的科學(xué)性又直接影響到程序的執(zhí)行效率,使 DSP系統(tǒng)從引信低頻信號中篩選出目標(biāo)有效信息(如信號頻率、振幅、增幅速率等),縮短了引信發(fā)火信號相對于最佳起爆時刻的滯后時間.通過DSP判斷是否滿足彈丸起爆條件,在合適的時機(jī)發(fā)出起爆信號.

4 結(jié) 論

經(jīng)過動態(tài)試驗將 DSP應(yīng)用于無線電引信起爆控制中,采用數(shù)字信號處理技術(shù)對目標(biāo)信號進(jìn)行實時檢測與分析,有效提高了目標(biāo)信息的處理速度和控制準(zhǔn)確度,提高了引信抗干擾能力和適時起爆的可靠性,為引信數(shù)字化改造提供技術(shù)支持.

[1] 錢淵,郭穎.基于 DSP技術(shù)的引信信號處理模塊研究[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報,2006,26(3):269-271.

Qian Yuan,Guo Ying.Research of fuze signal processing modular based on technology of DSP[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2006,26(3):269-271.(in Chinese)

[2] 陳朝暉,郭東敏,張飛鵬.基于 DSP的碰炸優(yōu)先無線電引信信號處理技術(shù)[J].探測與控制學(xué)報,2006,28(4):52-54,57.

Chen Zhaohui,Guo Dongm in,Zhang Feipeng.Impact p rior radio fuze signal p rocessing techno logy based on DSP[J].Journal of Detection&Contro l,2006,28(4):52-54,57.(in Chinese)

[3] 席曉慧,張志杰,王文廉.基于 PIC單片機(jī)的起爆控制系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報,2006(3):89-92.

Xi X iaohui,Zhang Zhijie,Wang W enlian.Detonating contro l system based on PIC MCU[J].2006(3):89-92.(in Chinese)

[4] 席曉慧.基于 DSP的智能引信起爆控制系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計[D].太原:中北大學(xué),2007.

[5] 徐清泉,程受浩.近感引信測試技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1996.

[6] 高峻,王世忠,黃春光.無線電引信檢驗技術(shù)與方法 [M].北京:國防工業(yè)出版社,2006.

[7] 崔占忠,宋世和.近感引信原理[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2004.

[8] 劉和平,嚴(yán)利平.TM S320LF240x DSP結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2003.