一種靶場(chǎng)新型遙測(cè)發(fā)射機(jī)的研制

引言

遙測(cè)系統(tǒng)是導(dǎo)彈、衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)等飛行器在試驗(yàn)和運(yùn)行過(guò)程中不可缺少的重要支持系統(tǒng)，提供飛行器的工作狀態(tài)參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和其他載荷的測(cè)量數(shù)據(jù)，可為檢驗(yàn)飛行器的性能及故障分析提供依據(jù)。遙測(cè)設(shè)備分為遙測(cè)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分，現(xiàn)有設(shè)備一般通過(guò)采用可修改的EEPROM來(lái)改變遙測(cè)信號(hào)源和幀結(jié)構(gòu)，本文提出采用通用計(jì)算機(jī)可視化修改，參數(shù)存儲(chǔ)于系統(tǒng)內(nèi)部的微控制器(MCU)中，使設(shè)備更具標(biāo)準(zhǔn)化和通用性；同時(shí)，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)集成實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩存、組幀、脈沖編碼調(diào)制(PCM)、數(shù)據(jù)速率連續(xù)可變和FM調(diào)制，使系統(tǒng)效率更高、更可靠。

遙測(cè)發(fā)射機(jī)組成

遙測(cè)發(fā)射機(jī)物理結(jié)構(gòu)如圖1所示，由3個(gè)獨(dú)立的腔體構(gòu)成，腔體之間用長(zhǎng)螺絲連接固定。腔體內(nèi)部橫截面用隔板隔開(kāi)，以隔板為基座正反面安裝模塊。本發(fā)射機(jī)由基帶、電源、變頻、功放濾波4個(gè)模塊組成，各模塊主要功能如下：

·基帶模塊：接收數(shù)據(jù)流，參數(shù)設(shè)置存儲(chǔ)，PCM編碼組幀，碼型變換，可變碼速率時(shí)鐘，F(xiàn)M調(diào)制，D／A變換，中頻濾波。

·電源：提供電源輸入極性保護(hù)，從+28V變換為+12V、+3，3V。

·變頻：信號(hào)依次通過(guò)中頻、射頻上變頻。

·功放濾波：信號(hào)功率放大、濾波后通過(guò)天線發(fā)射。

接口共6個(gè)，包括2個(gè)外部接口、4個(gè)內(nèi)部板間接口，用Jnn編號(hào)(J代表接口，n為各模塊序號(hào)，nn表示連接的模塊：增加序號(hào)O表示外部系統(tǒng))。2+LED指示燈中紅色LED用于電源指示，綠色LED用于工作指示。

各接口主要功能說(shuō)明如下：

TOl：集成了外部系統(tǒng)給本系統(tǒng)的供電、數(shù)據(jù)和設(shè)置接口。位于正面。對(duì)內(nèi)拆分為電源接口(J01—power)連接電源模塊，數(shù)據(jù)接口(J01data)、設(shè)置接口(J01_set)連接基帶模塊。

T04：本系統(tǒng)射頻信號(hào)傳輸至天線的接口。

J12：基帶模塊與電源模塊之間的接口。電源模塊提供給基帶模塊3，3V電源：基帶模塊通過(guò)電源模塊統(tǒng)一給變頻模塊的串口控制接口。

J13：基帶模塊與變頻模塊之間的接口。基帶板輸出的中頻信號(hào)。

J234：電源模塊、變頻模塊、功放濾波模塊之間的電源和數(shù)據(jù)綜合接口。電源模塊提供+12V、+5V輸出，以及集成的基帶模塊給變頻模塊的串口控制接口。

J34：變頻模塊與功放濾波模塊之間的接口。變頻模塊輸出射頻信號(hào)給功放濾波模塊，然后通過(guò)天線發(fā)射。

硬件設(shè)計(jì)

基帶模塊按功能分為10個(gè)功能單元，如圖2所示，方框?yàn)楣δ軉卧忼X框?yàn)榻涌凇CU~FPGA為核心器件，其他為與之配套的外圍器件。

MCU

MCu功能單元是系統(tǒng)的控制、參數(shù)設(shè)置存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)復(fù)接單元。與計(jì)算機(jī)連接，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、存儲(chǔ)，采集系統(tǒng)狀態(tài)供計(jì)算機(jī)查詢：與數(shù)據(jù)接口連接，接收GPS(全球定位系統(tǒng))陀螺數(shù)據(jù)，根據(jù)設(shè)置復(fù)接數(shù)據(jù)，然后通過(guò)高速I／0口并行傳輸給FPGA單元進(jìn)行后續(xù)處理。

本設(shè)計(jì)選用Atmel公司的新一代芯片ATxmega32A4，為片內(nèi)資源豐富的單芯片解決方案。其16位實(shí)時(shí)時(shí)鐘及其鎖相環(huán)可提供2kHz～32MHz的校準(zhǔn)時(shí)鐘，保證了系統(tǒng)高效和穩(wěn)定；4通道DMA、5個(gè)UART、2+1C、2+s PI提供了系統(tǒng)豐富的內(nèi)外部接口；32kB+4kB的Flash(閃存)、lkB的EEPROM、4kB的SRAM保證了程序的運(yùn)行空間和參數(shù)存儲(chǔ)。AES／DES加密、8通道事件系統(tǒng)、I／O管腳均可產(chǎn)生中斷、可編程看門(mén)狗保證了系統(tǒng)效率和可靠性。

RS232，422電平轉(zhuǎn)換

RS232功能單元是與計(jì)算機(jī)的設(shè)置接口，把通用計(jì)算機(jī)的232電平串口轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平的UART信號(hào)、RS422功能單元接收外部的GPS陀螺儀等遙測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)，然后連接MCU功能單元。采用422電平，傳輸距離更遠(yuǎn)，可靠性更高。

由于需要小型化和低功耗，因此232接口芯片選擇Maxim公司的MAX3245EEAI+，外部只需要4個(gè)0.1uF電容即可工作。并且5個(gè)接收端口提供自動(dòng)關(guān)斷脈沖控制和在低功耗模式下喚醒工作。Maxim公司的MAX3098EBEEE芯片f兼容RS422／485電平)提供3路高速差分輸入，可對(duì)輸入信號(hào)做開(kāi)路、短路、無(wú)信號(hào)、信號(hào)超范圍檢測(cè)并給出警報(bào)信號(hào)，且3路警報(bào)信號(hào)可邏輯或輸出和設(shè)置延遲。以上優(yōu)點(diǎn)有助于高效可靠和智能地完成上位機(jī)控制、GPS陀螺儀的數(shù)據(jù)接收和監(jiān)測(cè)。

高穩(wěn)溫補(bǔ)晶振

由于遙測(cè)發(fā)射機(jī)一般工作在飛行器上，受環(huán)境溫度影響較大，整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)鐘源必須在不同溫度下保持恒定。同時(shí)，優(yōu)異的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度有利于遙測(cè)接收機(jī)同步接收。因此，系統(tǒng)必須選擇在寬溫度范圍下帶溫度補(bǔ)償、高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度的晶振。而Maxim公司的DS4026S+PCN-在40—+8s℃范圍內(nèi)提供±lppm穩(wěn)定度的時(shí)鐘，20年內(nèi)最大±4.6ppm偏差。并且通過(guò)12C總線數(shù)字控制至少±8ppm的基準(zhǔn)頻率校正。另外，提供的對(duì)稱上升下降時(shí)間的CMOS方波輸出可以減少整形芯片的需求。特別地，通過(guò)此芯片內(nèi)建的分辨率為0.0625℃的溫度傳感器，可提供實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)控。

FPGA及其配置

FPGA功能單元是系統(tǒng)的核心處理單元。通過(guò)高速并行I／O口從MCU獲取數(shù)據(jù)，按計(jì)算機(jī)設(shè)置的參數(shù)進(jìn)行組幀、碼型變換、產(chǎn)生連續(xù)可變的碼速率、FM調(diào)制。芯片選擇AItera公司的EP2C5，包含的2個(gè)鎖相環(huán)、8個(gè)全局時(shí)鐘足夠系統(tǒng)時(shí)鐘應(yīng)用，4J608個(gè)邏輯單元、1 19808bits(位)的RAM、13個(gè)18×18硬件乘法器，滿足程序存儲(chǔ)和運(yùn)算空間。與FPGA配套的程序存儲(chǔ)器ROM，采用JTAG的菊花鏈與FPGA連接，上電時(shí)程序從ROM裝入FPGA中。芯片選擇EPCS4S18N，容量為4Mbits。

特別地，在將來(lái)設(shè)備功能需要增強(qiáng)時(shí)，僅需更改4個(gè)管腳即可升級(jí)到同封裝的更高性能的EP2C8，使性能提高約50％。

電源

電源模塊提供+3.3V電源，基帶模塊再把+3.3V轉(zhuǎn)換為給FPGA的核心供電的+1.2V。芯片選擇EZ1117.ADT。其輸入范圍為+2，65V到+7，0V，輸出設(shè)置為+1.2V。

D／A、放大及其濾波

D／A功能單元對(duì)PPGA輸出的FM調(diào)制信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，然后放大，經(jīng)中頻帶通濾波輸出給射頻發(fā)射。D／A芯片選擇ADI公司的AD9744ARU，提供14位分辨率，差分輸出，速率達(dá)210MSPs。放大器芯片選擇ADI公司的AD8132AR，提供一3dB帶寬350MHz、1200V／us轉(zhuǎn)換速率，并可通過(guò)電阻值比改變?cè)鲆妗２捎肦LC網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)帶通濾波。

軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括運(yùn)行在通用計(jì)算機(jī)上的設(shè)置和查詢上位機(jī)程序、MCU程序、FPGA程序。功能框圖如圖3所示。

圖3中，無(wú)色方框部分為硬件單元，在硬件設(shè)計(jì)中完成。

參數(shù)設(shè)置，查詢軟件

作為人機(jī)界面，上位機(jī)設(shè)置查詢軟件運(yùn)行于通用計(jì)算機(jī)上，由VC++語(yǔ)言編寫(xiě)。通過(guò)串口與MCU軟件通信，完成系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置和查詢。軟件主要包括設(shè)置接口、數(shù)據(jù)接口協(xié)議設(shè)置，射頻頻點(diǎn)參數(shù)設(shè)置，數(shù)據(jù)率、遙測(cè)數(shù)據(jù)幀格式、碼型、FM調(diào)制等信源信道參數(shù)設(shè)置。軟件界面如圖4所示。

“連接發(fā)射機(jī)”按鈕：點(diǎn)擊此按鈕，上位機(jī)軟件將嘗試通過(guò)不同的串口速率與MCu軟件通信，速率匹配后，MCU按新接收的串口參數(shù)重新設(shè)置，實(shí)現(xiàn)FM發(fā)射機(jī)設(shè)置接口本身自適應(yīng)、可設(shè)置。

“參數(shù)設(shè)置”按鈕：把選擇的參數(shù)下載到MCU中。當(dāng)接收到MCU的反饋信息時(shí)，提示參數(shù)設(shè)置成功。

“參數(shù)查詢”按鈕：查詢保存于MCU的系統(tǒng)參數(shù)，可以此為基礎(chǔ)進(jìn)行修改，或者查詢當(dāng)前設(shè)置是否與需求一致。

MCU軟件

MCu軟件為系統(tǒng)的管理核心，控制和監(jiān)測(cè)各部分工作。MCu軟件與上位機(jī)通信，完成參數(shù)的更新和狀態(tài)的可視化顯示；與GPS、陀螺儀等外設(shè)連接，復(fù)接處理遙測(cè)數(shù)據(jù)：與FPGA連接，把數(shù)據(jù)傳輸給FPGA進(jìn)行遙測(cè)組幀、碼型變換、FM調(diào)制。同時(shí)，MCu軟件還承擔(dān)系統(tǒng)的可靠性控制和故障恢復(fù)。軟件流程圖如圖S所示。

FPGA軟件

FPGA軟件為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理核心，完成數(shù)據(jù)的緩沖及其管理，通過(guò)接收的參數(shù)靈活設(shè)置遙測(cè)組幀、PCM編碼、FM調(diào)制，以及通過(guò)數(shù)控振蕩器(NCO)產(chǎn)生連續(xù)可變的數(shù)據(jù)率時(shí)鐘。FPGA=，力能框圖如圖6所示。

參數(shù)接收子模塊一次性接收所有參數(shù)，并按組輸出給后端子模塊。在參數(shù)接收開(kāi)始和結(jié)束時(shí)，把FPGA的接收狀態(tài)反饋給MCU。

數(shù)據(jù)接收子模塊接收到GPS、陀螺儀等設(shè)備的數(shù)據(jù)后，經(jīng)幀校驗(yàn)、緩沖，然后以幀為單位連續(xù)發(fā)送給后續(xù)遙測(cè)組幀子模塊。

組幀子模塊根據(jù)參數(shù)模塊的遙測(cè)幀格式參數(shù)，把數(shù)據(jù)子模塊的數(shù)據(jù)組幀，然后連續(xù)發(fā)送給后續(xù)PCM編碼子模塊。

PCM子模塊根據(jù)編碼波形格式選取匹配時(shí)鐘，從組幀子模塊讀取數(shù)據(jù)，經(jīng)編碼波形變換后，以系統(tǒng)要求的數(shù)據(jù)速率輸出給后續(xù)FM調(diào)制子模塊發(fā)射。

FM子模塊用20MHz載波，把PCM子模塊輸出的碼片流以最佳調(diào)制度，調(diào)制輸出給后續(xù)D／A子模塊。

時(shí)鐘子模塊產(chǎn)生系統(tǒng)需要的各種時(shí)鐘，包含由FPGA內(nèi)建的PLL輸出的時(shí)鐘，由NCO產(chǎn)生的碼速率時(shí)鐘。整機(jī)性能測(cè)試

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，研制了一套遙測(cè)發(fā)射機(jī)樣機(jī)。經(jīng)過(guò)詳細(xì)調(diào)試后，對(duì)樣機(jī)整機(jī)性能進(jìn)行全面測(cè)試。測(cè)試連接框圖如圖7所示。

為反映整個(gè)設(shè)計(jì)頻段的性能，測(cè)試時(shí)，設(shè)置發(fā)射頻率為2200，5MHz、2225.5 MHz、2250.SMHz、2275.5MHz、2300.5MHz共5個(gè)頻點(diǎn)。測(cè)試相關(guān)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)如表1所示。

由表1可見(jiàn)，在全頻段2200.5MHz～2300.5MHz內(nèi)，整機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均符合遙測(cè)發(fā)射機(jī)的技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)。結(jié)語(yǔ)

在本文中設(shè)計(jì)了一種新型的智能化一體化遙測(cè)發(fā)射機(jī)。通過(guò)運(yùn)行在通用計(jì)算機(jī)上的人機(jī)界面，可對(duì)遙測(cè)發(fā)射機(jī)的所有參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、查詢和系統(tǒng)監(jiān)控，具有最大限度的智能和靈活性。硬件以小型化低功耗為指導(dǎo)，在滿足系統(tǒng)性能基礎(chǔ)上留出一定的性能擴(kuò)展余量，注重可靠性和可維護(hù)性。軟件設(shè)計(jì)采用軟件無(wú)線電體制，只用一片F(xiàn)PGA集成實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)接收組幀、PCM編碼、數(shù)據(jù)速率連續(xù)可變、FM調(diào)制的所有功能。