硅振蕩器取代石英晶體的遙測采編器

邵森木，苗 軍，蒙美海，盧一喆

（1．機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065；2．西安機電信息研究所，陜西 西安 710065）

0 引言

我國的遙測技術應用始于20世紀50年代，引進了原蘇聯的遙測系統，主要用于導彈測量。20世紀80年代后期，我國開始研制新一代遙測系統，在體制上開始和國際接軌，采用了IRIG標準推薦的標準S頻段和調制體制，即2 200～2 300 MHz和FM／PCM 體制，并生產出了相應型號的設備［1］。兵器遙測由于受常規彈藥高過載（高加速度、高旋轉和高速度）、小尺寸和低成本等因素以及微電子技術發展水平的制約，其遙測彈載設備在研制初期采用S頻段（也可P頻段）FM／FM體制，由于受體積所限S頻段FM／FM體制遙測彈載設備所能測量的遙測通道有限，無法適應常規彈藥的制導化、小型化、信息化和遠程化的新測試需求。為適應新的測試需求常規彈藥遙測系統采用了S頻段PCM／F M體制。采用基于FPGA的PCM采編器的超遠程炮彈遙測系統，在155 mm榴彈炮3—6號裝藥條件下成功對高速串行數字信號進行了測量。采用基于單片機的片上可編程PCM采編器的57 mm口徑炮彈遙測系統在試驗中達到了30 000 g過載，僅對幾路模擬信號進行了測量，無法對高速串行數字信號進行測量。

隨著常規彈藥向信息化方向的進一步發展，彈藥系統變得越來越復雜，體積越來越小，智能化程度越來越高，人們總是希望在真實發射裝藥的條件下利用遙測系統來了解彈丸的氣動特性、制導和慣性裝置的可靠性及彈藥的動態性能［2］。彈道修正引信需要在真實發射裝藥的條件下測量GPS接收機和彈載計算機輸出的高速串行數字信號，以及各種彈道環境測量傳感器給出的模擬信號。為解決基于FPGA的PCM采編器無法適應高動態的發射環境問題，將無線電遙測系統中抗過載能力差的晶體振蕩器用硅振蕩器替代。

1 振蕩器與PCM采編器

1．1 PCM采編器

PCM采編器的基本功能是完成對多路模擬混合信號的數據采集和對快速變化的數字信號進行接收、編碼、形成遙測標準格式的PCM數據流，再送入調頻發射機進行無線發送。信號調理模塊主要為模擬量和總線信號兩種獨立的調理模塊。模擬信號調理器主要完成模擬信號與A／D模數轉換器之間的匹配工作。總線信號模塊通過總線接口電路將彈上串行總線協議（如波特率、數據長度、數據幀頭）送入串行總線解包模塊，采集編碼模塊主要完成對模擬信號的采樣保持、數字量化、數字信號編排和幀同步碼的插入控制、數據合并轉化并形成標準的PCM串行數據流。時鐘振蕩器是產生PCM采編器時序和控制信號的重要組成部分，也是系統中抗高過載的最薄弱環節。

基于單片機的PCM采編器原理框圖如圖1所示，包括：模擬多路選擇器A MUX、A／D變換器、數據存儲器、串行總線數字接口SPI等［3］。它的時鐘振蕩器集成單片機內部，可以承受10 000 g以上的過載，但是受單片機本身資源的限制，無法完成對高速串行數字信號進行接收、編碼、形成遙測標準格式的PCM數據流。

圖1 基于片上系統的PCM采編器原理框圖Fig．1 Schematic of PCM acquisition coder based on SOC

基于FPGA實現的PCM采編器原理框圖如圖2所示。

圖2 基于FPGA的PCM采編器原理框圖Fig．2 Schematic of PCM acquisition coder based on FPGA

基于FPGA實現的PCM采編器具有高速串行數字信號測量能力，但是FPGA本身未集成時鐘振蕩器，PCM采編器須專門設計時鐘源輸入。一般采用晶體振蕩器作為PCM采編器的時鐘源。晶體振蕩器抗過載性能較差，就使得基于FPGA實現的PCM采編器無法承受高過載的沖擊。

1．2 振蕩器

提高結構的抗高過載性能通常有5種技術途徑［4－5］：1）選用高強度材料；2）加大結構承受力部位尺寸；3）改善結構件受力方向及載荷轉移安裝設計，使結構強度高的部位承受高沖擊載荷；4）采用高強度的灌封材料和高密度灌封工藝灌封部件；5）加沖擊減振裝置，降低作用在結構上的載荷。但后幾項對于基于FPGA實現的PCM采編器并不適用，出路在于選用抗高過載器件。

晶體振蕩器是利用具有壓電效應的石英晶體片制成的。這種石英晶體薄片受到外加交變電場的作用時會產生機械振動，當交變電場的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，振動便變得很強烈，這就是晶體諧振特性的反應。它是高精度和高穩定度的振蕩器，被廣泛應用于彩電、計算機、遙控器等各類振蕩電路中，以及通信系統中用于頻率發生器、為數據處理設備產生時鐘信號和為特定系統提供基準信號。晶體振蕩器的典型電源電壓為5 V或3．3 V，功耗比較高，一般在100～300 m W。晶體振蕩器為空封結構，由于晶體薄片必須有振動空間，不能采用塑封等加固措施，所以本身抗過載能力比較差，受沖擊時晶體薄片易損壞而停振，最多能抗8 000 g過載。

硅振蕩器是完全集成的RC振蕩器，是最簡單的時鐘源。這些器件可產生規定頻率的方波，可直接送入微控制器的時鐘輸入。LTC6930硅振蕩器的電源電壓為1．7～5．5 V，工作功耗在0．3～1．5 m W。硅振蕩器并不依賴于機械共振特性來獲得振蕩頻率，而是基于一個內部的RC時間常數，這樣的設計使硅器件對于外部機械作用不敏感，具有與裸硅片相同的抗過載能力，達到2×105g［6］。與傳統振蕩器不同的是，沒有裸露在外的高阻抗節點，這樣使硅振蕩器可以承受更大的濕度和EMI影響。

凌力爾特公司設計和制造門類廣泛的高性能模擬集成電路，擁有先進的硅振蕩器技術，它的固態硅振蕩器或“即時型時鐘”可采用單個電阻器或通過一個SPI或I2C接口輸出一個寬廣的頻率范圍，相比于晶體振蕩器這些易于使用的IC擁有諸多優點，包括頻率可編程性、抗震、小尺寸和低功耗。通用型硅振蕩器可提供1 k Hz～170 MHz的頻率。

LTC6930是凌力爾特公司（Linear Technology Corporation）生產的一個精密低功率硅振蕩器，它的輸出頻率可在32．768 k Hz～8．192 MHz范圍內靈活調整，頻率誤差小于0．09%（在25℃ 時的最大值），啟動時間小于110μs（在所有頻率條件下），1．7～5．5 V單電源操作，105μA典型電源電流（在32 k Hz，V＋＝3 V），490μA 典型電源電流（在8 MHz，V＋＝3 V），典型RMS周期抖動小于0．15%（在 V＋＝3 V）。

2 基于硅振蕩器的PCM遙測采編器

如前所述，LTC6930硅振蕩器在1．7～5．5 V均可正常工作，覆蓋晶體振蕩器的3．3 V或5 V，并且輸入輸出端口完全兼容。因此硅振蕩器可以直接替代晶體振蕩器，不需要改變電路，而具有更高的抗過載能力，更低的工作功耗。

采用可編程邏輯器件FPGA來設計PCM采編器實現對大容量高速串行數據的測量。根據遙測標準GJB21．2 A－92關于碼速率的準確率和穩定度的規定：有用數據在任何時間段內碼速率的實測值與標稱值之差不大于標稱值的1%。碼速率是通過時鐘信號分頻得到的，在FPGA分頻誤差基本為零，因此只要時鐘振蕩器的實測值與標稱值之差不大于標稱值的1%，即時鐘振蕩器的頻率誤差小于等于1%就能滿足遙測標準GJB21．2 A－92關于碼速率的準確率和穩定度的規定。晶體振蕩器頻率穩定度范圍一般為不大于±100 pp m（±0．01%）；硅振蕩器LTC6930的頻率誤差為小于0．09%，比晶體振蕩器約差一個數量級。但是，晶體振蕩器和硅振蕩器LTC6930作為PCM采編器的時鐘源在頻率準確率和穩定度都能滿足GJB21．2 A－92的要求。針對基于FPGA實現的PCM采編器中抗高過載薄弱環節，用LTC6930硅振蕩器替代晶體振蕩器增強器件本身的抗過載能力，使PCM采編器能夠在惡劣環境下可靠工作。

將信號調理模塊和采集編碼模塊裝入超硬鋁制作的鋁盒用發泡材料進行整體灌封，使系統能夠在惡劣環境下可靠工作，灌封后的遙測艙如圖3所示。

圖3 遙測艙灌封后外形圖Fig．3 The shape diagram of telemetering cabin packaged by epoxide resin

3 遙測試驗

在灌封后對信號調理和采集編碼模塊進行了3次23齒馬歇特錘擊試驗。對錘擊試驗過程的編碼器采集的GPS模擬器發送的數據（數據更新率為10 Hz）進行分析得：整個試驗過程GPS數據每隔100 ms更新一次，時間點連貫，沒有丟失任何一包數據。由此得出基于硅振蕩器的PCM遙測采編器能夠承受高沖擊過載。

在122 mm底凹彈GPS遙測靶場飛行試驗中，接收的GPS串行數據包包含有多路信息：幀頭、狀態字、分鐘、秒、日、月、年、維度、經度、高度、速度、軌跡角、北向速度、東向速度、天向速度、水平精度因子、垂直精度因子、收星數、校驗和、結束字。圖4是使用96式122 mm榴彈炮全裝藥發射底凹彈GPS靶場飛行試驗中遙測接收并解算出GPS數據包的部分信息。

圖4 GPS數據包的部分信息Fig．4 Parts of infor mations that the GPS data wrap

圖5 是彈在整個飛行過程中GPS測量的經度、緯度、海拔高度和速度變化曲線，圖中時間軸上的零點表示發射時刻。在試驗中落區工作人員利用遙測數據解算出的GPS串行數據包中最后一包數據中的經緯度，依據這一坐標信息順利地找到了底凹彈的落彈坑。

試驗結果表明：經過改進的無線電遙測系統能夠耐受122 mm底凹彈全裝藥條件下高過載（大于14 000 g）、高旋轉（約13 000 r／min）和強烈沖擊振動的膛內惡劣環境及高速飛行和高旋轉的外彈道環境，同時對模擬信號和數據總線信號進行測量，成功實現了彈道修正引信的多路遙測。

在155 mm底排彈彈道修正引信遙測靶場飛行試驗中，在10號裝藥條件下成功地對模擬信號和彈上計算機給出的數據總線信號進行了測量。圖6是彈在整個飛行過程中溫度變化曲線。

圖5 GPS測量的經度、緯度、海拔高度和速度變化曲線Fig．5 The GPS measure change curve of longitude，degree of latitude，elevation height and speed

圖6 溫度變化曲線Fig．6 The temperature changes curve

4 結論

本文將無線電遙測系統中抗過載能力差的晶體振蕩器用硅振蕩器替代，硅振蕩器適應電源電壓范圍1．7～5．5 V，覆蓋晶體振蕩器的3．3 V或5 V，并且輸入輸出端口完全兼容，因而直接替換而無需改變電路，并且降低了功耗。試驗成功表明：采用該方法的PCM采編器能耐高過載，遙測系統能夠經受全裝藥條件下火炮發射的高動態環境，實現對彈道修正引信模擬信號和數據總線信號的多路遙測。高過載無線電遙測的試驗技術和平臺正在為并將繼續為兵器智能化、信息化彈藥，小型制導武器的發展提供可靠的工程化試驗手段。硅振蕩器可以推廣應用到其他需要使用時鐘振蕩器的高過載領域。

［1］白學勤，解英健．彈載遙測傳輸設備回顧與展望［J］．遙測遙控，2007，28（S0）：21－25．BAI Xueqin，Xie Yingjian．Retrospect and prospect of telemetr y trans mi for r ocket carrier of missile jour nal of telemetry［J］．Journal of Telemetry，Tracking and Comman，2007，28（S0）：21－25．

［2］孫發魚．兵器遙測技術的發展趨勢和展望［J］．計算機測量與控制，2008，16（10）：1 371－1 372．SUN Fayu．Ordnance telemetry develop ment prospect and tendency［J］．Co mPuter Mesurement＆Control，2008，16（10）：1 371－1 372．

［3］紀立紅，蒙美海，邵森木，等．基于片上系統的數據采集編碼器［J］．探測與控制學報，2010，32（6）：30－32．JI Lihong，MENG Meihai，SHAO Senmu，et al．Data acquisition coder based on system on chip［J］．Jour nal of Detection ＆ Control，2010，32（6）：30－32．

［4］王正平．沖擊載荷下減振系統的優化設計［D］．北京：北京理工大學機電工程學院，2002．

［5］《振動與沖擊手冊》編輯委員會．振動與沖擊手冊［M］．北京：國防工業出版社，1992．

［6］徐鵬．裸硅片及芯片的抗高g值沖擊性能［C］／／中國力學學會學術大會．北京：中國力學學會，2007．