電子時間引信通用有線裝定系統(tǒng)設(shè)計

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)國防科技重點實驗室，南京 210094）

0 引言

信息化戰(zhàn)爭要求武器系統(tǒng)之間及時地將有用信息進(jìn)行交聯(lián)，以便快速、實時、準(zhǔn)確地打擊目標(biāo)[1]。裝定是時間引信的關(guān)鍵技術(shù)之一，裝定具有無線裝定和有線裝定兩種形式，無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；有線裝定因其結(jié)構(gòu)能夠合理安排，制造工藝簡單且價格便宜，有較高的穩(wěn)定性，功耗很小，適用面廣泛等優(yōu)點，是目前國內(nèi)外裝定的主要手段之一。

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

1 引信有線裝定系統(tǒng)設(shè)計

1.1 有線裝定系統(tǒng)的總體設(shè)計

總體設(shè)計如圖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程：通過探測系統(tǒng)探測目標(biāo)，確定目標(biāo)的參數(shù)送入火控計算機，火控計算機根據(jù)這些數(shù)據(jù)以及預(yù)先輸入的彈丸彈道參數(shù)計算出引信所需的裝定信息，裝定信息經(jīng)火控計算機送入裝定器，裝定信息經(jīng)編碼調(diào)制后通過信息能量發(fā)送模塊通過導(dǎo)線傳輸給即將發(fā)射的彈藥引信，同時裝定器通過導(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能電容中，存儲的能量經(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。彈藥發(fā)射后引信根據(jù)存儲的裝定信息在目標(biāo)處輸出發(fā)火信號，點爆彈藥摧毀目標(biāo)。

圖1 總體設(shè)計框圖

1.2 有線裝定系統(tǒng)電路設(shè)計

有線裝定裝定器原理框圖如圖2上半部所示。火控計算機解算出的裝定信息經(jīng)C8051F310高速單片機編碼并對編碼信號進(jìn)行處理后，加起始位和校驗碼，構(gòu)成傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，幀信號由信息收發(fā)模塊調(diào)制后通過電纜傳輸給引信。引信電路原理框圖如圖2下半部所示。引信通過電纜接收到信號，信號通過信息收發(fā)模塊解調(diào)，再由高速單片機C8051F310解碼得到裝定信息，計數(shù)器工作，當(dāng)計到裝定數(shù)據(jù)時，控制電路根據(jù)記錄的飛行時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。

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

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)等待下次火控數(shù)據(jù)，裝定器接收引信反饋數(shù)據(jù)，對反饋數(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，回到等待下次火控數(shù)據(jù)；相同然后判斷是否為泄能信號，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)到等待下次火控數(shù)據(jù)到來。

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)然后等待的過程；若引信接收到斷線啟動信號，定時電路工作，啟動充電解保發(fā)火信號，到目標(biāo)位置處點爆彈藥。

圖4 引信流程圖

2 關(guān)鍵技術(shù)分析設(shè)計

2.1 可靠性設(shè)計

2.1.1 以單片機為核心軟件控制

用軟件控制模式來代替電路硬件電路控制模式，可以大大簡化引信系統(tǒng)電路的復(fù)雜性，同時硬件對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 起點信號確定

起點信號的確定關(guān)系著整個引信系統(tǒng)能否正常可靠工作，起點信號不可靠確定破壞了引信的啟動特性，導(dǎo)致早炸或誤炸，甚至使系統(tǒng)完全無法工作，根據(jù)系統(tǒng)特性有三種確定起點信號的方案。

1) 信號線檢測

在彈藥飛離炮口位置的瞬間，信號線被拉斷，拉斷后，信號線的波形如圖5所示，信號線由低電平變?yōu)楦唠娖剑烹娐樊?dāng)檢測到這種變化過程認(rèn)為是起點信號。

由于信號線由低電平到穩(wěn)定高電平有個過渡過程，可跳過這個過程再檢測是否為高電平，若為高電平則為起點信號，但這個過渡過程不確定，難認(rèn)識清楚，所以此種起點信號確定方案不可靠。

2) 電源線檢測

電源線在彈藥離開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，判斷彈離開炮口，此時是起點時刻。

由于意外切斷電源時，電源線也有這一變化，此種判斷信號的方案不可靠，會誤起爆彈藥，帶來不必要彈藥安全事故。

3) 電源線信號線共同檢測

以上兩種方案被否決后，引信可以同時根據(jù)這兩種信號變化來確定發(fā)射起點，當(dāng)電源由高電平變成低電平的同時檢測到信號線為高電平認(rèn)為是起點時刻。

圖5 起點信號判斷圖

2.1.3 引信電源設(shè)計

本設(shè)計使用電容儲能為引信電路提供工作能量，使用如圖6所示的電源電路，電源電容在高過載下會瞬時失電，從而使彈藥瞎火。解決措施：1）使用經(jīng)過嚴(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電容出現(xiàn)問題就使整個系統(tǒng)無法工作。

圖6 引信電源圖

2.2 高精度設(shè)計

定時引信采用已經(jīng)過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)定時引信內(nèi)部振蕩器，以保證時間計時精度。若定時精度有5ms以上的誤差將會使引信失去作用意義。由于單片機待自身時鐘頻率穩(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,定時器12分頻，每位傳輸數(shù)據(jù)計數(shù)166次，每幀數(shù)據(jù)為14位，則14位數(shù)據(jù)總時間為：

設(shè)T1對應(yīng)的引信時間為x（已知），T2對應(yīng)的時間值為y，可列等式：

2.3 安全性設(shè)計

2.3.1 保護(hù)電路設(shè)計

裝定器電源線與信號線相碰和引信電路電源線與引信信號線相碰均會使電路燒壞，從而使整個系統(tǒng)無法正常工作。如圖7所示加上電路保護(hù)，無論裝定器還是引信電路，當(dāng)電源線與信號線相碰時均得到了保護(hù)，不會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，這樣就白白浪費了彈藥；信息沒有裝定，但此時戰(zhàn)士也不敢斷電，由于在緊張激烈的環(huán)境下，戰(zhàn)士可能記不清有沒有裝定，給戰(zhàn)士帶來很大的心理負(fù)擔(dān)，能夠泄能后，無論哪種情況，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，引信接收到泄能信號后，關(guān)掉所有中斷，不再有解保發(fā)火信號。裝定器切斷電源，直到電池能量耗盡。

3 實驗驗證

根據(jù)上述原理理論基礎(chǔ)，制作了原理樣機。進(jìn)行了捶擊實驗和定時精度實驗，實驗結(jié)果能滿足指標(biāo)要求。

3.1 電容電壓在高過載下電壓分析

為考核引信電源在高過載下能否可靠工作，對制作的原理樣機進(jìn)行捶擊實驗。

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

圖8 電容電壓變化圖

3.2 定時精度實驗

為考察系統(tǒng)定時精度能否滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求，對制作的原理樣機進(jìn)行了定時精度實驗。

原理樣機通過鍵盤輸入裝定數(shù)據(jù)，在噪音為85 dB的環(huán)境下實驗，輸入裝定數(shù)據(jù)后進(jìn)行手動拉拔斷線模擬彈藥發(fā)射動作，測得解保發(fā)火信號如圖9、10所示，解保電壓達(dá)到13.2V，發(fā)火峰峰值電壓為13.4V,實驗數(shù)據(jù)如表1所示，定時精度在正負(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 時間引信定時精度試驗數(shù)據(jù)表

4 結(jié)論

本文研究的有線裝定電子定時定距引信經(jīng)過20000g捶擊模擬實驗、定時精度實驗、-55℃ 120℃的高低溫實驗及實彈試驗驗證,是以簡單的技術(shù)途徑,實現(xiàn)了較好的炸點控制效果。系統(tǒng)成本低、可靠性高、定時精度高、安全性好。

[1] 馬少杰,張合,李長生,石磊. 火箭彈引信電磁感應(yīng)裝定仿真分析[J]. 探測控制學(xué)報,2008,4(30)： 68-72.

[2] 王穎翌. 基于金屬管殼的引信信息交聯(lián)技術(shù)研究[D]. 南京：南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院,2007.

[3] 陳祖安,易躍生. 身管炮膛內(nèi)有線裝定引信構(gòu)想[J]. 火炮發(fā)射與控制學(xué)報,2008,12(4)： 5-8.