一種高可靠數據傳輸接收機的研制

慕福順

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

分布式武器系統體系結構是按系統功能分割的原則把系統劃分為若干相對獨立的模塊，這些處于不同地理位置的功能單元通過通信設備和線路連接起來，相互協同形成一個整體，實現資源共享，并通過功能完善的數據融合與指揮控制軟件，合理地將目標分配給各武器單元。分布式武器系統要完成探測發現進而摧毀敵方目標的任務，必須建立可靠的互聯互通。

分布式武器系統因數據傳輸系統傳輸速率的限制，使被控設備在隨動過程中容易出現抖動，本數傳接收機采用插值補償技術，通過速度插值補償，在同樣的傳輸速率下很好解決了平穩隨動問題。

2 數據傳輸接收機系統構成與主要特點

2.1 系統構成

數據傳輸接收機主要由:CPU單元、通信控制電路、通信接口電路、火力系統狀態接口、數字插值電路、方位/射角同步機輸出電路、方位/射角前饋輸出電路、電源電路等幾部分組成(見圖1)。

CPU單元以87C51單片機為核心構成，實現通訊模式控制、模擬航路產生、武器系統狀態的檢測和控制命令的輸出等功能;通信控制與接口電路用于完成通信模式的選擇和控制，實現系統間的電氣隔離;狀態接口電路用于輸出武器系統射擊控制等開關指令，并檢測武器系統的狀態反饋信號(武器系統工作狀態及故障情況);插值電路是根據目標的運行速度，對接收的武器系統位置進行插值處理，以消除兩次輸出角度間的階躍，使輸出位置的步進角不大于一個量化單位，以保證武器系統的平穩跟蹤;同步機輸出電路的功能是將數字量的位置數據轉換成火力系統受信儀要求的同步機信號。前饋速率電路的作用是將火控系統給定的武器系統方位、射角數字前饋量變換為對應的模擬電壓輸出，作為武器系統跟蹤的速度前饋量送入武器系統隨動系統;電源電路產生系統工作所需的各種電壓。

圖1 數傳接收機組成框圖

2.2 主要特點

數據傳輸接收機的主要特點包括:

a.無抖動的隨動特性

合理的插值方法的采用，使數據通訊接收機輸出的同步機位置信號在每個周期內的步進量不大于1/2量化單位(0.046mil)，從而完全消除了火炮隨動時的抖動現象，提高了系統的跟蹤精度。

b.優良的電隔離能力

數據通訊系統內的所有設備與傳輸線路之間均為完全電隔離連接，不僅消除了武器系統與火控系統之間的相互干擾，而且能有效防止外界環境對系統的干擾、破壞，使此系統能較好地用于惡劣的野戰環境中。

c.兼容性

系統具有非常好的兼容性。此數傳接收機能和多種火控系統、火力系統兼容，已通過與兩種型號火控系統、兩種型號火炮、一種型號導彈等的配套試驗，均能很好配套使用。

d.模擬器功能

數據通訊接收機自帶模擬器功能，可產生5條標準模擬航路。極大地方便了系統的應用，使得在不與火控系統連接的情況下，不必增加任何輔助設備，即可定量檢查武器系統的基本參數。當需要對武器系統的性能及工作狀態進行測試時，隨時可以通過面板上的選擇開關選擇不同參數的幾種模擬運動曲線，直接由接收機產生幾種(如直線、盤旋等)模擬航路，即可以進行武器系統的檢測和訓練。

e.良好的結構設計

內框架全懸浮式的結構設計，極大地消除了外部的振動對內部電路的影響，滿足了強振動條件下的使用要求;正確的冷卻方法的選擇和自循環風道設計，在保證組合密封性能的前提下，較好地解決了系統的散熱問題。

f.模塊化設計

采用模塊化、標準化的設計技術，各單元電路均根據功能進行劃分，同功能模塊之間的接口保持一致，以方便互換;軟件設計同樣采用模塊化設計技術，系統程序則由各程序模塊鏈接而成。當用于不同的武器系統時，只需修改系統的軟件，或對部分電路模塊進行簡單更換即可。

3 數據傳輸接收機設計

3.1 隨動平穩性問題

由于數據通訊系統傳輸的是數字信號，且受傳輸速率的限制，有可能使系統不穩定或產生爬行現象，因此必須在兩次采樣數據之間進行插值處理，否則系統的跟蹤精度難以保證。另外，當火控系統與武器系統的數制不同，特別是某一方為非2的整數次冪時，還需要對傳輸的數據進行數制轉換。例如，由于某火控系統輸出的位置量為16位滿模的自然二進制數，而武器單元隨動系統的粗精速比為1∶20，所以必須首先進行數制轉換后才能將其分為粗、精數據，此時高位的粗通道位置數據為非自然二進制數，但由于D/S模塊的輸入要求的是自然二進制數，因此要再將粗數字值再變換為自然二進制數，之后才能將其送入D/S模塊。由于在幾次數制轉換之間還要進行插值處理，因此需要進行特殊考慮，并要設計特殊的電路。

在插值處理時，由于火控系統的精粗速比為32，產生的角位置量輸出為16位自然二進制碼，而武器系統隨動系統的精粗比為20，其結果不能用滿模的自然二進制數表示，也就是說火控輸出的低11位數字僅表示11.25°，如果將此數據直接輸入精D/S模塊，最大時應代表18°，因此必須將火控輸出的16位自然二進制數按40960的模進行換算。計算公式如下:

式中:NR為火控輸出數據;NG為滿模為40960的16位數據。

根據上式得到的數據的低位可以作為精D/S模塊的輸入，但高位已變成非自然二進制數，如果要將其作為粗D/S模塊的輸入，須再將此高位數變為自然二進制碼，計算公式如下:

式中:NC為粗D/S的輸入數據;N為粗D/S的有效位數。

上式優化后得粗D/S輸入數據的計算公式為:

圖2 插值電路原理框圖

通過以上運算雖然將火控輸出位置量變為武器系統的粗、精D/S模塊的輸入值，但如前所述，由于受數據通訊系統的傳輸率的限制，必須按火控給定的目標運動速度對位置輸出數據進行插值處理，以使送入D/S模塊的數據的變化盡量小，否則就會產生較大的動態誤差，甚至引起系統的振蕩。

數據通訊接收機的插值處理采用如圖2所示的特殊方式。

首先進行數制轉換，然后將變換后的粗精各12位自然二進制角位置量作為插值計數器的初始值送入插值計數器，粗精插值計數器則根據不同的頻率進行插值。因為火控系統輸出的是量化單位為360°/217的12位二進制碼，它表示 40ms內武器系統轉動的角度，因而可表示的最大速度量為281.25°/S。從而得到如下的插值頻率計算公式:

式中:NV為火控給定的速率值;fCC為粗插值計數頻率;fFC為精插值計數頻率。

實際電路是由頻率源產生fC的脈沖信號，經12位系數乘法器后得到精插值計數頻率fFC，再經20分頻產生fCC，然后分別以fFC、fCC作為精粗插值計數器的計數脈沖，則完成了位置量的插值處理。另外，為消除因插值產生的積累誤差，插值計數器的初值每個采樣周期均重新裝定。插值電路原理如圖2所示。

3.2 電氣隔離與抗干擾

基于具備完善自保功能的MAX1480B構成的完全電隔離通訊接口電路可有效避免火力系統對火控系統的沖擊干擾，同時避免惡劣環境條件下系統遭受雷電等破壞的可能，也可以防止輸出短路、電源過載等故障對電路造成的損壞。

3.3 通訊控制

為擴大產品的適用范圍，使數傳接收機能和采用多種通訊協議的數傳發送機連接，選用模式可編程的串行通信控制器(SCC)Intel82530構成通訊接口。Intel 82530串行通信控制器是一種雙通道、多規程數據通信接口，原理框圖如圖3所示，片內包括波特率發生器、數字鎖相環、各類數據編碼和譯碼方法及晶體振蕩器。另外，利用其診斷能力——自動回報和本地返回環路使用戶能夠檢測和隔離網絡內的故障。使用Intel 82530串行通信控制器，極大地改善了系統的有效性，并提高了系統的故障隔離能力。

3.4 前饋速度補償

前饋輸出電壓由D/A轉換器產生，經隔離放大器放大后饋入武器系統。D/A轉換器用10位數模轉換器AD7522KD。

前饋電壓的計算方法為:

式中:NV為火控給定的速率值;Vmax為最大前饋速度;fZ為數據傳輸幀頻率。

3.5 結構設計

數據傳輸接收機的基本結構為三層嵌套密封框架?；就庑腿鐖D4所示。內層為電路插件安裝框，內層與中間層采用固定連接;中間層為減震層，中間層與外層之間采用全懸浮式連接，上、下、左、右和后板通過10個減震器與外層框架連接，以充分吸收震動對系統電路的影響;外層采用全密封結構，以實現其密封防雨的要求;整個接收機通過底部的4個減震器與油機單元連接，以進一步解決抗震性;在采用密封結構后，通過合理的風道設計解決電路元件的散熱問題，由風機產生循環風，在接收機組合內形成優良的小環境。試驗已經證明此種結構設計較好地解決了數據通訊接收機的抗震、密封和通風散熱問題。

4 結論

本文介紹的數據傳輸接收機已在某型號產品中得到應用，經過多次靶場實戰使用，完全滿足設計指標要求，達到了預期的目標，取得了良好的實戰效果，在類似的分布式武器系統中完全可以作為數據信息傳遞的一種方法和手段。

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