多引信協(xié)同起爆用多路裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)及反饋

張大猛，李豪杰，李長(zhǎng)生

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

【信息科學(xué)與控制工程】

多引信協(xié)同起爆用多路裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)及反饋

張大猛，李豪杰，李長(zhǎng)生

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 南京 210094)

針對(duì)多管武器系統(tǒng)近程攔截對(duì)多引信協(xié)同起爆的需求，提出了多路裝定系統(tǒng)及反饋實(shí)現(xiàn)方案，通過(guò)多個(gè)裝定支路對(duì)多發(fā)引信進(jìn)行裝定，完成了多路裝定系統(tǒng)和裝定反饋模塊的軟件和硬件設(shè)計(jì)，通過(guò)數(shù)據(jù)編碼設(shè)計(jì)和流程設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)裝定系統(tǒng)對(duì)多路裝定信息的識(shí)別與反饋。試驗(yàn)表明，多路裝定系統(tǒng)可滿足裝定速率、多引信協(xié)同起爆控制的裝定要求，且各裝定支路互不干擾。

引信；多路裝定系統(tǒng)；編碼；反饋模塊

在現(xiàn)代信息化作戰(zhàn)中，火炮可依靠火控系統(tǒng)信息，通過(guò)裝定器在發(fā)射前或發(fā)射過(guò)程中對(duì)引信進(jìn)行供能以及炮目距離、彈丸飛行時(shí)間以及初速等相關(guān)數(shù)據(jù)的裝定，使彈丸按照作戰(zhàn)要求精確起爆。在近程攔截作戰(zhàn)中，利用多管武器系統(tǒng)發(fā)射彈藥，多枚彈丸形成彈幕實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方目標(biāo)攔截和摧毀[1]。對(duì)于多管火炮多發(fā)齊射或連射作戰(zhàn)，需要多個(gè)引信同時(shí)接收火控系統(tǒng)提供的信息，協(xié)同對(duì)彈丸進(jìn)行控制，使彈丸在預(yù)定位置同步起爆形成彈幕進(jìn)行有效攔截。

裝定器是實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)與引信數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)闹欣^裝置，保障裝定過(guò)程安全靠。杜軍等[2]提出了間斷供能的引信裝定數(shù)據(jù)雙向傳輸方法，實(shí)現(xiàn)裝定數(shù)據(jù)反向傳輸并提高了裝定信息反向傳輸階段的能量利用率；周曉東等[3]提出了一種基于副線圈的引信感應(yīng)裝定器反饋通道設(shè)計(jì)方案，將反饋通道置于裝定器內(nèi)，使裝定器形成獨(dú)立的閉環(huán)系統(tǒng)。現(xiàn)有裝定技術(shù)一般是一個(gè)裝定器對(duì)單一引信進(jìn)行信息裝定，并接收引信的反饋信息，無(wú)法同時(shí)對(duì)多引信裝定或在一定時(shí)間內(nèi)對(duì)引信裝定的數(shù)量有限。對(duì)于需要預(yù)定時(shí)間內(nèi)發(fā)射多枚彈藥的多管火炮來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的裝定器不能夠滿足一個(gè)裝定器對(duì)多個(gè)裝定器的信息裝定的需求，而且多引信在較短時(shí)間內(nèi)給裝定器發(fā)送反饋數(shù)據(jù)，會(huì)造成引信反饋信息混淆，使火控系統(tǒng)不能分別判斷各個(gè)引信裝定成功與否，造成引信裝定失效。本文提出了一種基于多引信協(xié)同起爆控制的多路裝定系統(tǒng)及其對(duì)應(yīng)的反饋實(shí)現(xiàn)方法，能夠在預(yù)定時(shí)間內(nèi)依次對(duì)多個(gè)引信進(jìn)行數(shù)據(jù)裝定，滿足裝定速率和信息反饋的可靠性要求；且火控有效接收引信的裝定反饋結(jié)果，實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)與多發(fā)引信之間的信息交互[4]。

1 多引信協(xié)同起爆的多路裝定系統(tǒng)的組成

1.1 單個(gè)裝定支路的工作原理

多路裝定系統(tǒng)具有多個(gè)裝定支路。每個(gè)裝定支路由主控制器、裝定輸出模塊和電源接口組成，如圖1所示。每個(gè)裝定支路都可以通過(guò)串行通訊接口接收火控計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)。支路主控制器通過(guò)識(shí)別裝定信息，將經(jīng)過(guò)計(jì)算、編碼、調(diào)制后的裝定信息傳輸給引信；引信收到裝定數(shù)據(jù)之后，進(jìn)行解調(diào)、譯碼、傳輸?shù)忍幚恚⒀b定結(jié)果反饋給裝定支路，實(shí)現(xiàn)裝定支路與引信之間的信息傳遞[5]。

圖1 單個(gè)裝定支路的結(jié)構(gòu)組成

1.2 多路裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

多路裝定系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)總線上的火控系統(tǒng)信息，進(jìn)行裝定信息識(shí)別，并將裝定信息發(fā)送給相應(yīng)的引信，裝定結(jié)果發(fā)送給反饋模塊，各路發(fā)送結(jié)束后，一起反饋各引信裝定結(jié)果給火控系統(tǒng)。多路裝定系統(tǒng)組成包括火控通信模塊、電源接口模塊、反饋模塊以及裝定模塊(以20個(gè)裝定支路為例)，如圖2所示。

多路裝定系統(tǒng)將火控計(jì)算機(jī)與引信建立起信息通道，其中火控通訊模塊與火控系統(tǒng)總線相接，火控通訊模塊將RS-422信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閁ART串行接口能夠識(shí)別的信號(hào)；電源接口模塊與供電電源相連對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行供電。裝定模塊由多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的裝定支路組成，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為避免裝定支路發(fā)送給火控計(jì)算機(jī)反饋數(shù)據(jù)混淆，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了反饋模塊。每個(gè)裝定支路在給其對(duì)應(yīng)的引信裝定之后，接收引信的反饋信息[6]。各個(gè)裝定支路通過(guò)置位引腳與反饋模塊對(duì)應(yīng)的各個(gè)引腳依次連接，實(shí)現(xiàn)反饋信號(hào)與各路引信的對(duì)應(yīng)識(shí)別。在火控系統(tǒng)給全部裝定支路發(fā)送完數(shù)據(jù)后，反饋模塊讀取各個(gè)裝定支路置位引腳電平，裝定成功引腳電平為高，反之為低。最后反饋模塊將引腳電平讀取結(jié)果通過(guò)串行總線傳送給火控系統(tǒng)，進(jìn)而得到每路引信的裝定結(jié)果。

圖2 多路裝定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

2 多路裝定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及反饋實(shí)現(xiàn)

2.1 裝定支路編號(hào)及數(shù)據(jù)編碼設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)多路裝定系統(tǒng)時(shí)，各個(gè)裝定支路相對(duì)獨(dú)立，利用RS-422串行總線差分傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，各裝定支路共用RS-422串行接口，用于裝定支路接收火控發(fā)送的數(shù)據(jù)信息。每個(gè)支路獨(dú)立供電，實(shí)現(xiàn)對(duì)多引信的獨(dú)立裝定。這樣即使在某一支路裝定出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，也不會(huì)影響其他支路正常工作，保證系統(tǒng)工作的可靠性和安全性。

火控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)給裝定支路傳輸數(shù)據(jù)信息時(shí)，通過(guò)除引信所需信息外增加編碼位區(qū)別各裝定支路信息，只有數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)信息符合支路本身的編號(hào)時(shí)，該支路才接收該數(shù)據(jù)包中的裝定數(shù)據(jù)。

為了區(qū)分不同的裝定支路，對(duì)每個(gè)支路進(jìn)行編號(hào)1、2、3……20。在火控給每個(gè)裝定支路發(fā)送的數(shù)據(jù)包中，前兩個(gè)字節(jié)為開(kāi)始標(biāo)志，第三個(gè)字節(jié)為裝定支路的編號(hào)，如支路的編號(hào)為5，設(shè)開(kāi)始標(biāo)志為7E、02，則數(shù)據(jù)包的前三位為7E、02、05。硬件設(shè)計(jì)中，通過(guò)外接電阻調(diào)整，將每一個(gè)裝定支路主控制器的5個(gè)空閑引腳(如圖3之1、0、1、0、0)電平置高或者置低，結(jié)合軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)每個(gè)支路的編號(hào)。支路編號(hào)為5時(shí)，將R1、R5電阻焊上，R4、R8、R10電阻焊上(圖中不焊的畫(huà)成虛線)，再通過(guò)匯編程序讀取這幾個(gè)引腳的電平，即可確定該支路編號(hào)為5。只有當(dāng)數(shù)據(jù)包中的第3個(gè)字節(jié)為05時(shí)，該裝定支路才會(huì)接收該數(shù)據(jù)包的全部數(shù)據(jù)。

為識(shí)別多路裝定的結(jié)束，裝定數(shù)據(jù)包還有1字節(jié)的結(jié)束標(biāo)志(其值設(shè)為11)，當(dāng)結(jié)束標(biāo)志出現(xiàn)后，反饋模塊將各路裝定結(jié)果一并反饋給火控系統(tǒng)。數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

圖3 裝定支路編號(hào)電路原理圖

開(kāi)始標(biāo)志字節(jié)7E 02裝定支路編號(hào)00～14給引信裝定的數(shù)據(jù)XXXXXXXXXX結(jié)束標(biāo)志11校驗(yàn)和00～FF

2.2多路裝定系統(tǒng)反饋模塊及編碼設(shè)計(jì)

反饋模塊由電源模塊、串行通訊接口模塊和主控制器模塊三部分組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖4。其中，電源模塊接入裝定系統(tǒng)的供電電源，電壓經(jīng)過(guò)電源芯片轉(zhuǎn)換成主控制器所需的電壓值；串行接口模塊的電路與裝定系統(tǒng)的火控通訊接口相同，兩者并聯(lián)實(shí)現(xiàn)與火控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸；主控制器模塊接收火控系統(tǒng)發(fā)送的裝定信息，通過(guò)結(jié)束標(biāo)志位判斷裝定數(shù)據(jù)是否結(jié)束，延時(shí)一段時(shí)間后讀取每個(gè)支路的裝定結(jié)果，最后通過(guò)串行總線向火控系統(tǒng)發(fā)送引信的裝定結(jié)果。另外，為了提高計(jì)時(shí)精度和準(zhǔn)確性，采用外部振蕩電路[7]。

圖4 反饋模塊的結(jié)構(gòu)原理

火控系統(tǒng)給裝定支路發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，反饋模塊也在接收火控系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到結(jié)束標(biāo)志字節(jié)(值為11)時(shí)，則以此為計(jì)時(shí)起點(diǎn)延時(shí)一定的時(shí)間。延時(shí)結(jié)束后，反饋模塊通過(guò)程序讀取已給引信裝定的每個(gè)支路的置位引腳電平，最后將引腳電平讀取結(jié)果傳送給火控系統(tǒng)計(jì)算機(jī)[8]。每個(gè)裝定支路已有自身的編號(hào)，反饋模塊給火控反饋的數(shù)據(jù)按支路編號(hào)，支路編號(hào)高的在前，低的在后，開(kāi)頭兩個(gè)字節(jié)為開(kāi)始標(biāo)志，最后一位字節(jié)為前面所有字節(jié)的校驗(yàn)和。在沒(méi)有給引信裝定或裝定失敗時(shí)，反饋模塊給火控系統(tǒng)反饋引信裝定結(jié)果均為0，若給引信裝定成功則反饋結(jié)果為1。若有20個(gè)支路，沒(méi)有接引信時(shí)火控系統(tǒng)得到的反饋數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 反饋模塊給火控系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)信息

2.3多路裝定系統(tǒng)反饋模塊的軟件設(shè)計(jì)

反饋模塊的程序分為主程序和中斷程序兩個(gè)部分。主程序在單片機(jī)上電之后，開(kāi)中斷允許位、串口中斷允許位，延時(shí)結(jié)束后讀取支路的裝定結(jié)果，將讀取的數(shù)據(jù)發(fā)送給火控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)[9]，主程序的流程圖如圖5。

圖5 反饋模塊主程序流程

中斷程序包括接收中斷和發(fā)送中斷，如圖6所示。當(dāng)主程序運(yùn)行時(shí)，接收中斷標(biāo)志位置一時(shí)進(jìn)入接收中斷。將通訊標(biāo)志低字節(jié)寄存器的值存入高字節(jié)寄存器，將SBUF0的值存入低字節(jié)寄存器，判斷是否接收到通信開(kāi)始標(biāo)志，然后判斷接收計(jì)數(shù)器的值。當(dāng)接收計(jì)數(shù)器的值等于1時(shí)，確定將要接收數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)，將SBUF0的值寫(xiě)進(jìn)校驗(yàn)寄存器，初始化數(shù)據(jù)接收指針；當(dāng)接收計(jì)數(shù)器的值≥2時(shí)，判斷數(shù)據(jù)包中是否有接收結(jié)束標(biāo)志。若接收到結(jié)束標(biāo)志字節(jié)，將接收結(jié)束標(biāo)志位置1，并且作接收數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和，最后出棧，結(jié)束接收中斷。

在主程序中讀取裝定支路的置位引腳電平之后，將發(fā)送通信標(biāo)志的高字節(jié)(設(shè)為E7)賦給SBUF0，發(fā)送中斷開(kāi)始標(biāo)志位置一進(jìn)入發(fā)送中斷。發(fā)送計(jì)數(shù)器的值加1之后進(jìn)行判斷。當(dāng)發(fā)送計(jì)數(shù)器的值等于1時(shí)，繼續(xù)發(fā)送通信標(biāo)志低字節(jié)(設(shè)為03)；當(dāng)≥2時(shí)，發(fā)送反饋模塊讀取的裝定結(jié)果；當(dāng)發(fā)送計(jì)數(shù)器的值等于6時(shí)，發(fā)送前面所發(fā)送的所有字節(jié)數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和。最后出棧，結(jié)束發(fā)送中斷。

圖6 反饋模塊串行中斷程序流程

3 系統(tǒng)調(diào)試與性能分析

如圖7所示，模擬火控系統(tǒng)通過(guò)裝定支路給引信裝定時(shí)，用示波器連到裝定支路的輸出線纜，測(cè)得前段波形是支路給引信裝定的數(shù)據(jù)，包含1個(gè)同步位、5個(gè)8位信息量；后面波形為引信給裝定支路的反饋信息，包含1個(gè)同步位、8個(gè)數(shù)據(jù)位，裝定和反饋數(shù)據(jù)總長(zhǎng)度為50位，如圖8所示。在6.85 kbps數(shù)據(jù)速率下傳輸時(shí)間為7.5 ms。計(jì)入裝定和反饋間過(guò)渡時(shí)間約1 ms，

則完成一次裝定和反饋所需時(shí)間為8.5 ms，滿足裝定速率的要求[10]。

給引信裝定結(jié)束后模擬火控的接收，當(dāng)結(jié)束標(biāo)志字節(jié)為00時(shí)，沒(méi)有反饋信息，表明火控計(jì)算機(jī)還在繼續(xù)發(fā)送裝定數(shù)據(jù)；1號(hào)裝定支路對(duì)引信進(jìn)行裝定，裝定成功且反饋數(shù)據(jù)也正常；2號(hào)裝定支路先給引信裝定，再讓6號(hào)裝定支路對(duì)引信進(jìn)行裝定，反饋結(jié)果如表3所示。

圖7 多路裝定系統(tǒng)PCB板連接圖

圖8 裝定支路與引信之間的信息傳輸波形

支路編號(hào)火控系統(tǒng)給裝定支路發(fā)送的數(shù)據(jù)包火控系統(tǒng)收到的反饋信息027E02023CBC02D00700D3017E02013CBC02D00711E3E703F00001DB067E02063CBC02D00711E8E703F00022FC

調(diào)試結(jié)果顯示，將任意裝定支路接入系統(tǒng)電路，模擬火控系統(tǒng)發(fā)送裝定數(shù)據(jù)，引信均能夠有效裝定，且反饋信息正確，火控系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確掌握每一支路的裝定結(jié)果，且各支路之間互不影響，工作穩(wěn)定。

4 結(jié)論

作者掌握了多路裝定系統(tǒng)的組成、功能及關(guān)鍵技術(shù)，進(jìn)行了多路裝定系統(tǒng)裝定支路的編號(hào)編碼方式、反饋模塊的硬件和軟件設(shè)計(jì)，模擬了火控計(jì)算機(jī)對(duì)多路裝定系統(tǒng)數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的在線調(diào)試，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的裝定支路能夠迅速給引信正確裝定，火控系統(tǒng)接收反饋正常，反應(yīng)靈活。各個(gè)裝定支路能夠相互獨(dú)立工作，一條支路裝定出現(xiàn)故障不會(huì)影響其他支路正常工作，可避免反饋結(jié)果混淆，能夠滿足多路裝定的裝定速率和多引信協(xié)同起爆控制的裝定需求。

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DesignandFeedbackMethodofMulti-ChannelSettingSystemforMultipleFuzeCooperativeDetonationInitiation

ZHANG Dameng, LI Haojie, LI Changsheng

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to meet the needs of multi-fuze cooperative detonation initiation for multiple weapon system short-range interception, a scheme of multi-channel setting system and feedback is proposed and designed. Multiple fuze is set by multiple setting branches. The hardware and software of the multi-channel setting system and the feedback module is designed, and the identification and feedback of the multi-channel setting’s information is realized through the data coding and process design. The experimental results show that the multi-channel setting system can meet the requirements of setting rate and multiple fuze cooperative detonation control, and every setting branch doesn’t interfere with each other.

fuze; multi-channel setting system; code; feedback module

2017-06-15；

2017-06-30

張大猛(1991—)，男，碩士，主要從事探測(cè)制導(dǎo)與控制研究。

10.11809/scbgxb2017.10.029

本文引用格式：張大猛，李豪杰，李長(zhǎng)生.多引信協(xié)同起爆用多路裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)及反饋[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(10):142-146.

formatZHANG Dameng, LI Haojie, LI Changsheng.Design and Feedback Method of Multi-Channel Setting System for Multiple Fuze Cooperative Detonation Initiation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(10):142-146.

TJ43

A

2096-2304(2017)10-0142-05

(責(zé)任編輯楊繼森)