基于 DSP的无线电引信起爆控制技术研究❋

范志应,赵河明,2,吕昊暾,马 睿,高丽军

(1.山西北方惠丰机电有限公司,山西长治 046012;2.中北大学机电工程学院,山西太原 030051;

3.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京 100191）

0 引 言

随着科学技术的发展,可编程器件的出现及其日益成熟的发展为提高武器系统的智能化程度创造了条件,从进行简单逻辑判断的器件到单片机,再到 DSP的出现,其处理信息的能力和速度都发生着质的变化.DSP在制导武器核心控制部分中已经有了较为广泛的应用,而在常规武器如炮弹中的应用则处于起步阶段,但其发展趋势已经十分明确[1].由于传统的无线电引信采用的是模拟器件组成起爆控制电路,虽然加入了过增幅限制等抗干扰措施,但对干扰信号的识别能力仍然存在缺陷,致使引信的早炸率偏高,DSP系统和数字信号处理技术在引信中的应用将会以程序控制的方式来提高系统的抗干扰能力,对满足起爆条件的目标信号的要求更加严格,使引信抗干扰性能得到显著提高[2].

采用数字信号处理技术对目标信号进行检测与分析,可以提高系统的抗干扰能力,有效抑制随机干扰和人为干扰所造成的引信的误动作;使用 DSP系统对引信进行起爆控制,可以增强系统对目标信号的识别能力,控制最佳起爆时机[3-4],达到对目标的最大毁伤效果;DSP系统方便可靠的控制功能使点火电容充电的安全时间控制和自毁时间控制等更加精确可靠,很大程度上简化了引信电路,提高了引信系统可靠性.

1 总体实现方案

无线电引信的电路功能模块主要由高频探测、滤波放大、整流积分、增幅速率选择和适时起爆等模块组成[5-6],在无线电引信中引入 DSP系统,其功能模块中的高频部件、安全系统、电源等环节都不作改动,只对引信的低频处理电路应用 DSP系统替代,缩短了研发周期,DSP芯片功能的日益强大和数字信号处理技术的发展完善使在普通炮弹中应用 DSP系统的方法逐渐具有了通用性[7].

C2000系列 DSP是 TI公司(美国德州仪器公司)的 TMS320系列 DSP的三大主流产品之一,主要针对工业应用提供的高性能和高代码效率控制器[8].C2000系列数字信号处理器在提供通用处理器性能的同时,将微控制器 (MCU)丰富的集成外设与 TI领先的 DSP技术融合在一起,其中外设包括大容量Flash存储器、快速 A/D转换器和稳定的 CAN控制器模块等.利用 TI公司低成本、高集成度的 C2000强大控制器平台,开发人员可以在降低系统成本的同时提高产品性能,并能快速地投向市场.

目前可用于引信数字信号处理的芯片主要有单片机、可编程逻辑器件 (CPLD/FDGA)和数字信号处理器 (DSP)等.单片机的控制接口种类较多,适用于以控制为主的模数混合系统设计.CPLD/FPGA使用于计数、译码、锁存、乘加、编解码、查表等数字信号处理运算的高速数字系统中.DSP面向高速、重复性、数值运算密集型的实时处理,其处理速度比普通微处理器快得多.在成本上略高于单片机和CPLD.对于功能复杂处理数据量大的引信系统适合应用于 DSP作为微处理器.

在引信中引入 DSP芯片,使用 DSP自身集成的 AD转换器对信号进行模数转换,C2000系列的 DSP芯片片内集成的 AD转换器最高转换速度为 2M Hz,可以满足引信低频信号的采集,而不需外扩 AD转换器,并且控制时序简单;将引信信号转换为数字信号以后,在 DSP片内 RAM区进行缓存,在需要时由 CPU对信号数据进行读取和分析处理,原理框图如图1所示.而定时器用来为系统提供各个时间基准,包括点火电容充电时刻和系统自毁时间等.

DSP的 CPU通过 JTAG接口与 TI公司的 CCS开发环境相连接,使用 CCS开发环境对 DSP进行编程调试和程序下载;使用DSP的 SCI串行外设连接上位机和 DSP,当程序在 Flash中运行时用来观测特定变量的值,为程序的调试开发提供便利.

电平转换过程是将 DSP发出的0 V～3.3 V的控制指令转换成点火电容充电和点火控制所需要的电平信号.DSP系统的软件部分以硬件为载体,硬件以软件为核心,两者的设计相互照应以达到最佳效果.

2 硬件结构

T I公司 DSP芯片丰富的外设使硬件大为简化,DSP外围只需连接晶振而不需要任何其它器件,DSP与外围的接口相对较多,从框图上可以看出包括 JTAG仿真调试接口、RS232串行接口、控制指令输出接口和 AD采样的信号入口,另外还需要给 DSP提供电源的电源接口.因此在电路板的周边需要根据不同接口的特点留出调试用接口和引信功能接口,而电源接口是两类接口中都需要拥有的一部分.

DSP供电电源为 3.3 V,在考虑功耗的前提下可以使用普通的三端稳压管来提供,电路简单,可以不设计在 DSP系统电路板上,而是在引信原来的基板上,然后通过对应的接口将电源送给 DSP.电平转换电路使用比较器实现,所占用的空间较小.

3 软件实现方法

引信 DSP系统软件设计主要包括 CPU对 AD转换器、定时器和指令输出端口的控制,从实用角度分析则是由 CPU对引信信号采集控制、引信工作时序控制和信号分析处理与起爆控制.引信起爆控制程序流程如图2所示.

引信信号采集由 AD转换器的启动与停止、数据及时读取并存储等过程组成,ADC模块集成在DSP片内,作为 CPU的一个外设出现,因此对 AD转换器的操作是通过对特定寄存器的读写操作来完成的,程序实现非常方便,而使用ADC的特定中断入口来控制AD转换,则可在信号处理的同时同步进行后续信号的采集,提高了程序的执行效率.

引信工作时序控制以 DSP定时器的时间为基准,使引信时间控制更加精确可靠,计时定时过程由 DSP的中断系统来完成,几乎不会影响其它程序的执行.

引信起爆控制的程序包括 AD采样结果的平滑滤波、系统噪声监测和信号极值判断等,信号处理程序对引信检测到的目标信号进行过滤分析,完成了对系统噪声的测试和目标信息的获取.信号处理方法的合理性直接影响着引信对目标攻击的正确性和精确性.程序编写的科学性又直接影响到程序的执行效率,使 DSP系统从引信低频信号中筛选出目标有效信息(如信号频率、振幅、增幅速率等),缩短了引信发火信号相对于最佳起爆时刻的滞后时间.通过DSP判断是否满足弹丸起爆条件,在合适的时机发出起爆信号.

4 结 论

经过动态试验将 DSP应用于无线电引信起爆控制中,采用数字信号处理技术对目标信号进行实时检测与分析,有效提高了目标信息的处理速度和控制准确度,提高了引信抗干扰能力和适时起爆的可靠性,为引信数字化改造提供技术支持.

[1] 钱渊,郭颖.基于 DSP技术的引信信号处理模块研究[J].弹箭与制导学报,2006,26(3):269-271.

Qian Yuan,Guo Ying.Research of fuze signal processing modular based on technology of DSP[J].Journal of Projectiles,Rockets,Missiles and Guidance,2006,26(3):269-271.(in Chinese)

[2] 陈朝晖,郭东敏,张飞鹏.基于 DSP的碰炸优先无线电引信信号处理技术[J].探测与控制学报,2006,28(4):52-54,57.

Chen Zhaohui,Guo Dongm in,Zhang Feipeng.Impact p rior radio fuze signal p rocessing techno logy based on DSP[J].Journal of Detection&Contro l,2006,28(4):52-54,57.(in Chinese)

[3] 席晓慧,张志杰,王文廉.基于 PIC单片机的起爆控制系统[J].仪器仪表学报,2006(3):89-92.

Xi X iaohui,Zhang Zhijie,Wang W enlian.Detonating contro l system based on PIC MCU[J].2006(3):89-92.(in Chinese)

[4] 席晓慧.基于 DSP的智能引信起爆控制系统的开发与设计[D].太原:中北大学,2007.

[5] 徐清泉,程受浩.近感引信测试技术[M].北京:北京理工大学出版社,1996.

[6] 高峻,王世忠,黄春光.无线电引信检验技术与方法 [M].北京:国防工业出版社,2006.

[7] 崔占忠,宋世和.近感引信原理[M].北京:北京理工大学出版社,2004.

[8] 刘和平,严利平.TM S320LF240x DSP结构原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.