基于DSP的某火箭发射装置控制系统设计

朱明珠，李 军，栾东海，莫宗来，吴 磊

（南京理工大学 江苏 南京 210094）

为了提高重要军事目标的生存能力，研究超近程主动防护系统，既可以有效应对突发性、规模性军事打击，也可以抵挡精确制导武器的侵略破坏作用。研制以某型装置作为武器平台的近程防护武器系统对提高我军重要军事目标生存能力有重大意义，而现代化的控制系统又使得整个武器系统更加可控化，智能化。目前，即使进程防护武器的重要性已经凸显出来，但是依然存在一些缺陷，比如武器系统反应速度比较慢，打击精度比较低。例如，在目前对于火箭发射系统的研究中，文献[1]主要研究的是步进电机，由于其开环控制系统使得其控制精度比较低，响应速度比慢；而在文献[2]中，此伺服系统提出的观察器无法在较宽的调速范围内使用。为了解决这些问题，在本系统中，采用了动态响应灵敏度快，随动性好，可靠性高的伺服电机，并且采用了比较优化的软件编程，解决了这些问题。

1 系统功能与方案设计

1.1 系统功能分析

某火箭炮控制系统的功能主要是：武器系统的初始自整，俯仰和回转运动，按键控制和液晶显示，以及与火控系统的通信交流。如图1所示，系统包括4个模块，初始自整模块、运动模块、按键显示模块和通信模块。电源供电模块为所有板块提供工作电源。

图1 控制系统功能图Fig.1 Functional diagram of control system

1.2 系统方案

1.2.1 运动控制模块

在本系统中，除了可以通过火控系统发送信号控制发射装置的俯仰运动和回转运动以外，还可以通过按键操作控制发射装置的俯仰和回转运动。其主要工作过程为：打开外部380 V电源，系统进行初始化，之后系统进行初始自整（在某些特定情况下，此过程可以通过按键手动操作进行），在系统找到俯仰和回转方向的零位后给火控系统发送准备完毕处于预发射状态的信息。当某一时刻火控系统接到雷达的发现目标位置的信息后，计算出合适的发射位置并通过通信模块将此指定位置发送给武器系统，武器系统会在0.75 s内调整到指定炮位，并立即将发射准备完毕的信息返回到火控系统，由火控系统控制发射。发射任务完成后，火控系统给武器系统发送复位指令，武器系统将自动调整到初始零位状态。

1.2.2 按键显示模块

在按键模块中含有薄膜开关和普通开关两种：薄膜开关主要用于手动操作控制系统，包括控制其自整和俯仰回转运动；普通开关用于选择操作模式和选定零位。

显示模块是由HG12864-12型号的液晶显示屏、控制芯片ST7920和驱动芯片ST7921组成的，具有4位或者8位并行，2线或者3线串行接口方式的点阵图形。HG12864-12显示屏是目前比较通用的液晶显示屏，内部含有字库，方便编程，可以显示图形或者8×4行16×16点阵汉字。其对外提供标准数据和控制接口以及控制器指令，使用时只要将其命令和数据写入液晶显示控制器编程内置缓冲区即可实现各种显示功能。本系统中液晶显示屏采用的是2线串口连接模式，主要用于显示错误提示、目标的方位角度和系统自身转过的实际角度。

1.2.3 通信模块

TMS320F2812器件包含了串行通信接口SCI模块，SCI接收器和发送器是双缓冲的，可以单独工作或者在全双工的方式下同时工作，SCI对接到的数据进行间断监测并校验，通过超时和帧出错的检查来确保数据的完整性。该SCI模块带有与RS-232标准一致的异步串口，使得TMS320F2812可以方便地与其他使用标准格式的异步外设进行数据通信。在本设计中通信子系统就是通过标准RS-232串口完成DSP与火控系统之间的数据通信控制[3]。

1.2.4 初始自整模块

初始自整模块是为了满足武器系统在发射精度要求，在系统开机后会自动运行初始自整模块（在某些情况下，也可以通过按键控制手动操作进行整定），找到方位和俯仰方向的零位后给火控系统发送已经完成发射准备的信息，其自身处于待命状态，等待雷达发射目标位置信号及发火命令。

初始自整模块的功能通过接近开关发送信号并由DSP处理器经过一系列特定的运算实现。接近开关选用电感式、圆柱型、PNP输出、三线直流常闭型接近开关。接近开关是一种小型感测头，安装灵活，反应灵敏，即使在有水或者在油漆喷溅的苛刻环境下也可以正常工作，由于其非接触检测的工作特性，避免了对传感器自身和目标物的破坏，并且其无触点输出的工作方式，使得其工作寿命比一般的传感器工作寿命长。

设计以DSP芯片TMS320F2812作为控制核心，系统开机初始化结束后进行自整，通过雷达火控系统发送命令字符串控制武器装置的俯仰运动和回转运动，达到要求后自动向指定位置发射火箭弹；通过液晶显示屏可以观察到火控系统发出的目标位置，系统实际转过的方位角度、回转角度和报错信息；通过按键可以实现选择操作模式和选定零位。

TMS320F2812是一款用于控制的高性能、多功能、高性价比的32位定点DSP芯片[5]。该芯片兼容TM320F2407指令系统，最高可在150 MHz主频下工作，并带有18k×16位0等待周期片上ARAM和128k×16位片上FLASH。它采用哈佛总线结构，具有密码保护机制，可进行16×16位和32×32位MAC操作，因而可兼顾控制和快加速运算的双重功能。其外设主要包括 2×8 路 12 位 ADC，2 路 SCI，1 路 SPI，1 路 McBSP，1路eCAN等，并带有两个事件管理模块。另外，该器件还有3个独立的31位CPU定时器，以及多达56个独立编程的GPIO引脚，可外扩大于1 M×16位的程序和数据存储器。鉴于以上因素，本系统的微处理器是以TMS320F2812核心的。

2 系统硬件设计及实现

2.1 系统硬件构成

本系统硬件为基于DSP的控制系统，系统包括4个模块，初始自整模块、运动模块、按键显示模块和通信模块，电路板实物图及硬件系统原理分别如图2，图3所示。

图2 电路板实物图Fig.2 PCB physical map

图3 控制系统原理框图Fig.3 Principle block diagram of control system

2.2 电路设计

2.2.1 降压驱动

本设计中一共有3部分的降压电路，分别是内部电源降压电路，接近开关降压电路和编码器反馈降压电路，考虑到这3部分降压电路具有不同的物理特征，采取了不同的降压电路设计。通常降压的设计有3种方案，分别是使用DC/DC降压芯片，二极管降压和电阻分压降压。

1）通常使用的DC/DC降压芯片是LM1117系列，LM1117是一个低压差电压调节器系列，输出端需要一个至少10 uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。这种靠芯片降压的方式比较简单可靠，但是只在直流电压的情况下工作良好。因此，在内部电源降压电路中选择了这种设计方式，本系统采用两片LM1117将+5V分别转换为+3.3 V和+1.8 V的输出电压。

2）二极管的本质是一个PN结，电流从P流向N，反之不导通，P极和N极的压降为0.7 V，但是由于二极管的单向导通特性，易发生击穿，并且当压降较大的情况下，需要串联较多个数的二极管，较为繁冗。因此，本设计没有使用这种方法。

3）电阻分压降压常用于弱电类降压情况，按照需要得到的电流大小确定分压电阻的阻值，要确保分压电阻的功率要符合电路最大功率的要求，防止电阻被烧毁。这种方式中，电阻可以根据具体的需要选择合适的功率和阻值，比较方便和简洁。本设计的接近开关降压电路和编码器反馈降压电路都采用了这种设计方式。其中，接近开关降压电路从12 V降到3.3 V，编码器反馈降压电路从5 V降到3.3 V。如图4和图5所示。

图4 接近开关降压电路原理图Fig.4 Principle diagram of reduced voltage for proximity swich

图5 编码器反馈降压电路原理图Fig.5 Principle diagram of reduced voltage for encoder

2.2.2 液晶显示电路

本设计中采用的是基于TMS320F2812控制的液晶显示模块，其中TMS320F2812与液晶显示模块HG12864接口电路如图6所示。DSP发出的数据由串行数据输入端SID传输给HG12864，串行同步时钟SCLK在上升沿时读取SID数据，需要在PSB端口接入低电平，选择串口方式。

图6 TMS320F2812与HG12864相连的电路原理图Fig.6 Principle diagram of TMS320F2812 connect with HG12864

3 系统调试与结果

将元器件焊接在电路板上，检查是否有虚焊漏焊的焊点，测量电源是否有焊接短路现象，确保电路板的电源供电正常，各个模块间的连线正确。电路板实物连接如图7所示，经过调试，程序运行完好，武器系统可以实现30°回转方向运动，30°内高低方向运动以及对武器系统初始自整、手动操作、按键显示、与火控系统通信交流等一系列的功能要求。

图7 电路板实物连接图Fig.7 Hardware connection diagram of PCB

4 结束语

目前，DSP控制系统在各类仪器和测控系统中应用非常广泛，它比单片机集成度更高，运行速度更快，功能更强大，是一种特别适合于进行数字信号处理运算的微处理器，主要应用于实时快速地实现各种数字信号处理算法，通常工程上偏向于使用TMS320F2812，这里主要介绍了DSP降压电路及DSP与HG12864—12接口电路，通过调试和实验证明本设计具有良好的实时性和可靠性，可以满足设计要求。

[1]陈玲，李军，朱明珠.基于DSP的ATV-ATT中控系统设计[J].电子设计工程，2010，18（11）:103-105.CHEN Ling，LI Jun，ZHU Ming-zhu.Design of ATV-ATT central control system based on DSP[J].Electronic Design Engineering，2010，18（11）:103-105.

[2]WANG Chen-yuan，XU Zhan.Fuzzy and VSC control AC servo driving system based on the torque observer[J].Elec.Trans.，1998（1）:17-20.

[3]姜艳波.数字信号处理器DSP应用100例[M].北京：化学工业出版社，2009.

[4]杨帮文.新型工业控制开关实用手册[J].中国照明电器淘汰灯具文摘，2006，26（4）：22.YANG Bang-wen.Practical handbook of new industrian control switch[J].ChinaLighting LightFixtruesDigest，2006，26（4）：22.

[5]佚名.三恒星科技TMS320F2812 DSP原理与应用实例[M].电子工业出版社，2009.

[6]刘向宇.DSP嵌入式常用模块与综合系统设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社，2009.