一种高可靠数据传输接收机的研制

2012-06-05慕福顺

火控雷达技术 2012年4期

慕福顺

(西安电子工程研究所西安 710100)

1 引言

分布式武器系统体系结构是按系统功能分割的原则把系统划分为若干相对独立的模块，这些处于不同地理位置的功能单元通过通信设备和线路连接起来，相互协同形成一个整体，实现资源共享，并通过功能完善的数据融合与指挥控制软件，合理地将目标分配给各武器单元。分布式武器系统要完成探测发现进而摧毁敌方目标的任务，必须建立可靠的互联互通。

分布式武器系统因数据传输系统传输速率的限制，使被控设备在随动过程中容易出现抖动，本数传接收机采用插值补偿技术，通过速度插值补偿，在同样的传输速率下很好解决了平稳随动问题。

2 数据传输接收机系统构成与主要特点

2.1 系统构成

数据传输接收机主要由:CPU单元、通信控制电路、通信接口电路、火力系统状态接口、数字插值电路、方位/射角同步机输出电路、方位/射角前馈输出电路、电源电路等几部分组成(见图1)。

CPU单元以87C51单片机为核心构成，实现通讯模式控制、模拟航路产生、武器系统状态的检测和控制命令的输出等功能;通信控制与接口电路用于完成通信模式的选择和控制，实现系统间的电气隔离;状态接口电路用于输出武器系统射击控制等开关指令，并检测武器系统的状态反馈信号(武器系统工作状态及故障情况);插值电路是根据目标的运行速度，对接收的武器系统位置进行插值处理，以消除两次输出角度间的阶跃，使输出位置的步进角不大于一个量化单位，以保证武器系统的平稳跟踪;同步机输出电路的功能是将数字量的位置数据转换成火力系统受信仪要求的同步机信号。前馈速率电路的作用是将火控系统给定的武器系统方位、射角数字前馈量变换为对应的模拟电压输出，作为武器系统跟踪的速度前馈量送入武器系统随动系统;电源电路产生系统工作所需的各种电压。

图1 数传接收机组成框图

2.2 主要特点

数据传输接收机的主要特点包括:

a.无抖动的随动特性

合理的插值方法的采用，使数据通讯接收机输出的同步机位置信号在每个周期内的步进量不大于1/2量化单位(0.046mil)，从而完全消除了火炮随动时的抖动现象，提高了系统的跟踪精度。

b.优良的电隔离能力

数据通讯系统内的所有设备与传输线路之间均为完全电隔离连接，不仅消除了武器系统与火控系统之间的相互干扰，而且能有效防止外界环境对系统的干扰、破坏，使此系统能较好地用于恶劣的野战环境中。

c.兼容性

系统具有非常好的兼容性。此数传接收机能和多种火控系统、火力系统兼容，已通过与两种型号火控系统、两种型号火炮、一种型号导弹等的配套试验，均能很好配套使用。

d.模拟器功能

数据通讯接收机自带模拟器功能，可产生5条标准模拟航路。极大地方便了系统的应用，使得在不与火控系统连接的情况下，不必增加任何辅助设备，即可定量检查武器系统的基本参数。当需要对武器系统的性能及工作状态进行测试时，随时可以通过面板上的选择开关选择不同参数的几种模拟运动曲线，直接由接收机产生几种(如直线、盘旋等)模拟航路，即可以进行武器系统的检测和训练。

e.良好的结构设计

内框架全悬浮式的结构设计，极大地消除了外部的振动对内部电路的影响，满足了强振动条件下的使用要求;正确的冷却方法的选择和自循环风道设计，在保证组合密封性能的前提下，较好地解决了系统的散热问题。

f.模块化设计

采用模块化、标准化的设计技术，各单元电路均根据功能进行划分，同功能模块之间的接口保持一致，以方便互换;软件设计同样采用模块化设计技术，系统程序则由各程序模块链接而成。当用于不同的武器系统时，只需修改系统的软件，或对部分电路模块进行简单更换即可。

3 数据传输接收机设计

3.1 随动平稳性问题

由于数据通讯系统传输的是数字信号，且受传输速率的限制，有可能使系统不稳定或产生爬行现象，因此必须在两次采样数据之间进行插值处理，否则系统的跟踪精度难以保证。另外，当火控系统与武器系统的数制不同，特别是某一方为非2的整数次幂时，还需要对传输的数据进行数制转换。例如，由于某火控系统输出的位置量为16位满模的自然二进制数，而武器单元随动系统的粗精速比为1∶20，所以必须首先进行数制转换后才能将其分为粗、精数据，此时高位的粗通道位置数据为非自然二进制数，但由于D/S模块的输入要求的是自然二进制数，因此要再将粗数字值再变换为自然二进制数，之后才能将其送入D/S模块。由于在几次数制转换之间还要进行插值处理，因此需要进行特殊考虑，并要设计特殊的电路。

在插值处理时，由于火控系统的精粗速比为32，产生的角位置量输出为16位自然二进制码，而武器系统随动系统的精粗比为20，其结果不能用满模的自然二进制数表示，也就是说火控输出的低11位数字仅表示11.25°，如果将此数据直接输入精D/S模块，最大时应代表18°，因此必须将火控输出的16位自然二进制数按40960的模进行换算。计算公式如下:

式中:NR为火控输出数据;NG为满模为40960的16位数据。

根据上式得到的数据的低位可以作为精D/S模块的输入，但高位已变成非自然二进制数，如果要将其作为粗D/S模块的输入，须再将此高位数变为自然二进制码，计算公式如下:

式中:NC为粗D/S的输入数据;N为粗D/S的有效位数。

上式优化后得粗D/S输入数据的计算公式为:

图2 插值电路原理框图

通过以上运算虽然将火控输出位置量变为武器系统的粗、精D/S模块的输入值，但如前所述，由于受数据通讯系统的传输率的限制，必须按火控给定的目标运动速度对位置输出数据进行插值处理，以使送入D/S模块的数据的变化尽量小，否则就会产生较大的动态误差，甚至引起系统的振荡。

数据通讯接收机的插值处理采用如图2所示的特殊方式。

首先进行数制转换，然后将变换后的粗精各12位自然二进制角位置量作为插值计数器的初始值送入插值计数器，粗精插值计数器则根据不同的频率进行插值。因为火控系统输出的是量化单位为360°/217的12位二进制码，它表示 40ms内武器系统转动的角度，因而可表示的最大速度量为281.25°/S。从而得到如下的插值频率计算公式:

式中:NV为火控给定的速率值;fCC为粗插值计数频率;fFC为精插值计数频率。

实际电路是由频率源产生fC的脉冲信号，经12位系数乘法器后得到精插值计数频率fFC，再经20分频产生fCC，然后分别以fFC、fCC作为精粗插值计数器的计数脉冲，则完成了位置量的插值处理。另外，为消除因插值产生的积累误差，插值计数器的初值每个采样周期均重新装定。插值电路原理如图2所示。

3.2 电气隔离与抗干扰

基于具备完善自保功能的MAX1480B构成的完全电隔离通讯接口电路可有效避免火力系统对火控系统的冲击干扰，同时避免恶劣环境条件下系统遭受雷电等破坏的可能，也可以防止输出短路、电源过载等故障对电路造成的损坏。

3.3 通讯控制

为扩大产品的适用范围，使数传接收机能和采用多种通讯协议的数传发送机连接，选用模式可编程的串行通信控制器(SCC)Intel82530构成通讯接口。Intel 82530串行通信控制器是一种双通道、多规程数据通信接口，原理框图如图3所示，片内包括波特率发生器、数字锁相环、各类数据编码和译码方法及晶体振荡器。另外，利用其诊断能力——自动回报和本地返回环路使用户能够检测和隔离网络内的故障。使用Intel 82530串行通信控制器，极大地改善了系统的有效性，并提高了系统的故障隔离能力。

3.4 前馈速度补偿

前馈输出电压由D/A转换器产生，经隔离放大器放大后馈入武器系统。D/A转换器用10位数模转换器AD7522KD。

前馈电压的计算方法为:

式中:NV为火控给定的速率值;Vmax为最大前馈速度;fZ为数据传输帧频率。

3.5 结构设计

数据传输接收机的基本结构为三层嵌套密封框架。基本外型如图4所示。内层为电路插件安装框，内层与中间层采用固定连接;中间层为减震层，中间层与外层之间采用全悬浮式连接，上、下、左、右和后板通过10个减震器与外层框架连接，以充分吸收震动对系统电路的影响;外层采用全密封结构，以实现其密封防雨的要求;整个接收机通过底部的4个减震器与油机单元连接，以进一步解决抗震性;在采用密封结构后，通过合理的风道设计解决电路元件的散热问题，由风机产生循环风，在接收机组合内形成优良的小环境。试验已经证明此种结构设计较好地解决了数据通讯接收机的抗震、密封和通风散热问题。