无线电引信模拟系统设计

2013-04-20刘少坤闫晓鹏郝新红

制导与引信 2013年4期

刘少坤，闫晓鹏，郝新红，栗苹

（北京理工大学机电工程与控制国家重点实验室，北京100081）

0 引言

无线电引信模拟系统的研制目的是配合干扰机的研制、对干扰机的性能进行测试以及进行后续训练。干扰机的性能需要测试人员进行大量的实验才可验证，以往的实验都是以实弹发射来模拟引信的真实工作过程，这样的实验方式最为可靠直观，但价格昂贵，需要动用炮兵还要占用很大的实验场地［1］。无线电引信模拟系统可以静态地模拟引信的真实工作过程并且可以实时显示干扰机对引信的干扰效果，从而简化干扰机的性能测试，节省高昂的测试费用，虽然其实验效果不如实弹测试真实可靠，但作为辅助手段可为训练和测试提供参考，同时由于无线电引信模拟系统结构简单，操作人员携带方便，易于操作。现有的引信模拟系统不能以线馈的方式进行引信性能的检测，同时现有模拟系统只能实时显示引信的启动情况，不能采集或存储引信的检波信号，也不能借助上位机进行启动信号和检波信号的处理，因此不利于后期实验结果分析。针对这些问题，本系统进行了改进。首先，系统在原有系统引信性能空馈检测的基础上增加了线馈检测功能；其次，系统新增了引信检波信号采集电路，可采集并存储实验过程中引信的检波信号，并借助上位机进行分析处理，为判定干扰机干扰效果提供更有力的数据支撑；最后，本系统采用GPS授时为多种实验设备提供精确的、统一的时钟，很好的解决了多系统协同工作过程中时间统一方面的问题，提高了系统的兼容性。

1 无线电引信模拟系统总体方案设计

无线电引信模拟系统要最大程度的满足引信干扰机测试要求必须满足以下条件：

a）首先，模拟系统必须能够模拟引信的正常工作过程；

b）其次，要避免人员和其他设备对测试结果的影响；

c）再次，可以随时直观地观测到引信的工作状态和启动情况。

为满足上述要求，本系统采取以下方案设计：

无线电引信模拟系统采用模拟器和控制器分离子系统设计，模拟器主要实现引信检波信号和启动信号采集存储、GPS授时等功能；控制器主要实现对模拟器的控制、引信工作状态选择和显示等功能。模拟器与控制器之间通过RS422协议进行通信，通信距离最大可以达到1500m，可确保人员在要求距离范围内通过控制器对模拟器进行远距离控制，排除人员和设备因素对实验的影响。

为了最大程度的模拟实弹发射状态，模拟器设计了引信工作状态选择电路，操作人员可通过控制器选择引信以单发连射或者多发齐射等任意模式发射，同时可设置每枚引信的工作过程，由此可真实的模拟引信的正常工作过程。

为了随时直观的观测引信的工作状态和启动情况，模拟器设计了引信信号采集存储电路，引信正常工作过程中的检波信号和启动信号都可采集出来进行存储，方便以后分析处理。同时，检波信号和启动信号也可实时显示在控制器端的液晶屏上，方便测试人员实时掌握引信的工作情况。

由于系统采用模拟器和控制器分离子系统设计，要实现系统之间协同工作需要解决时钟统一问题。本系统采用GPS授时模块为各系统提供统一的时间标准，解决了时钟统一问题，提高了系统的兼容性。

图1所示为系统结构框图。

2 系统硬件设计

2.1 模拟器硬件设计

为满足系统的设计指标，本系统必须具有数据存储、数据通信、键盘和液晶屏模块等，因此，主控芯片需要有强大的外设能力。同时，本系统偏重于控制，对数据运算要求不高。综合考虑，模拟器主控芯片选用LPC1768芯片，该ARM 芯片主要适用于工业控制领域，具有1个USB2.0全速接口、4个串行接口、4个32 位通用定时器、1 个SD 通信接口等强大的外设能力，能够满足本系统的设计要求［2］。

模拟器采用模块化设计，包括引信工作状态选择模块、引信信号采集模块、远程通信模块、引信性能检测模块、GPS授时模块。

图1 系统结构框图

引信工作状态选择模块主要用来控制引信的工作状态，实现对真实战场环境下炮弹不同发射状态的模拟。通过对引信供电电路的控制可以实现引信的单发连射或多发齐射等多种工作模式。

该系统通过对继电器的控制实现对引信供电电路的控制，从而控制引信的工作状态。

引信信号采集与存储模块主要由A／D 采集模块、信号调理电路和信号存储模块三部分组成，用来实现引信中频检波信号和启动信号的采集。

在信号采集过程中，引信中频检波信号的幅值约为5mV～20 mV，频率最高为1kHz，属于微弱信号采集，在采集过程中对噪声的敏感程度较高，因此需要选用较高分辨率的AD 转换器。若要求采样误差保持在10%以内，芯片模拟电压的输入范围设为±10V，则由

可得n＝16，即AD 转换器应该具有16位。

引信启动信号幅值为5V～20V，16位转换器满足对启动信号的转换精度。系统采用的模数转换芯片是AD7606，该芯片为16位8通道AD转换器，满足系统要求。

由于引信的中频检波信号存在直流偏置，不同引信的直流偏置有所不同且幅值相差较大。同时，引信启动脉冲的幅度往往也有较大变化，脉冲幅度变化和直流偏置的存在导致了信号采集电路对于所采集信号难以适应的问题，为了消除此类影响，需要对启动信号和检波信号进行调理［3］。

系统采用电阻分压的方式来实现对信号幅值的调整。为了防止负载电路对信号幅值的影响，在电阻分压电路的前端和后端均加入一个电压跟随器。电路设计时，由于负载阻抗的变化，进入分压电路的信号波形会受到负载阻抗的影响，因此需要增大分压电路的输入阻抗，这样可以增大分压电路的带负载能力。系统选用两片AD8544跟随器来实现电路阻抗匹配的设计，从而保证分压电路免受负载变化的影响。

模拟器远程通信模块主要用于控制器和模拟器之间的相互通信，实现控制器对模拟器的远程控制以及启动信号的回传。

为了消除由于引信性能优劣造成的干扰机测试误差，同时不引入额外引信性能测试设备，本系统设计了引信性能检测模块。此模块除具备原有模拟系统空馈检测功能外还可以线馈方式检测引信性能，即调用存储在数据存储器中的引信真实回波信号，经过DA 转换为模拟信号，再由引信接收端灌入引信中频信号处理单元。在该信号的作用下，如果引信启动，则表明引信性能良好，否则证明引信不能正常工作。

为了借助于上位机对引信检波信号和启动信号进行后续处理，需要在实验过程中存储这两种信号。每枚引信最大工作次数为200次，工作时长为10s，引信总数为8枚，启动信号和检波信号采样率分别为40kHz和4kHz，则引信启动信号、检波信号总的数据量为

因此数据存储器的存储空间应该大于12Gbit，考虑存储容量和性价比，本系统采用32G的SD 卡作为存储设备。

由于采用控制器和模拟器子系统设计，同时系统外设较多，系统在工作时存在协同工作和时间统一问题。为了满足多种实验设备协同工作的需求，解决时间统一问题，本系统设计了授时模块，可以对系统工作时间进行标定，以统一各设备之间的时间基准［4］。

2.2 控制器硬件设计

引信控制器作为无线电引信模拟系统的控制平台，主要用于实现对模拟器的远程控制，同时实时显示每次实验过程中干扰设备对引信的干扰情况。控制器主要由三部分组成：主控电路、人机交互界面、扩展接口。

为了程序开发的一致性，控制器的主控芯片也选用LPC1768。

远程通信模块主要用于控制器对模拟器的控制，以及部分实验数据的回传等功能，通过对模拟器的远程通信模式的分析，选择RS422 通信协议。

键盘主要用来实现对模拟器各项功能的选择、操作等，例如：引信性能检测功能、引信工作模式选择、引信实验结果显示等各项功能的选择；液晶屏主要用来显示实验过程中各项实验数据，可清楚的显示引信工作状态、受干扰次数、启动时间等信息。

3 系统软件设计

设置根据设计要求，模拟系统应该能对4发引信的发射模式、发射次数在一定范围内进行任意组合设置。人员对于键盘的操作应该有相应的提示，误操作应可返回或者重置。系统采集的引信启动信号、启动时间以及启动次数可在液晶屏上实时显示，以便于实时观测引信的工作状态和受干扰情况。引信检波信号、启动信号、启动时间、发射状态、发射时间等信息可存储及读取，方便后续分析处理。系统采集和存储的数据信息可上传至上位机，借助上位机强大的数据处理能力进行分析处理，并通过上位机的人机交互界面进行显示和设置。

图2 总控功能流程图

为实现以上要求，本系统采用C 语言编写了系统控制软件。图2所示为总控模块流程图，完成系统初始化、系统故障诊断及故障定位、引信工作状态、数据采集存储、实验结果查询、实验数据输出等功能。系统开机后首先进行系统自检，系统自检流程如图3所示。

若系统无故障，则在控制端进行引信工作状态设置，选择单发连射或多发齐射，设置结果在液晶屏上显示，设置完成，按下“发射”键后可进行三种操作：引信性能检测、实验结果查询或者进行实验并且采集实验数据。

模拟器在总控系统的控制下进行工作，其采用模块化设计，主程序流程图如图4所示。模拟器收到控制器发出的指令后进行判断，若为自检指令则转至故障诊断模块进行故障诊断，若为工作状态设置或者发射指令则转至相应模块进行处理。

图3 故障诊断模块流程图

图4 引信远端控制器主流程图

故障诊断模块主要用来诊断引信信号模拟器中的电源模块、继电器模块、RS422 通信模块等功能模块，并可实现各功能模块的故障定位；引信工作状态选择模块用来控制引信的工作状态，实现对真实战场环境下炮弹不同发射状态的模拟；检波信号采集模块完成4 路检波信号的采集与存储；引信启动信号统计模块完成启动信号电平转换、启动信号存储与干扰次数统计功能。

故障诊断模块作为无线电引信模拟系统的重要组成部分，主要完成以下两方面的内容：检查系统易坏模块功能是否正常，避免由于系统故障影响干扰机测试结果；系统出现故障时，快速定位故障模块，为系统修复提供依据。当控制器选择自检功能后各故障标志位清零，系统各模块依次进行故障检测，发现故障后，相应的标志位置位，系统根据不同的标志位置位情况实现故障定位。