便携式多管火箭弹发射控制系统的设计

2014-04-14韩星程王黎明李润汀

火控雷达技术 2014年3期

韩星程王黎明李润汀

(中北大学太原 030051)

0 引言

目前，火箭弹发射控制技术已经相对成熟，但通用性不强，所设计的发射控制系统都是源于不同的目的。本文基于安全可靠的基础上针对靶场试验所用火箭弹设计了一款相应的发射控制系统。与以往军事演习所设计的大型系统相比，该系统轻型便携的同时，发射时间间隔精确，实现了多管火箭的依次定时发射，而且该系统不受恶劣环境的影响。使用时只需将该系统与多管火箭装弹装置相连接，根据相应指令即可实现发射操作。

该系统由控制模块，点火模块和时统传输三部分构成，利用微处理器发出精确点火控制指令，使点火系统按照一定的时序间隔发出有效的点火脉冲，同时将控制信息传递给远端的PC 机实现信息交互。实现了控制系统的数字化、智能化、轻型化设计，为多管火箭弹的数字化改造提供了新的参考思路。

1 硬件设计

如图1所示，本系统主要有三大模块组成，分别是主控模块，8 路点火模块、时统传输模块，这三个模块间为了保证安全，防止误操作造成的意外，它们之间用光耦隔离进行分隔，同时为了避免相互干扰，三个模块采用各自电源独立供电，主控模块采用3.3V 供电，点火模块和时统传输模块均采用12V 供电［1］。

1.1 主控模块

本模块以TI公司的MSP430F149 单片机作为控制芯片，它是一款16 位的、具有精简指令集的、超低功耗的混合型单片机，其不但具有速度快，处理能力强，系统工作稳定等特点［2］，而且电路设计相对简单，在缩短研发周期的同时也大大降低了设计成本。其电路设计如下图2所示。

图1 硬件系统框图

图2 控制电路原理图

如图2所示，当按下触发按键后，通过P2.0 口给单片机一个触发信号，单片机接收到触发信号后，控制P1.0-P1.7 口外接的8 路通道依次点火发射，同时将而每一路点火时间间隔可以指定，单片机检测到指定的时间间隔后通过P3.0-P3.2 口外接三个LED 灯指示出当前的间隔模式。

1.2 点火发射模块

作为发射系统的关键环节，抗干扰成为不可忽视的首要因素，基于此在单片机与点火电路之间采用光耦隔离芯片PC817 隔离［3］。

本模块由8 组具有相同原理的电路设计而成，每一组主要由双刀双掷继电器构成，且都带有指示灯，通过指示灯相应地状态指示，来提示系统是否工作在安全环境下。图3 为该模块设计中的第一组电路。

图3 点火发射电路

工作原理:8 组电路中每一组两个公共端COM都分别接有绿色和红色指示灯，上电后继电器双刀中的一刀接通外部电源，绿灯点亮，说明电源正常供电，同时另一刀不接，此时红灯熄灭。当单片机收到按键触发点火信号后，给P1.0 口输出一个高电平，通过光耦隔离芯片PC817，使该芯片右边电路导通，此时12V电压分别加载到电阻R2 和继电器内部线圈coil 两端，转换成相应电流分别流过NPN 三极管的b 极和c极，从而驱动继电器吸合，使继电器双刀同时打到另一端，此时绿灯熄灭红灯点亮，指示可以进行点火发射。两路指示灯的状态始终是相反的。上电后，只有8 路通道的红灯均为亮的才可进行点火发射。

1.3 时统传输模块

在点火的同时要进行同步信号的发送，同步信号要保证实时性，高抗噪性，以保证信号在远距离传输的过程中有用信息不丢失不产生误码。

目前国内外都采用RS232 或者RS485 串行通信接口标准来进行通信设备与PC 机之间的信息传递。它们传输的都是电压信号，会产生以下问题:(1)传输线会受到噪声的干扰;(2)传输线的分布电阻会产生电压降。

相比较电压，电流对噪声并不敏感。所以为了解决上述问题和避开相关噪声的影响，本系统中同步信号发送模块采用电流环AD694 将电压信号转换成电流信号来实施信号传输，保证了信号的完整性与精确性［4］。

如图4所示，AD694 将控制信号转换成相应的电流信号从IOUT端输出，在传输过程中始终为电流信号，在接收端通过电阻RL再将电流信号转换成电压信号，实现了发送端与接收端的信息传递。整个过程就是电压到电流再到电压的转换。

2 软件实现

本发射控制系统的软件程序是通过C 语言编写的，是在IAR Embedded Workbenc 环境下开发，并在MAP430F149 单片机的智能系统上运行的。

图4 AD694 典型应用电路

2.1 软件流程

系统控制软件由系统初始化程序、按键检测程序和点火发射程序等构成，软件流程图如图5所示，系统上电后首先执行系统的初始化工作，在初始化中对单片机的引脚和时钟进行配置。并打开全局中断开始系统时间的计数，若过了系统时间还未发射成功则重启系统重新计时。当检测到点火按键按下并抬起后，进入到发射函数，在进行点火发射的同时，8 路发射信号所对应的同步信息经由单片机的管脚发送给外部的电流环，每一路发射完后判断是否8 路都已完成发射，若没有则切换到下一路继续发射，若全部发射则结束发射过程。

图5 系统软件流程图

2.2 算法设计

由于本系统对发射过程的时序要求较高，要选择合适的计时算法才可以满足要求。首先对需要用到的变量进行定义，如表1所示。

表1 变量定义

系统初始化成功后即开始计T_current，当检测到按键按下并抬起后，开始触发系统依次点火发射，则

注:结果只取整数部分;

在得到以上各值后进行判断若T_fire 在其值域［0，Num_total* T_period］内说明还在系统发射过程中则接着获取当前的发射序号Num_ missile，重复执行以上过程直到T_fire 超出其值域，即Num_missile=8，则完成整个点火过程。

若当T_current 超出其值域［0，64800］还未点火的时候则重启整个系统重新执行这个过程。其中系统时间由单片机的定时器提供，以中断方式计数，系统定时器每10 毫秒中断一次，时间变量clk_tmp 加1 当clk_tmp 加满五次后系统的当前时间T_current加1 同时clk_tmp 清零。

系统的发射信号是通过检测外部按键的输入来完成的，本系统采用中断方式来检测按键是否被按下。在处理按键的时候需要注意有相应的按键检测的消抖和防止误触发的操作。

误触发有两种可能，一种是按下的时间过短，另一种是按下的时间过长，所以要选择合适的判断条件来判断是否为正常触发，而且合适的判断时间还可以消除按键按下的抖动对系统的影响，一般根据系统会选几十微秒到几百毫秒，本系统选择区间为20ms 到50ms，即当T_button_holdon 在区间［20，50］就算是正常触发，视为有效点火，而在区间外的均视作无效点火。