某自行高炮火控系统数字信号并行采集方案设计

陈镜同，孙世宇，段修生

（军械工程学院，石家庄 050003）

某自行高炮火控系统数字信号并行采集方案设计

陈镜同，孙世宇，段修生

（军械工程学院，石家庄 050003）

根据某自行高炮火控系统状态监测的需要，分析了某自行高炮火控系统的信号特点，确定了进行状态监测所需要采集的数字信号，并针对火控系统中的数字信号设计了一种数据并行采集的方案，而且在硬件方面都进行了具体的实现。该设计具有对装备进行数据采集的通用性，为下一步进行数据的分析和处理提供了必要的前提条件。

状态监测，火控系统，并行采集

0 引言

某自行高炮作为我军新型的机动防空武器系统，技术先进、性能优良，但由于维修保障设备不够完善，影响了其战斗力的发挥。该自行高炮采用分布式火控系统，各部分之间深度耦合，信号之间互相影响、互为因果，给故障诊断带来了很大困难。为了及时发现自行高炮性能指标的改变和状态异常，对火控系统进行实时状态监测十分必要。

自行高炮火控系统由光电探测系统、稳定跟踪系统、车体姿态测量与处理系统、火控计算机系统和火炮随动系统等多个子系统组成，各子系统均由多个单体组成。要实现火控系统各分系统或主要单体的故障隔离和定位，就必须获取这些单体间的各种接口信号，弄清楚这些信号间的内在联系，结合系统工作状态等各种信息进行综合判断，才能获得比较好的结果［1］。因此，对该自行高炮火控系统的状态监测设计一种兼顾针对性和通用性的数字信号并行采集系统是必要的。

1 火控系统监测信号的选取

对于一个具体的状态监测系统，通常应具有与之相应的硬件测试设备即数据采集装置，它应与被测装备的信号特点以及监测需求相适应、与采用的状态监测方法相结合。数据采集的主要目的是实现对某自行高炮火控系统运行状态的实时监测，以便得到某自行高炮的最新工作状态。某自行高炮火控系统各个工作模块的信号种类很多，以稳定跟踪系统为例，一方面要接受单炮搜索雷达测得的目标方位角指示信息，把炮塔及跟踪镜调转到雷达指示的目标方位上；另一方面，还要完成对目标的跟踪和坐标测量，并实时向火控计算机输送目标现在点坐标。某自行高炮火控系统状态监测所需数字信号的选取要兼顾易获取和最能表征系统状态的原则，所需采集的数字信号见表1。

表1 装备状态监测所需采集的数字信号

2 硬件方案设计

系统以FPGA和单片机作为控制核心，配以双端口RAM作为数据存储单元，利用AT89S52微控制器和串口模块等外设电路实现。该数字信号并行采集系统设计的原理如图1。

图1 数字信号并行采集系统原理框

实时的装备状态监测必须具备对大流量数据的快速存取能力，对这些数字信号进行同步采集要求具有十分准确的时序和采样速率，用普通的电路实现难度大且不易控制，体积也无法达到要求，从系统的集成度、可靠性、可重构性等方面考虑，FPGA是这类高速实时数据采集系统外围逻辑构造的较好选择。

某自行高炮状态监测系统要求可以同时一次采集40路的数字信号，这就需要FPGA提供40个I/O口，与此同时，FPGA还要对双口RAM、锁存器和单片机进行控制，即3个锁存器的使能信号OE，单片机的读写信号RD和WR还有双口RAM一端的16位数据线、16位地址线以及两端的读写控制信号OEL、RWL和OER、RWR。这些信号都要通过I/O口跟FPGA相连接，除此之外，FPGA的配置和程序下载部分也要占用一定数量的I/O口。根据以上系统设计的需求，本设计选用Altera公司的EPF10K20TC144-4芯片。Altera的FPGA芯片具有高性能、高集成度、可在线配置、价格合理和开发周期短的优点［2］，比较适合在装备进行状态监测时的复杂环境中使用。

对该自行高炮火控系统进行状态监测，要求把采集到的数据能够及时传输给下一步的数据分析处理单元，这就要求该数字信号并行采集系统可以实时地对采集到的装备信号进行简单地数据处理，提取出能够反映装备性能指标的信息，进而指导下一步对装备进行的故障诊断。所以，本设计选择了一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器AT89S520。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。在本设计中，单片机的16位地址线与双口RAM的一端连接，8位数据线连接到一个54HC573锁存器，在读入双口RAM中的数据时，16位的数据通过两个锁存器分成高8位和低8位先后进入单片机进行处理［3］。

该自行高炮火控系统并行数字信号的脉宽一般在10 us左右，根据采样定理，最低的采样频率是200 KHz，但是根据装备状态监测的需求和排除干扰信号的需要，采样频率选择在1MHz，即1ms采入1 000个字节的数据，装备状态监测的时序以某自行高炮火控系统为基准，火控系统中基本上是20ms的周期信号，一次采入的数据量为20 k，但是在一个周期内，每一个信号形式不尽相同，同一种信号的特征参数也有所差别，这是因为整体上火控系统的时序是固定的，但是每一种接口信号的传输大多采用硬件握手控制的方式，因此，具体的信号形式就与硬件运行环境有比较大的关系。由单片机AT89S52的标准功能可知，单片机的片内RAM首先在容量上就不能满足某自行高炮火控系统状态监测的需要，需要对其进行片外扩展，其次，片外扩展的RAM要便于单片机和FPGA对其进行控制和数据的读写［4］。因为装备状态监测所需要的数据信号和ACK与QD信号各是8位，若采用单端口RAM，FPGA和单片机都要对其进行控制，地址线和数据线的分配就会比较复杂，容易出现冲突，给编程实现带来困难。综上所述，本设计选择Cypress公司的CY7C09289双端口RAM可以满足装备状态监测的需要。CY7C09289的容量为64 k，双端口存储器具有2组独立的数据、地址和控制端口，拥有可以同时访问的双端口储存单元，2个端口可以同时读写存储器中的任意单元［5-6］。双端口RAM相当于两片单端口RAM的并联，在通讯过程当中，双端口RAM起到了储存数据和连接FPGA与单片机的作用。

3 系统工作流程

通过对某自行高炮火控系统中所有电缆芯线的信号分析，以及对于装备通用性的考虑，确定设计的数字信号并行采集系统一次同时采入的数据量为40路，即某型自行高炮火控系统4个点的数据和ACK与QD信号。从装备的信号进入该数字信号并行采集系统开始，数据读写、存储以及处理的流程如图2。

图2 数字信号并行采集系统工作流程图

该自行高炮火控系统的数字信号进入本设计系统后，先通过FPGA和有源晶振的作用分频产生16位地址信号。FPGA通过对双端口RAM的控制，连接双口RAM一端的16位地址线和数据线，然后使CE0L和RWL信号低电平有效，CE1L高电平有效，这样就把进来的数据存到了双口RAM一端的存储单元里。接下来就是让单片机从双口RAM的另一端读出采集到的数据并做简单地数据处理，提取出下一步进行故障诊断时能反映装备性能指标的信息。因为本设计选用的单片机AT89S52的数据位只有8位，所以16位的数据在进入单片机之前，先要通过锁存器进行锁存处理，这里选择比较适合在装备上应用的54HC573锁存器。锁存器的锁存允许信号OE由FPGA进行控制，使两片锁存器依次进入低电平有效的状态，同时使双端口RAM连接单片机一端的UBR和LBR信号依次进入低电平有效状态，即控制双端口RAM将16位数据分成高8位和低8位依次输出，并送入单片机。因为装备的状态监测对于数据采集的实时性要求比较高，然而单片机通过RS232串行通信接口传输数据的速率比较慢，数据不能及时传输到下一步的处理单元，造成整个数据采集系统不能正常运行，不能满足装备状态监测的需要。因此，可以把采集到的数据先在单片机中进行简单地处理与分析。

4 结束语

如何针对其具体特点来设计功能全面而又满足精确性等要求的数据采集系统，是对其进行状态监测的基础性问题。而对火控系统信号特征的分析又成为基础中的基础。本文对火控系统内部各单体之间的接口关系和主要信号进行了分类，确定了所需监测的信号数量与类型。设计了一种基于FPGA和单片机的数字信号并行采集系统，并进行了具体的电路实现，该系统能够满足某自行高炮火控系统状态监测的需要，而且具有一定的通用性。

［1］杨坤德，赵亚梅，马远良.高速大容量多通道数据采集系统设计［J］.数据采集与处理，2002，17（4）：455-458.

［2］邵德军，尹项根，李彦武，等.电力设备在线监测数据采集系统中大容量数据存储的实现［J］.继电器，2004，32（12）：68-70.

［3］张鹏超.基于双口RAM的DSP与PC104高速通信接口设计［J］.微计算机信息，2006，22（20）：47-49.

［4］邹向阳，李锋，刘戎.基于双口RAM的双CPU之间的实时双向通信［J］.微计算机信息，2008，24（32）：99-100.

［5］李广伟，许新芳，徐军剑.某牵引高炮火控系统跟踪器常见故障分析与解决［J］.四川兵工学报，2011（6）：49-51.

［6］王雪.基于双口RAM的双CPU并行通信的研究与实现［J］.微计算机信息，2007，23（14）：30-31.

Design of a ParallelDigital SignalAcquisition Program for Antiaircraft Fire ControlSystem

CHEN Jing-tong，SUNShi-yu，DUANXiu-sheng
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

According to the need of condition monitoring for antiaircraft fire control system，the signal characteristics of antiaircraft fire control system is analyzed，and the digital signals to be collected for conditionmonitoring is determined.A parallel data acquisition program for digital signal of the fire control systems，and the specific implementation in terms of hardware is carried out.This design has a versatility of the equipment data collection，providing the necessary preconditions for further processing and analysis of data.

conditionmonitoring，fire controlsystem，parallelacquisition

TP316

A

1002-0640（2015）11-0091-03

2014-09-18

2014-11-05

陈镜同（1989- ），男，辽宁营口人，硕士研究生。研究方向：火控、指控和制导系统理论与应用。