一种发射训练系统设定应答器的设计与实现

赵晋宏, 杨 猛, 王琴娟



一种发射训练系统设定应答器的设计与实现

赵晋宏1, 杨 猛2, 王琴娟3

(1. 山西平阳机械厂代表室, 山西侯马, 043002; 2. 中国船舶工业系统工程研究院, 北京, 100094; 3. 山西平阳机械厂, 山西侯马, 043002)

提出了一种鱼雷发射训练设定应答器的设计方案, 并通过试验验证了该方案的有效性和可行性。该方案具有模拟准确、操作简便、可靠性高、体积小等优点, 可为其他型号产品设定应答器的设计提供参考。采用该方案的模拟训练系统不仅可以节约大量训练经费, 而且可以在低成本条件下大幅度增加演练机会, 促使新装备快速形成战斗力。

鱼雷; 发射训练; 应答器

0 引言

任何一型武器装备都必须经过有关人员的反复操演才能掌握使用, 更好地发挥其作战效能。严格的训练是人与装备紧密结合, 形成过硬战斗力的唯一途径[1]。特别是新型现代化装备, 由于其性能先进, 结构复杂, 高新技术含量提高, 使用难度增加, 在一定程度上限制了试验次数。在各种训练方法中模拟将引起训练方面的革命, 其将成为21世纪的主要训练方法[2]。采取模拟训练方法, 既能使训练形象逼真、近似实战, 又能减少装备损耗, 降低训练成本, 具有其他训练形式所不具备的优点。目前发射训练系统设定应答器就是其中的典型代表。文中提出了一种设定应答器的设计方案, 并通过试验验证了它的有效性。

1 设定应答器的工作原理

发射训练系统设定应答器是训练系统中的一种关键电子装置, 其工作原理就是通过模仿实际产品中的相应电子组件, 实现直升机或舰艇火控系统完成对发射产品武器通道的检查及参数设定等功能。它能模拟产品进行发射前检查、作战参数设定和热电池激活等功能, 也能模拟武器装备进行发射前的弹道和攻击程序设定, 可以根据训练要求进行空投旋回、管装发射、空投蛇行多种发射方式的设定, 可以进行任意搜索角度、任意搜索深度的设定等。设定应答器电子模块由CPU模块、网络通信模块、I/O信号控制模块和电源组成, 用于完成电信号控制、网络通信和流程控制, 其系统框图如图1所示。

CPU模块是设备的核心处理器, 用于对接收的数据和信号进行解析和处理, 并按流程回复相应信号。为提高可靠性, 设定应答器选择双列直插封装的单片机作为主处理芯片。

网络通信模块用于完成10 M/100 M以太网数据接收和发送, 可以同真实产品管装发控仪进行通信, 接收产品参数、发控命令并回复状态信息。

I/O接口模块用于接收设定应答器的电平控制信号, 包括热电池激活信号和发射信号。发射信号利用光耦进行内外隔离。

电源包括外部输入电源和储能设备。正常情况下, 设定应答器由外部供电电源进行供电, 通过变压器将电源转换为产品工作电源, 保证应答器的正常工作。

其硬件设计框图如图2所示。

2 设定应答器的实现

2.1 主要硬件模块设计

2.1.1 CPU处理器

CPU选用一种高性能的80C51类型的8位闪存微控制器, 包含16 kB程序和数据闪存块, 该16 kB闪存可用于并行编程模式或串行模式。拥有256 Byte的内部RAM, 9路4级中断控制器和3个定时器/计数。有可编程计数器阵列、1个1 024 Byte的XRAM、硬件看门狗定时器、键盘接口、2-wire接口、串行外设(serial peripheral interface, SPI)接口, 1个通用串行通道(EUART)和速度提高机制(X2模式)。它的全静态设计能够降低系统的功耗, 同时还可通过软件控制减少功能和8位的时钟模式进一步降低功耗, 在空闲模式下, CPU能保持不工作, 而外设和中断系统仍能正常运作, 在休眠模式下, RAM将保存所有数据用于系统唤醒。

2.1.2 网络芯片

网络芯片选择新型以太网控制器, 如ENC424J600。它是Microchip推出的一款以太网控制器, 网络接口速率可以达到100 Mbps, 提供了2种接口模式, 芯片具有44引脚TQFP和QFN 2种封装形式[3], 是一款优异的网络接口芯片。其主要特征如下。

1) 符合IEEE 802.3协议。

2) 集成媒体访问控制器(media access control, MAC)和10M /100M Base-T以太网物理层器件(physical layer interface devices, PHY)。

3) 具有24 kB发送/接收数据包缓存区。可以配置发送/接收缓冲区的大小, 支持高性能的硬件IP校验和计算, 支持掉电模式下的访问。该缓冲存储器提供了灵活可靠的数据管理机制。基本不需要外接静态随机存取存储器(static random access memory, SRAM)。

4) 具有14 Mb/s SPI接口和8位复用并行接口。并行接口的最大传输带宽达140 Mb/s。

5) 支持半双工、全双工模式。

6) 具有硬件安全加速引擎。支持多种硬件模式和多种软件算法。如RSA, Diffie-Hellman, AES, MD5和SHA-1算法。

7) 具有可编程的冲突时自动重发功能。

8) 具有可编程的填充和循环冗余码生成功能。

9) 具有可编程的自动拒收错误和过小数据包功能。

11) 具有可编程的多数据包格式过滤功能。

12) 单播(Unicast)、多播(Multicast)或广播(Broadcast)信息包。

2.1.3 超级电容

超级电容是超级电容器的简称, 又称为电化学电容器、双电层电容器等, 是根据电化学双电层理论研制而成, 是目前已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种。它的容量是普通电容器的20~1000倍[4], 是同体积电解电容器的2000~6000倍[5]。因为它的容量特别大, 对外表现跟电池相同, 有时也称为“电容电池”。它具有以下特点[6-10]。

1) 充电时间非常快, 充满时间只需要10~ 12 min。

2) 使用寿命长, 在充放电过程中不会发生电化学反应, 充放电循环使用次数可达1~50万次。

3) 大电放逐电能力超强, 能量转换效率高, 过程损失小, 大电流能量轮回效率≥90%。

幼儿对人物造型动态的把握既是重点也是难点。他们最初是以蝌蚪人的形式来表现人物的动态，随着技能技巧的纯熟，部分幼儿能临摹教师示范的人物形象，但缺乏自己的想象。绘本中的每一个角色都有其丰富的表情、神态、动作。艺术家们运用不同的创作手法让幼儿在欣赏绘本的过程中，通过观察更好地理解人物表情、神态、动作的绘画表现方式。通过对故事中人物形象的观察和模仿，来丰富自己的已有经验，从而改善原本在绘画活动中可能会出现的表情或动作单一的现象。绘本中的人物形象和拟人化的动物形象充满活力，能让幼儿通过观察以全新的视角去塑造自己心中的角色形象。

4) 比功率非常高, 可达3 kW/kg, 比任何化学蓄电池都要高。

5) 不需专门的充放电电路, 安全系数高, 长期使用免维护。

6) 低温条件下使用特性好, 在低温工作时容量仅减少10%左右。工作温度范围宽(–40℃~+ 70℃)。

2.1.4 光耦隔离芯片

光耦合器选择一款用于双通道的高速光耦合器, 光电耦合优点如下。1) 信号受干扰的程度少; 2) 防止静电的干扰; 3) 可以减少输出信号的误差干扰。采用光耦隔离技术, 完全隔离了输入端和输出端之间的电气与地线回路, 使一端的电信号变成光信号以后传到另一端, 然后再变回到电信号, 可以免遭地线回路和浪涌的干扰和损坏, 可以明显提高系统的可靠性与稳定性。

2.1.5 断电续航模块设计

系统要求应答器在外部电源断电后, 仍能正常工作秒, 按照应答器的设计方案, 在应答器内部使用了一个超级电容, 在外部电源供电时, 超级电容将自动充电, 在外部电源断电后超级电容将支持应答器持续工作秒以上。

超级电容放电时间计算公式[11]

式中:为电容容量;为放电电流;1为初始电压;2为终止电压;1为放电初始到电压达到1的时间;2为放电初始到电压达到2的时间。

根据系统设计, 应答器内部单板使用的是5 V供电方式, 电压浮动范围为5%, 那么当5 V电源下降到4.75 V以下时, 单板将无法正常工作。因此1的值为5 V,2的值为4.75 V,2-1的值为1.5 s, 由整板功耗可计算出单板工作需要的电流为mA, 由超级电容放电时间计算式(1), 可得出要使用应答器续航秒, 超级电容需要有的电容容值为

也就是说, 只要超级电容中有相应容量, 就能够支持应答器断电后工作秒。

再根据超级电容充电时间计算公式[11]计算需要的充电时间。

式中:为充电时提供的电流;为充电时间;为充入到超级电容中的容值;为压差(充电前后的电压差)

外部电源能提供给应答器的最大功率为20 W,除去系统内单板所需要的功率和部分损耗, 估计外部电源最大能提供15 W给超级电容充电, 即所提供的最大电流为3 A。

由式(3)可得

理论上只要应答器上电2.86 s, 超级电容就能充电达到1.56 F, 断电后超级电容就能支持应答器工作秒。为了加强系统的可靠性, 可选择的超级电容如SP-5R5-Z106VY, 其额定放电电容为10 F, 根据式(3), 需要20 s就能将其完全充满, 即应答器供电时间能达到20 s, 且系统能够提供给应答器20 W的功率, 超级电容就能完成充电, 完全能保证系统断电后续航秒。

2.2 软件设计

应答器采用小型化、智能化、低功耗设计, 使用超低功耗的8位微控制单元(microcontroller unit, MCU)进行数据运算及逻辑处理。如何有效减少控制软件对存储空间的占用, 提高控制软件的运行效率, 是软件方面需要解决的关键技术之一。

为简化设计, 提高系统可靠性和实时性, 利用标准C语言和汇编语言进行软件编程, 通过相应工具直接烧录在芯片中。软件按功能划分为网络驱动函数、I/O接口管理函数、定时器函数、协议解析函数、中断控制函数和主管理函数等部分, 各函数间尽量独立, 确保软件的可靠性和稳定性。软件系统的安全性应符合GJB900的要求, 采用容错性设计, 对一些非规范操作, 软件拒绝执行。

应答器软件网络通信部分主要采用TCP/IP协议栈裁剪技术解决内存空间和运行效率的问题。由于需要完成可靠的以太网数据传输, 避免网络误码或丢包, 因此TCP/IP协议是软件开发必不可少的支撑模块。但针对产品本身的特点, 其工作过程中主要目的是实现点对点TCP通信, 并没有使用到协议栈的全部功能。因此, 针对TCP/IP协议栈进行裁剪实现, 去掉与产品功能无关的模块, 将协议部分的设计和开发重点放在IP/TCP/ICMP/ARP 这些网络层和传输层协议上, 不但有效降低了软件占用内存的大小, 同时简化了通信流程, 提高了软件的通用性和运行的稳定性。在协议栈设计方面, 采用将应用层、协议栈层、硬件层共用一个全局缓存区方法, 可大大节省空间和时间。

2.3 电磁兼容性设计

设备在设计时必须注重提高模块的电磁兼容性能, 应符合GJB151B-2013《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》、GJB1389A-2005《系统电磁兼容性要求》和GJB/Z25-91《电子设备和设施的接地、搭接和屏蔽设计指南》要求。

外部干扰通过辐射、传导或两者同时存在的传递方式, 经设备缝隙及线缆进入设备内部。形成外部干扰, 同时内部高频的电磁波也会泄漏出去而影响周边设备的正常工作。对内外部电磁杂波地屏蔽和接地处理是外部设计的基本手段。采取的措施如下。

1) 采用导电性能良好的铝合金材料, 采用整体焊接的方式制作设备的机箱, 在电磁屏蔽上形成连续导电的屏蔽外壳。焊接方式避免了螺钉连接的接触电阻大, 以及电接触连续性随时间推移变差的问题。

2) 为保证搭接部位的电接触, 内腔采用导电氧化处理, 提供更持久的接触电阻保证和抗腐蚀设计。

3) 箱体的分型结合面采用弹性导电材料填充缝隙, 同时提供密封和电磁屏蔽性能。

4) 设备搭接部位的缝隙、螺钉间距应在70~85 mm之间。

5) 电气件所在腔体均为密封式的箱体。

6) 电源输入部分加低通滤波器, 有效解决由电源出线导致的电磁兼容隐患。

7) 对电磁干扰敏感的位置, 如电源入口部分, 采用连续导电的结构件把其封闭在一个壳体内部。

2.4主要功能

装置设计完成后的主要功能:

1) 当系统进行连通性检查时, 能够模拟产品的连通性检查信息;

2) 当系统进行发射前自检时, 能够模拟产品的自检信息反馈;

3) 当系统进行参数设定时, 能够模拟产品的预设定信息反馈, 并将反馈结果贮存;

4) 当系统启动热电池时, 能够模拟产品热电池启动后的反馈信号。

此外, 软件采用数据记录和回放手段, 将重要的应答信息存储到本地flash中。以参数设定为例, 一次发控流程中, 系统可能会多次向应答器发送预设定信息。应答器接收到预设定信息后, 一方面模拟真实产品, 将预设定信息回复给系统, 作为模拟设定成功的依据; 同时, 由于发射前的最后一帧预设定参数作为产品出管后运动的输入, 是关键应答数据, 因此应答器软件将最后一帧设定和应答数据进行存储。试验完成后, 若产品出现设定异常, 用户可以将数据重新读取和解析出来, 识别异常的问题是出现在系统还是应答器本身。

3 试验验证

采用与舰船上配置一致的某型发控仪进行多次匹配试验, 在操作过程与真实产品一致的情况下, 通过各种参数设定、应答, 发控仪反馈的各种参数完全一致, 符合要求。

将设定应答器装入某发射训练系统后, 在湖上组织实施了2次试验, 设定应答器按程序进行参数设定、发射及信息反馈等项目试验, 通过试验验证了设计的合理性和有效性, 试验结果表明该设计可以完成模拟发射训练的各种功能要求。

4 结束语

文中采用高性能低功耗CPU控制器、网络芯片、超级电容等器件, 设计实现了一种简便可靠的发射训练应答器。该装置可模拟部分产品挂机空投和舰载管装火控系统的实际设定, 具有结构简单、操作方便、可靠性高、体积小等优点, 可以为设计产品模拟发射训练系统提供参考。

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Design and Implementation of a Setting Transponder for Torpedo Launch Training System

ZHAO Jin-hong1, YANG Meng2, WANG Qin-juan3

(1. Military Representative Office, Stationed in Shanxi Pingyang Machinery Factory, Houma 043002, China; 2. System Engineering Research Institute, China State Shipbulding Corporation, Beijing 100094, China; 3. Shanxi Pingyang Machinery Factory, Houma 043002, China)

A design scheme of setting transponder for torpedo launch training system was proposed, and its effectiveness and feasibility were verified by experiment. The scheme has the advantages such as accurate simulation, simple operation, high reliability and small size, and may provide a reference for design of other setting transponders. Application of this scheme to simulation training system can save training cost, and can significantly increase the chance of training at low cost to promote rapid formation of fighting force for new equipment.

torpedo; launch training; transponder

10.11993/j.issn.1673-1948.2016.01.015

TJ635

A

1673-1948(2016)01-0076-05

2016-01-05;

2016-01-14.

赵晋宏(1967-), 男, 高工, 硕士, 主要研究方向为鱼雷总体与动力技术.

(责任编辑: 许 妍)