智能地雷的硬件系统设计

王苗苗，王　玲

(沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159)



智能地雷的硬件系统设计

王苗苗，王玲

(沈阳理工大学，辽宁 沈阳 110159)

介绍了基于核心控制板和功能扩展板的硬件设计理念. 根据智能地雷系统的要求，设计了S3C2416XH-40的控制处理模块.详细阐述了系统的硬件设计思想、工作原理及其终端设备的工作流程. 经实际测试，该硬件电路的设计符合智能地雷系统的性能指标要求，并且具有体积小、低成本、低功耗等优点.

核心控制板；功能扩展板；芯片

本研究根据智能地雷控制系统实际应用对功耗、体积和性能等方面的要求，有针对性地设计了其硬件电路，并对电路的基本原理和功能进行了说明，对其核心器件的选型进行了介绍. 由于系统所处环境存在很多的干扰信号会对主控系统和传感测量单元造成一定影响，因此在硬件电路设计方面采用了抗干扰设计，以提高系统的稳定性

1　智能地雷控制系统概述

地雷控制系统通过每个子地雷系统自组建拓扑网络，使每个子地雷系统的声音、震动和磁传感测量单元与战斗部相配合[1]，自动实现对目标的探测和识别分类，完成目标的定位、运动方向判断、运动轨迹估算，根据微处理器中相应的算法进行威胁判定和态势评估，解算和优化攻击的策略和攻击控制指令，最后由自组建的节点通信网络进行数据交换[2].

实际上，建立地雷控制系统的关键是搭建子地雷系统，根据控制系统要实现的功能，主要搭建测试系统，以便进行战场环境模拟实验.其硬件系统总体方案设计包括系统核心控制单元、系统功能扩展单元和电源模块等几个部分. 系统核心控制单元是控制系统的“大脑”.系统功能扩展单元主要包括节点通信系统、传感测量系统和上位机数据交换系统，电源模块负责整个控制系统的能源供应.

智能地雷控制系统的硬件结构如图1所示.

图1　智能地雷控制系统的硬件结构

2　系统的硬件设计

2.1核心控制器选型和设计

根据控制系统的功能要求选择微处理器.

(1)体积小、功耗低. 由于地雷控制系统是基于小型化、低功耗设计的，因此要考虑体积较小、功耗更低的微处理器.

(2)运算速度快、数据处理能力强. 传感测量单元需要采集大量的数据信息，传输至微处理器进行数据处理，而且要进行攻击策略的解算优化并生成相应的控制指令. 整个过程的实现需要更快的运算速度和数据处理速度.

(3)存储扩展能力强.核心控制器具有较大的ROM和RAM存储空间，可以直接驱动大容量外部存储设备，对测试数据进行存储.

(4)可搭载操作系统.在该控制系统运行过程中，必须对各个任务进行管理、分配和执行.搭载操作系统可以并行处理多个任务，以提高系统运行效率.

(5)实际选择.本设计选用Samsung公司生产的基于RISC体系架构的32位ARM微处理器S3C2416XH-40，作为地雷控制系统的核心控制器.它具有低成本、体积小、低功耗、高性能、数据处理速度快以及可搭载Linux操作系统等特点. 针对地雷控制系统的功能要求，S3C2416XH-40具有以下优点：①采用ARM926EJ内核版本，主频为400MHz，最高可超频到533MHz，运行速度更快；②支持6路具有外部请求引脚的DMA控制器，可提高系统运行效率；③4路串行通信接口，方便了通信扩展；④外部存储控制器支持mSDR/mDDR/DDR2/SDRAM，使系统运行速度提高，数据存储能力增强；⑤2个高速MMC和SDMMC接口，可以用于存储扩展；⑥2路USBHost控制器和1路USBDevice控制器，可方便地外接USB设备；⑦10路12位A/D转换器，传感器模拟量可以直接被输入转换；⑧138个通用I/O口，具有16路外部中断源，易于功能扩展；⑨电源管理模式包括正常运行模式、空闲模式、慢速模式、深度停止模式和睡眠模式，能够保证系统以极低的功耗运行；⑩具有PLL的片上时钟发生器，可为较高工作频率的内部总线提供可靠的时钟.

2.2传感器测量模块设计

在声信号的检测应用中，通常使用声音传感器.在设计中，传感器测量模块选择的声音传感器是驻极体式声音传感器.它具有低成本、低功耗、电声性能较好、结构简单牢固、输出阻抗较低等特点. 驻极体式声音传感器实际上是一种麦克风式声音传感器，主要包括驻极体极头和场效应管两个部分.

由于声音传感器采集到的输出电压信号很微弱，一般仅有几mV至几十mV，而且信号中包含大量的噪声，因此需要对声音传感器的输出电压信号进行放大和滤波处理.图2所示为声音传感器采集输出电压信号的放大电路，可以通过电阻R64和R65来调节放大增益.放大后的模拟信号AIN0直接由主控制器的A/D转换模块进行处理.AIN4用于检测采集到声音信号的幅值(图3).GPF0用于检测外部声音信号输入(图4). 当无声音信号输入时，放大电路输出低电平；当有声音信号输入时，放大电路输出高电平[3-5].

图2　声音传感器信号放大电路

图3　声音传感器信号幅值测量电路

图4　声音传感器输入信号检测电路

3　终端设备的工作流程

在监控区域内，人工布置并连通终端设备，判断监控中心是否正常工作.如果监控中心正常工作，终端节点则快速组织形成无线网络，终端设备处于备战状态；如果监控中心不能正常工作，终端节点之间则进行比较，选择出最优的监控中心，并迅速组成无线网络[6].由传感器采集监控区域的探测参数，通过无线网络发送至各终端设备，同时将数据传回监控中心.监控中心通过网关传回处理数据，建立设备拓扑结构，并监视设备的工作状态.当威胁参数达到阈值时，监控中心向网络设备发送命令，控制地雷节点完成自毁、失效、失能等操作(图5).

图5　终端设备工作流程

4　结束语

根据智能地雷系统的要求，设计出了基于S3C2416的控制处理系统.实验结果表明，该系统结构简单，硬件电路的设计符合智能地雷系统的性能指标要求，并且具有体积小、成本低、重量轻等优点，具有一定的应用价值.

[1]杨宁.无线传感器网络拓扑结构研究[J].无线电工程,2006,36(2):11-13.

[2]缪迪.基于ZigBee的无线传感器网络硬件设计及应用[D].杭州:浙江大学，2010.

[3]高昆.智能雷场的无线传感器网络技术研究[J]. 无线电工程,2008,38(4):2-4.

[4]何胜强，张安.飞机航空电子综合火控系统开发环境仿真[J]．火力与指挥控制，2008，33(2)：41-45.

[5]谢俊杰.毫米波探测技术在智能地雷中的应用[J].制导与引信,2006,27(2):56-60.

[6]穆磊,姜春兰,李明.基于TDMA的战场无线传感器网络节点低功耗通信协议实现[J].科技导报，2010,28(18):75-79.

TheHardwareDesignofIntelligentMine

WANGMiao-miao,WANGLing

(ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China)

Thispaperintroducesthehardwaredesignconceptbasedonthecorecontrolboardandfunctionextension.Accordingtotherequirementofintelligentminesystem,thecontrolprocessmoduleS3C2416XH-40isdesigned,thehardwaredesignideaandbasicworkingprincipleofthesystemaredescribedindetail,andtheworkingflowchartoftheterminalequipmentissimplyintroduced.Bypracticaltest,thedesignofthehardwarecircuitmeetstherequirementsofintelligentminesystem,andhastheadvantagesofsmallphysicalstrength,lowcost,lowpowerconsumptionandsoon.

corecontrolboard;functionextensionboard;chip

2016-06-06

王苗苗(1990-)，女，山东济宁人，硕士研究生，研究方向为先进控制理论与应用.

1006-3269(2016)03-0025-03

TN927

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.03.005