无线电引信信息处理技术探究——以单片机为例

庄清瑶

（南京交通技师学院 江苏 南京 210000）

0 引言

与传统物理引信相比，无线电引信的优势在于能够在不直接接触爆炸物的情况下，成功将其引爆。随着单片机技术的不断成熟，设计人员尝试以单片机为基础，设计无线引信低频信息处理系统，借助这种方式提升信息处理速度以及数据精度，使得无线电引信能够在各种复杂的工作环境中保持稳定的工作状态，抵御各种外部干扰因素的影响，对接收到的信息进行准确的识别与处理，并根据设计好的引爆程序在特定时间引爆弹药。想要达到这一目标，科研人员就要从软件、硬件两个方面，设计基于单片机的无线电引信信息处理系统。

1 基于多普勒效应无线电引信工作方式

所谓的多普勒效应，实际上就是当接收机与振荡源之间存在相对运动时，接收机一端所收到的振荡频率，与振荡源一端的振荡频率存在差异（图1）[1]。

如果将振荡源一端振动为S，接收机一端振动为R，两者之间的距离设为r，振动波在空气中的传播速度为Vω，则振动源一端的速度为Vs，接收机一端的速度为VR，二者做接近运动。

假设此时时间为t1，振动源发出的振动波抵达接收机时间为θ1=t1+r/(Vω+VR)，如果时间来到了t2=t1+τ，则振动源发出振动波到达接收器的时间θ2=t2+[r-（Vs+VR）τ]/(Vω+VR)。

如果将振动源的振荡频率设为f0，那么在单位时间内所发出的振荡波数位N=f0τ，接收机一端所能够接收到的频率为f=n/θ，该公式中的θ=θ1-θ2，因此可以得到公式：

当振荡源与接收器相互接近的时候，f＞f0，△f＞0。

另一种情况，当振荡源与接收器没有进行相互接近运动，二者向相同的方向运动（图2）。

则VR＞Vs，Vω＞VR，当时间为t1，振动源处传出的振动波，抵达接收器的时候，可以将时间设为θ1=t1+r/(Vω-VR)。如果时间来至t2=t1+τ，则振动波由振动源抵达接收器的时间为θ2=t2+[r+（VR-Vs）]/(Vω-VR)τ。则这种状态下，接收机所接收的信号频率公式如下：

2 无线电引信信息处理硬件系统设计

该硬件电路系统中所搭载的软件系统为Proteus软件，其优势在于能够在视窗操作系统中稳定运行，利用该系统能够将绝大部分与电路输出有关的技术结合在一起，具有良好的开发环境。同时其自带的软件开发平台，能够为硬件设计研究院设计电子电路提供帮助[2]。

2.1 控制芯片模块

在单片机的帮助下，控制芯片模块成为整个无线电引信系统的基础，为了确保引信系统能够正常工作，需要不断提升控制芯片的运行速度，在提升芯片集成度的同时降低其功耗。在此基础上，主控芯片模块还需要开放ADC、GPIO等接口，便于日后对该系统进行拓展与升级，满足不同功能需求。基于上述要求，设计人员最终决定使用型号为C8051F330的单片机，作为无线电引信信息处理系统的控制芯片。

与传统单片机相比，该单片机的优势在于：C8051F330型单片机上集成了混合信号片上的所有微型控制装置，由于其内部为流水型框架，因此能够快速处理大量数据信息。此外，该型号单片机还能够与CIP-51微控制装置实现全面兼容，且该芯片内部安装有高频振荡装置，该装置能够作为芯片的时钟，确保该单片机在没有外部电源的情况下准确计时。

2.2 低通滤波电路

该系统在接收振荡波信号时，不但会接收到目标振荡信号，同时还会接收到大量噪声信号以及电路系统工作过程中所产生的高频信号。为了提升接收装置接收目标信号的效率，需要使用特定的设备，将与目标信号无关的信号过滤掉，减少进入下一个信息处理阶段的信号数量，提升信号处理效率[3]。

设计人员在该电力系统中安装了低通滤波装置，该装置的作用就是对各种杂乱的信号进行过滤，仅允许特定信号通过，提升有效信号的增益，以及无线电引信系统的反应灵敏度。

优秀的滤波器，需要同时满足两项要求：第1个要求是要具备优秀的低通滤波能力；第2个要求是确保通过的信号不会出现失真问题。综合上述条件，本次设计中选择使用巴特沃斯低通滤波器，该滤波器的优势在于能够提供尽可能大的信号平坦度，确保目标信号通过滤波器之后，不会对目标信号的幅度造成影响，避免目标信号经过滤波器之后出现失真问题。

本文所使用的巴特沃斯低通滤波器为二阶有源低通滤波装置，设计人员尝试对其低通截止频率（fc）进行优化，令其频带宽度收紧，能够更为高效地过滤出目标信号。

该型号低通滤波器通带信号放大的倍数为Aup=-R3/R1，信号放大倍数公式为：

该系统中，截止频率为：

公式中的fc实际上是以1 kHz信号为基准的无线电引信系统硬件中各种元器件的参数，想要确保接收到的信号不会在滤波器的作用下失真，就要将放大倍数调整为1。这种情况下，该电路中Rf=R1=R2=R3，且，此时C1-3QCf，C2=Cf/3Q。设计人员通过查阅该滤波装置的归一化图表，计算出Q的值为0.707108，如果电容取值为C1=22 nF，则反馈电容的数值为Cf=C1/3Q，经过计算，反馈电容数据为10.38 nF。

借助上述设计，该滤波器能够有效将特定频段内的无线电信号过滤出来，提升引信系统的灵敏性。

2.3 A/D采集装置

A/D采集系统内部配备了3.3 V的标准电压，以香农采样定理，A/D装置开始进行数据转换工作时，其采样率要超过被采集信号频率的两倍，只有满足这一条件才能确保A/D采样装置所采集到的信息完整、准确。实际应用过程中，考虑到各种外部因素对A/D采样装置收集数据可能造成的干扰，一般情况下采样率要超过被采集信号频率的2.57～4倍。基于这种情况，当采样率达到4K即可满足使用需求。

考虑到引信的幅度以及频率等多种因素，C8051F330型单片机内部安装了可编程多路选择装置以及ADC装置，借助这种方式确保将采集到的数据全部输入单片机，并进行模数转换。

为了确保ADC装置能够稳定工作，在正式运行之前，相关工作人员需要对单片机内的各种寄存器进行参数调整以及校对。当完成了参数调整工作之后，针对单片机内部的ADC0CN以及ADC0CF这两个寄存器，要进行初始化处理，同时设定A/D采集系统的转换时序，通过这种方式确保A/D系统能够根据设定的程序运行。

2.4 显示电路

实际使用过程中，需要对频率测量电路的工作状态进行验证，确保其能够正确测量无线电引信信号频率。因此需要设计显示电路，方便观测测量结果。设计人员使用74LS245芯片以及能够显示4位数的显示管，共同组成显示电路，前者是显示电路中常用的一种计算机芯片，作为一种三态总线转换装置，能够有效解决电路中的电平匹配问题，且能够进行数据的双向传输。本文中将该芯片A0—A7引脚作为数据输入端口，将其与单片机中的P0.1—P0.7端口相连。这种连通状态下，显示管每一位数的引脚，分别显示单片机P0.2、P0.3、P0.5、P0.7端口传输的数据（图3）。

3 无线电引信信息处理软件系统设计

硬件设计工作结束之后，设计人员需要对C8051F330型单片机进行软件设计，借助软件系统实现对于远程模拟信号的收集、处理以及保存等工作。由此可见，数据采集、处理模块，就成了无线电引信信息处理软件系统设计工作的核心，该模块对于无线电引信信息处理系统的逻辑判断准确性以及反应灵敏性意义重大。想要提升信息控制输出效率，设计人员需要基于C8051F330型单片机，设计出操控性良好、反应速度快的软件系统。

3.1 主程序设计

以C8051F330型单片机为基础所设计的软件系统，其主要作用在于定时器、转化器以及延时函数的初始化处理，并对测量频率、炸高以及引爆等指令进行时序控制[4]。

主程序完成初始化之后，炸高控制系统进入工作状态，通过延时控制，将C8051F330型单片机内部的电压值作为整个无线电引信系统的电压值，借助定时装置对于信号周期进行测量，并通过单片机内置芯片计算出信号的频率。如果信号的频率集中度符合设定值，则AD系统开始运行，对包络信息进行采集与分析，计算出炸高具体数据，当计算出的炸高＜3 m，则进入点火步骤，完成弹药引爆工作。

3.2 测量信号频率系统

基于连续波多普勒原理所研制的无线电低频率引信，其多普勒频率（fd）是一个浮动的数值，也可以将其看作为一个频谱，引信的工作波长、反射面具体位置以及天线波束的具体宽度，对于多普勒频率的宽度都会产生影响。在对地状态时，多普勒频率只需要考虑弹药与目标位置交会时的落脚与落速。事实上，弹药的最终落脚与落速，由复杂的射击条件所决定，这种情况下，无线电引信的多普勒频率会随着射击条件的改变而出现波动。

从宏观层面来看，频率是组成无线电引信信号的一种非常重要的物理量，对频率进行的测算十分普遍，因此科研人员需要对频率测量方式进行深入研究。目前，工程领域常用的信号测量方式主要为周期测量法以及频率测量法。前者也被称为“测周法”，其原理是针对脉冲信号进行周期性的测量，在此基础上计算出被测量信号的倒数，进而得到脉冲信号的频率数据。而后者主要是在规定的时间内，对于能够记录到的完整波形进行分析，总结在规定时间内一共收集到了几个完整波形，将完整波形的个数与规定的记录时间相除，进而得到信号的频率[5]。

尽管这两种检测频率的方式较为常用，但在实际检测过程中，会存在测量误差。经过研究发现，出现误差的主要原因在于计数装置工作过程中，只能识别整数，因此在收集脉冲波的完整波形个数过程中，会存在±1的误差，基于这种情况，可以根据误差公式ε1=(△N)/N，计算两种计算频率数据方式的误差值[6]。

针对测频法，其误差计算公式为：

针对测周法，其误差计算公式为：

通过公式（4）（5）的分析可以发现，在系统时间一致的情况下，采用测频法测量低频信号时产生的误差值，要大于测量高频信号时出现的误差值，而测周法与其正好相反。

该系统中，采用C8051F330型单片机的系统时钟（fsys）作为基准信号，同时使用单片机外部中断作为计数的依据，得到计数值n并测量多普勒信号频率，fd=fsys/n。

依据多普勒频率所在的频带以及多普勒频率的集中度，对多普勒信号进行确认，避免信号受到干扰[7]。集中度的测量，通常情况下使用测量值的方差数据进行评估，该系统运行过程中，方差运算存在大量平方，使得单片机的运算量增加，针对这一情况，需要利用集中度D计算测量值xi与之差的绝对值进行评估：

该系统中使用测周法对无线电引信的信号频率进行测量，将经过滤波与整形之后的信号，转变为方波信号，使用单片机中用于读取信息的上升沿，在这个过程中将振荡器的标准周期调整为Tc脉冲计数装置，对脉冲信号完整波形进行计数，进而得到被检测信号周期数值Tx=Tc×n，在此基础上对被检测信号进行求倒，最终得到无电线引信信号频率[8]。

3.3 低频信号处理

当单片机收集的多普勒频率信号满足相关要求之后，对该信号的A/D进行采集，进而得出炸高数据。该数据会受到很多外部因素的影响，例如高频灵敏度、低频灵敏度散布情况，以及射角发射系数等。这种情况下，如果只依靠灵敏度变档对炸高进行分类，无法对不同引发条件下的炸高进行分档。想要解决这一问题，就要利用定距离炸高技术实现对于炸高的分档。

多普勒信号幅度（u）与无线电引信之间的高度差（H），需要满足以下关系式：

实际工作中，无线电引信的一次交会，能够确保任务N、D、F（Φ）保持不变，基于这一特点，设计人员可以设定在两种不同的高度（H1、H2）的情况下，与其对应的多普勒信号频率（U1、U2），则可以得到公式：

若U1与U2在时间维度上，其差值为一个多普勒周期，其高度差为λ/2，可以得到公式：

如果可以测定fd的周期以及频率，只要再计算出一个单位时间内fd信号包络的两个数值，就可以推算这一时刻与地面高度差，进而确保炸高恒定[9]。

3.4 A/D包络

从整体上看，A/D包络数据的采集与分析，是控制炸高的关键因素，实际工作过程中，其内部滑动变阻器的数据在不停变化，通过这种方式计算A/D包络数值大小。若ADC0数据每过一个完整的信号周期，就能够采集到两个信号幅度值，且经过计算之后炸高数值小于3 m，则代表着控制炸高数据的系统输出了高电平，此时弹药的点火系统启动。因此，在启动ADC0系统采集包络信息之前，需要对工作模式进行设定。

本文中使用的单片机，其ADC0引脚为P0.6。正式开始采集ADC数据之前，需要对单片机内的ADC进行初始化，借助软件系统开启ADC内的模数转换通道，将ADC0调整至单通道模式。

依据ADC0采样的时间公式：

通常情况下，采样周期数值为56.5，因此炸高系统ADC0通道的转换时间为：

在ADC转换器通道正式启动之前，需要通过软件启动其自校准功能，为了达到这一目标，需要调用函数ADC0_Mode_Vonfig()，借助这种方式将精准度误差控制在规定范围内。自校准工作结束之后，运用模数转换系统，通过调用库函数ADC_SoftwareStartVonvCmd()来启动A/D包络数据转换工作[10]。

其转换程序如下：

完成软件部分的设计工作之后，利用专业测试程序对该软件系统进行编译验证，确保该程序不存在错误，能够正常启动并稳定运行。

4 结语

随着科学技术的飞速发展，控制器的体型越来越小，将单片机这种微型控制装置安装在引信系统内部，能够有效收集目标信息，并对特定区域的物理数据变化进行收集与处理，通过这种方式控制炸高并判断弹药是否进入了目标范围。因此，相关设计人员需要基于单片机技术，对无线电引信低频信息处理技术的优化问题进行深入研究，通过硬件与软件的设计，确保无线电引信能够正常工作。