朱明珠，李 軍，欒東海，莫宗來，吳 磊

（南京理工大學(xué) 江蘇 南京 210094）

為了提高重要軍事目標(biāo)的生存能力，研究超近程主動防護系統(tǒng)，既可以有效應(yīng)對突發(fā)性、規(guī)模性軍事打擊，也可以抵擋精確制導(dǎo)武器的侵略破壞作用。研制以某型裝置作為武器平臺的近程防護武器系統(tǒng)對提高我軍重要軍事目標(biāo)生存能力有重大意義，而現(xiàn)代化的控制系統(tǒng)又使得整個武器系統(tǒng)更加可控化，智能化。目前，即使進程防護武器的重要性已經(jīng)凸顯出來，但是依然存在一些缺陷，比如武器系統(tǒng)反應(yīng)速度比較慢，打擊精度比較低。例如，在目前對于火箭發(fā)射系統(tǒng)的研究中，文獻[1]主要研究的是步進電機，由于其開環(huán)控制系統(tǒng)使得其控制精度比較低，響應(yīng)速度比慢；而在文獻[2]中，此伺服系統(tǒng)提出的觀察器無法在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)使用。為了解決這些問題，在本系統(tǒng)中，采用了動態(tài)響應(yīng)靈敏度快，隨動性好，可靠性高的伺服電機，并且采用了比較優(yōu)化的軟件編程，解決了這些問題。

1 系統(tǒng)功能與方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能分析

某火箭炮控制系統(tǒng)的功能主要是：武器系統(tǒng)的初始自整，俯仰和回轉(zhuǎn)運動，按鍵控制和液晶顯示，以及與火控系統(tǒng)的通信交流。如圖1所示，系統(tǒng)包括4個模塊，初始自整模塊、運動模塊、按鍵顯示模塊和通信模塊。電源供電模塊為所有板塊提供工作電源。

圖1 控制系統(tǒng)功能圖Fig.1 Functional diagram of control system

1.2 系統(tǒng)方案

1.2.1 運動控制模塊

在本系統(tǒng)中，除了可以通過火控系統(tǒng)發(fā)送信號控制發(fā)射裝置的俯仰運動和回轉(zhuǎn)運動以外，還可以通過按鍵操作控制發(fā)射裝置的俯仰和回轉(zhuǎn)運動。其主要工作過程為：打開外部380 V電源，系統(tǒng)進行初始化，之后系統(tǒng)進行初始自整（在某些特定情況下，此過程可以通過按鍵手動操作進行），在系統(tǒng)找到俯仰和回轉(zhuǎn)方向的零位后給火控系統(tǒng)發(fā)送準(zhǔn)備完畢處于預(yù)發(fā)射狀態(tài)的信息。當(dāng)某一時刻火控系統(tǒng)接到雷達的發(fā)現(xiàn)目標(biāo)位置的信息后，計算出合適的發(fā)射位置并通過通信模塊將此指定位置發(fā)送給武器系統(tǒng)，武器系統(tǒng)會在0.75 s內(nèi)調(diào)整到指定炮位，并立即將發(fā)射準(zhǔn)備完畢的信息返回到火控系統(tǒng)，由火控系統(tǒng)控制發(fā)射。發(fā)射任務(wù)完成后，火控系統(tǒng)給武器系統(tǒng)發(fā)送復(fù)位指令，武器系統(tǒng)將自動調(diào)整到初始零位狀態(tài)。

1.2.2 按鍵顯示模塊

在按鍵模塊中含有薄膜開關(guān)和普通開關(guān)兩種：薄膜開關(guān)主要用于手動操作控制系統(tǒng)，包括控制其自整和俯仰回轉(zhuǎn)運動；普通開關(guān)用于選擇操作模式和選定零位。

顯示模塊是由HG12864-12型號的液晶顯示屏、控制芯片ST7920和驅(qū)動芯片ST7921組成的，具有4位或者8位并行，2線或者3線串行接口方式的點陣圖形。HG12864-12顯示屏是目前比較通用的液晶顯示屏，內(nèi)部含有字庫，方便編程，可以顯示圖形或者8×4行16×16點陣漢字。其對外提供標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)和控制接口以及控制器指令，使用時只要將其命令和數(shù)據(jù)寫入液晶顯示控制器編程內(nèi)置緩沖區(qū)即可實現(xiàn)各種顯示功能。本系統(tǒng)中液晶顯示屏采用的是2線串口連接模式，主要用于顯示錯誤提示、目標(biāo)的方位角度和系統(tǒng)自身轉(zhuǎn)過的實際角度。

1.2.3 通信模塊

TMS320F2812器件包含了串行通信接口SCI模塊，SCI接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，可以單獨工作或者在全雙工的方式下同時工作，SCI對接到的數(shù)據(jù)進行間斷監(jiān)測并校驗，通過超時和幀出錯的檢查來確保數(shù)據(jù)的完整性。該SCI模塊帶有與RS-232標(biāo)準(zhǔn)一致的異步串口，使得TMS320F2812可以方便地與其他使用標(biāo)準(zhǔn)格式的異步外設(shè)進行數(shù)據(jù)通信。在本設(shè)計中通信子系統(tǒng)就是通過標(biāo)準(zhǔn)RS-232串口完成DSP與火控系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信控制[3]。

1.2.4 初始自整模塊

初始自整模塊是為了滿足武器系統(tǒng)在發(fā)射精度要求，在系統(tǒng)開機后會自動運行初始自整模塊（在某些情況下，也可以通過按鍵控制手動操作進行整定），找到方位和俯仰方向的零位后給火控系統(tǒng)發(fā)送已經(jīng)完成發(fā)射準(zhǔn)備的信息，其自身處于待命狀態(tài)，等待雷達發(fā)射目標(biāo)位置信號及發(fā)火命令。

初始自整模塊的功能通過接近開關(guān)發(fā)送信號并由DSP處理器經(jīng)過一系列特定的運算實現(xiàn)。接近開關(guān)選用電感式、圓柱型、PNP輸出、三線直流常閉型接近開關(guān)。接近開關(guān)是一種小型感測頭，安裝靈活，反應(yīng)靈敏，即使在有水或者在油漆噴濺的苛刻環(huán)境下也可以正常工作，由于其非接觸檢測的工作特性，避免了對傳感器自身和目標(biāo)物的破壞，并且其無觸點輸出的工作方式，使得其工作壽命比一般的傳感器工作壽命長。

設(shè)計以DSP芯片TMS320F2812作為控制核心，系統(tǒng)開機初始化結(jié)束后進行自整，通過雷達火控系統(tǒng)發(fā)送命令字符串控制武器裝置的俯仰運動和回轉(zhuǎn)運動，達到要求后自動向指定位置發(fā)射火箭彈；通過液晶顯示屏可以觀察到火控系統(tǒng)發(fā)出的目標(biāo)位置，系統(tǒng)實際轉(zhuǎn)過的方位角度、回轉(zhuǎn)角度和報錯信息；通過按鍵可以實現(xiàn)選擇操作模式和選定零位。

TMS320F2812是一款用于控制的高性能、多功能、高性價比的32位定點DSP芯片[5]。該芯片兼容TM320F2407指令系統(tǒng)，最高可在150 MHz主頻下工作，并帶有18k×16位0等待周期片上ARAM和128k×16位片上FLASH。它采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有密碼保護機制，可進行16×16位和32×32位MAC操作，因而可兼顧控制和快加速運算的雙重功能。其外設(shè)主要包括 2×8 路 12 位 ADC，2 路 SCI，1 路 SPI，1 路 McBSP，1路eCAN等，并帶有兩個事件管理模塊。另外，該器件還有3個獨立的31位CPU定時器，以及多達56個獨立編程的GPIO引腳，可外擴大于1 M×16位的程序和數(shù)據(jù)存儲器。鑒于以上因素，本系統(tǒng)的微處理器是以TMS320F2812核心的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計及實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

本系統(tǒng)硬件為基于DSP的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)包括4個模塊，初始自整模塊、運動模塊、按鍵顯示模塊和通信模塊，電路板實物圖及硬件系統(tǒng)原理分別如圖2，圖3所示。

圖2 電路板實物圖Fig.2 PCB physical map

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.3 Principle block diagram of control system

2.2 電路設(shè)計

2.2.1 降壓驅(qū)動

本設(shè)計中一共有3部分的降壓電路，分別是內(nèi)部電源降壓電路，接近開關(guān)降壓電路和編碼器反饋降壓電路，考慮到這3部分降壓電路具有不同的物理特征，采取了不同的降壓電路設(shè)計。通常降壓的設(shè)計有3種方案，分別是使用DC/DC降壓芯片，二極管降壓和電阻分壓降壓。

1）通常使用的DC/DC降壓芯片是LM1117系列，LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列，輸出端需要一個至少10 uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。這種靠芯片降壓的方式比較簡單可靠，但是只在直流電壓的情況下工作良好。因此，在內(nèi)部電源降壓電路中選擇了這種設(shè)計方式，本系統(tǒng)采用兩片LM1117將+5V分別轉(zhuǎn)換為+3.3 V和+1.8 V的輸出電壓。

2）二極管的本質(zhì)是一個PN結(jié)，電流從P流向N，反之不導(dǎo)通，P極和N極的壓降為0.7 V，但是由于二極管的單向?qū)ㄌ匦裕装l(fā)生擊穿，并且當(dāng)壓降較大的情況下，需要串聯(lián)較多個數(shù)的二極管，較為繁冗。因此，本設(shè)計沒有使用這種方法。

3）電阻分壓降壓常用于弱電類降壓情況，按照需要得到的電流大小確定分壓電阻的阻值，要確保分壓電阻的功率要符合電路最大功率的要求，防止電阻被燒毀。這種方式中，電阻可以根據(jù)具體的需要選擇合適的功率和阻值，比較方便和簡潔。本設(shè)計的接近開關(guān)降壓電路和編碼器反饋降壓電路都采用了這種設(shè)計方式。其中，接近開關(guān)降壓電路從12 V降到3.3 V，編碼器反饋降壓電路從5 V降到3.3 V。如圖4和圖5所示。

圖4 接近開關(guān)降壓電路原理圖Fig.4 Principle diagram of reduced voltage for proximity swich

圖5 編碼器反饋降壓電路原理圖Fig.5 Principle diagram of reduced voltage for encoder

2.2.2 液晶顯示電路

本設(shè)計中采用的是基于TMS320F2812控制的液晶顯示模塊，其中TMS320F2812與液晶顯示模塊HG12864接口電路如圖6所示。DSP發(fā)出的數(shù)據(jù)由串行數(shù)據(jù)輸入端SID傳輸給HG12864，串行同步時鐘SCLK在上升沿時讀取SID數(shù)據(jù)，需要在PSB端口接入低電平，選擇串口方式。

圖6 TMS320F2812與HG12864相連的電路原理圖Fig.6 Principle diagram of TMS320F2812 connect with HG12864

3 系統(tǒng)調(diào)試與結(jié)果

將元器件焊接在電路板上，檢查是否有虛焊漏焊的焊點，測量電源是否有焊接短路現(xiàn)象，確保電路板的電源供電正常，各個模塊間的連線正確。電路板實物連接如圖7所示，經(jīng)過調(diào)試，程序運行完好，武器系統(tǒng)可以實現(xiàn)30°回轉(zhuǎn)方向運動，30°內(nèi)高低方向運動以及對武器系統(tǒng)初始自整、手動操作、按鍵顯示、與火控系統(tǒng)通信交流等一系列的功能要求。

圖7 電路板實物連接圖Fig.7 Hardware connection diagram of PCB

4 結(jié)束語

目前，DSP控制系統(tǒng)在各類儀器和測控系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，它比單片機集成度更高，運行速度更快，功能更強大，是一種特別適合于進行數(shù)字信號處理運算的微處理器，主要應(yīng)用于實時快速地實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法，通常工程上偏向于使用TMS320F2812，這里主要介紹了DSP降壓電路及DSP與HG12864—12接口電路，通過調(diào)試和實驗證明本設(shè)計具有良好的實時性和可靠性，可以滿足設(shè)計要求。

[1]陳玲，李軍，朱明珠.基于DSP的ATV-ATT中控系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程，2010，18（11）:103-105.CHEN Ling，LI Jun，ZHU Ming-zhu.Design of ATV-ATT central control system based on DSP[J].Electronic Design Engineering，2010，18（11）:103-105.

[2]WANG Chen-yuan，XU Zhan.Fuzzy and VSC control AC servo driving system based on the torque observer[J].Elec.Trans.，1998（1）:17-20.

[3]姜艷波.數(shù)字信號處理器DSP應(yīng)用100例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[4]楊幫文.新型工業(yè)控制開關(guān)實用手冊[J].中國照明電器淘汰燈具文摘，2006，26（4）：22.YANG Bang-wen.Practical handbook of new industrian control switch[J].ChinaLighting LightFixtruesDigest，2006，26（4）：22.

[5]佚名.三恒星科技TMS320F2812 DSP原理與應(yīng)用實例[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[6]劉向宇.DSP嵌入式常用模塊與綜合系統(tǒng)設(shè)計實例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.