范航

摘要：在兵器靶場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試中，是否能夠準(zhǔn)確控制火箭彈戰(zhàn)斗部的起爆時(shí)間，即能否實(shí)現(xiàn)火箭彈在最佳位置起爆是評(píng)價(jià)近炸引信性能優(yōu)劣的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，因此需要設(shè)計(jì)出一套炮彈炸點(diǎn)高度測(cè)試系統(tǒng)來進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。針對(duì)這一情況，文章提出了基于GPS授時(shí)模塊的時(shí)統(tǒng)控制電路的設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)了基于AT89S52單片機(jī)的時(shí)統(tǒng)模塊控制電路、時(shí)間顯示電路以及單片機(jī)控制程序，實(shí)現(xiàn)了同步記錄起拍時(shí)間和實(shí)時(shí)顯示的功能，同步精度可以達(dá)到微秒量級(jí)。

Abstract： In the test of weapons range， whether it can accurately control the initiation time of rocket warhead， whether it can achieve the best position in the initiation of rocket fuse is the key criterion to evaluate the performance of the fuse， therefore it needs to design a set of shellburst height measuring system to carry out the relevant tests. In view of this situation， this paper puts forward design scheme of time series control circuit based on the GPS timing module， designs time series module control circuit， time display circuit and single chip microcomputer control program with AT89S52 microcontroller， to realize the synchronous record of time and real-time display function， and synchronization precision can reach microsecond level.

關(guān)鍵詞：引信；授時(shí)；AT89S52單片機(jī)；時(shí)統(tǒng)電路

Key words： fuse；time service；AT89S52 microcontroller；unique-time circuit

中圖分類號(hào)：TN108.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2016）32-0123-02

0 引言

引信[1]是火箭彈或?qū)椣到y(tǒng)的重要組成部分?；鸺龔椈?qū)椀娘w行末端探測(cè)目標(biāo)后以一定規(guī)則適時(shí)起爆戰(zhàn)斗部，這些功能都要靠引信來實(shí)現(xiàn)。引信性能的好壞將直接關(guān)系到武器系統(tǒng)的綜合性能的優(yōu)劣。各種各樣探測(cè)原理的近炸引信隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展得到了普遍的應(yīng)用。本文所設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)可以對(duì)炮彈炸點(diǎn)的位置進(jìn)行非接觸式測(cè)量，從而消除了測(cè)量時(shí)的危險(xiǎn)因素，使得安全性大大的提高。運(yùn)用該測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)試近炸引信性能，檢測(cè)該引信能否按設(shè)定的時(shí)間引爆炸彈，起爆點(diǎn)定位是否精確等等，以此判斷被引爆的炮彈是否發(fā)揮了最大威力。

1 時(shí)統(tǒng)模塊電路總體設(shè)計(jì)

時(shí)統(tǒng)模塊電路主要由GPS-0EM模塊、時(shí)統(tǒng)控制電路和CPLD電路組成，控制原理見圖1。在圖1所示的電路結(jié)構(gòu)中，GPS模塊向時(shí)統(tǒng)控制電路提供GPS時(shí)間信息，通過接口電路向單片機(jī)發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)，單片機(jī)在接收秒級(jí)時(shí)間信息后開始對(duì)CPLD電路進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。在發(fā)送時(shí)間數(shù)據(jù)的過程中，GPS模塊同時(shí)會(huì)對(duì)本地時(shí)鐘電路發(fā)送一個(gè)控制CPLD邏輯電路啟動(dòng)的脈沖信號(hào)，該電路模塊接收控制后，開始以微秒為單位進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)溢出時(shí)，指示燈電路就會(huì)響應(yīng)CPLD邏輯電路的控制信號(hào)開始向單片機(jī)發(fā)送溢出信號(hào)，此后單片機(jī)進(jìn)行秒級(jí)時(shí)間的遞增，由此來實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)時(shí)鐘的功能。觸發(fā)信號(hào)時(shí)，隔離電路將其發(fā)送到CPLD邏輯電路中，通過邏輯電路向單片機(jī)輸入該微秒級(jí)時(shí)間數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，相機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制高速攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。最后，單片機(jī)通過專用串口將所有時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)，使PC機(jī)自動(dòng)記錄相機(jī)起拍時(shí)間。

RS-232串口接口電路、單片機(jī)控制電路以及電平轉(zhuǎn)換電路是時(shí)統(tǒng)控制電路中最主要的組成部分。該電路控制模塊主要通過與本地時(shí)鐘電路及PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換來實(shí)現(xiàn)對(duì)本地的時(shí)鐘電路的控制。另外，本地時(shí)鐘電路又由工作指示燈電路、輸入隔離電路、晶振電路和相機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等構(gòu)成。指示燈電路的作用是當(dāng)觸發(fā)信號(hào)發(fā)生時(shí)，指示燈由暗變亮，以此表示此時(shí)單片機(jī)已經(jīng)開始讀取數(shù)據(jù)。另外輸入隔離電路則主要由6N137構(gòu)成，該電路向處理器發(fā)出外部觸發(fā)信號(hào)，啟動(dòng)單片機(jī)對(duì)本地時(shí)鐘電路中的計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。晶振電路為CPLD電路提供必須的工作脈沖。相機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于控制相機(jī)在接收到觸發(fā)信號(hào)的同時(shí)進(jìn)行拍攝。

時(shí)統(tǒng)模塊電路硬件設(shè)計(jì)：

如圖2所示，時(shí)統(tǒng)控制電路主要由單片機(jī)和一些外圍轉(zhuǎn)換芯片構(gòu)成，它可以接收GPS模塊信息、控制本地時(shí)鐘電路計(jì)數(shù)、相機(jī)啟動(dòng)和計(jì)算機(jī)通信等功能。

下面將對(duì)各個(gè)組成部分進(jìn)行一一地介紹。

LM1117-3.0芯片主要用來實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)化的功能，該芯片將5V電壓轉(zhuǎn)換成GPS模塊所需要的3V額定電壓，即為GPS模塊保證正常的工作電壓。

由于GPS模塊輸出的是3V的工作信號(hào)，而AT89S52單片機(jī)只能接收5V的工作信號(hào)，因此GPS模塊和AT89S52單片機(jī)之間必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本文主要采用裝有74LVC4225芯片的轉(zhuǎn)換電路，該芯片是典型的雙電源供電的雙向收發(fā)器。它通過DIR管腳控制傳輸方向，實(shí)現(xiàn)GPS模塊輸出的3V信號(hào)向5V信號(hào)轉(zhuǎn)換的功能，從而保證了處理器對(duì)時(shí)間數(shù)據(jù)的接收。在本時(shí)統(tǒng)控制電路中，74LVC4225芯片通過管腳OE和管腳DIR控制信號(hào)的轉(zhuǎn)換方向，當(dāng)管腳OE和管腳DIR同時(shí)為低電平時(shí)，GPS模塊的輸出信號(hào)發(fā)送到AT89S52單片機(jī)，當(dāng)管腳OE為低電平且管腳DIR為高電平時(shí)，AT89S52單片機(jī)向GPS模塊輸出控制信號(hào)。

出產(chǎn)于Atmel公司的AT89S52單片機(jī)[2]系一款高性能、低功耗、CMOS 8位增強(qiáng)型高檔微控制器。它裝配了時(shí)下比較先進(jìn)的通用型8位中央處理和ISP FLASH存儲(chǔ)單元，8 KB ISP（In-system programmable）的支持反復(fù)擦寫1000次的FLASH只讀程序存儲(chǔ)器，片上FLASH允許程序存儲(chǔ)器支持編程功能，并且也能識(shí)別常規(guī)編輯器的編程指令。該單片機(jī)基于高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造而成，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。單芯片裝配了8位CPU和在系統(tǒng)可編程FLASH，充分滿足了嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)的使用要求。

從AT89S52單片機(jī)發(fā)出的TTL電平信號(hào)通過MAX232芯片轉(zhuǎn)換成PC機(jī)可識(shí)別的RS-232電平信號(hào)。復(fù)位電路可實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上電復(fù)位，晶振電路也能為該單片機(jī)提供工作脈沖信號(hào)。

GPS 模塊發(fā)出的秒級(jí)以上的時(shí)間數(shù)據(jù)全部由時(shí)統(tǒng)控制電路接收。除此以外，在外部觸發(fā)信號(hào)發(fā)生的工況下，該電路也可以接收本地時(shí)鐘電路中所記錄的秒級(jí)以下的時(shí)間數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后利用專用串口將處理后的時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸給PC機(jī)，通過PC機(jī)記錄下相機(jī)的起拍時(shí)間。

2 軟件設(shè)計(jì)

本文中時(shí)統(tǒng)控制電路的軟件由初始化模塊、數(shù)據(jù)讀取模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、GPS時(shí)間接收模塊和溢出信號(hào)處理模塊五大模塊組成。

KeilC51軟件為全Windows界面，可以提供多種多樣的庫(kù)函數(shù)以及功能十分強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具。KeilC51能夠以非常高的效率來生成目標(biāo)代碼，大多情況下，由該軟件編寫的語(yǔ)句生成的匯編代碼非常緊湊，并且很容易理解。在開發(fā)大型軟件的情況下，更能體現(xiàn)出高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)勢(shì)。與匯編相比，C語(yǔ)言無論是在功能上、結(jié)構(gòu)性還是可讀性和可維護(hù)性上都有非常明顯的優(yōu)勢(shì)，所以易學(xué)易用。本文正是基于以上優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)行了軟件方面的相關(guān)設(shè)計(jì)和程序的編寫，最終完成了整個(gè)系統(tǒng)的裝調(diào)與測(cè)試。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)的精確性，本文采用由高速DSP TMS320F28芯片做成的高精度時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間。將觸發(fā)信號(hào)同時(shí)接入到本實(shí)驗(yàn)電路中和TMS320F28時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)中，然后同時(shí)記錄觸發(fā)信號(hào)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)過程如圖3所示。

為了減小相對(duì)誤差，給出多次觸發(fā)信號(hào)，分別記錄各次誤差信號(hào)的時(shí)間，求出相鄰兩次觸發(fā)時(shí)間的間隔。然后對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)和設(shè)計(jì)時(shí)統(tǒng)系統(tǒng)，就能得出所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的同步誤差值。如表1所示。

由表中數(shù)據(jù)知在5次測(cè)量后所得的同步誤差的平均值為0.056s，基本符合設(shè)計(jì)要求。

4 總結(jié)

隨著現(xiàn)代兵器技術(shù)的日益發(fā)展，在靶場(chǎng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，時(shí)統(tǒng)設(shè)備成為其中的重要組成部分。本文從引信優(yōu)劣判斷的需求出發(fā)，針對(duì)近地炸點(diǎn)高度測(cè)試技術(shù)進(jìn)行了相關(guān)研究，提出一種時(shí)間統(tǒng)一模塊設(shè)計(jì)方法，在以單片機(jī)為控制核心基礎(chǔ)上，采用CPLD技術(shù)與GPS技術(shù)相結(jié)合的授時(shí)方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。保證了測(cè)試設(shè)備具有相同的起始工作時(shí)間，完成了圖像異地同步采集電路的設(shè)計(jì)。

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