莊清瑤

（南京交通技師學院 江蘇 南京 210000）

0 引言

與傳統(tǒng)物理引信相比，無線電引信的優(yōu)勢在于能夠在不直接接觸爆炸物的情況下，成功將其引爆。隨著單片機技術(shù)的不斷成熟，設計人員嘗試以單片機為基礎，設計無線引信低頻信息處理系統(tǒng)，借助這種方式提升信息處理速度以及數(shù)據(jù)精度，使得無線電引信能夠在各種復雜的工作環(huán)境中保持穩(wěn)定的工作狀態(tài)，抵御各種外部干擾因素的影響，對接收到的信息進行準確的識別與處理，并根據(jù)設計好的引爆程序在特定時間引爆彈藥。想要達到這一目標，科研人員就要從軟件、硬件兩個方面，設計基于單片機的無線電引信信息處理系統(tǒng)。

1 基于多普勒效應無線電引信工作方式

所謂的多普勒效應，實際上就是當接收機與振蕩源之間存在相對運動時，接收機一端所收到的振蕩頻率，與振蕩源一端的振蕩頻率存在差異（圖1）[1]。

如果將振蕩源一端振動為S，接收機一端振動為R，兩者之間的距離設為r，振動波在空氣中的傳播速度為Vω，則振動源一端的速度為Vs，接收機一端的速度為VR，二者做接近運動。

假設此時時間為t1，振動源發(fā)出的振動波抵達接收機時間為θ1=t1+r/(Vω+VR)，如果時間來到了t2=t1+τ，則振動源發(fā)出振動波到達接收器的時間θ2=t2+[r-（Vs+VR）τ]/(Vω+VR)。

如果將振動源的振蕩頻率設為f0，那么在單位時間內(nèi)所發(fā)出的振蕩波數(shù)位N=f0τ，接收機一端所能夠接收到的頻率為f=n/θ，該公式中的θ=θ1-θ2，因此可以得到公式：

當振蕩源與接收器相互接近的時候，f＞f0，△f＞0。

另一種情況，當振蕩源與接收器沒有進行相互接近運動，二者向相同的方向運動（圖2）。

則VR＞Vs，Vω＞VR，當時間為t1，振動源處傳出的振動波，抵達接收器的時候，可以將時間設為θ1=t1+r/(Vω-VR)。如果時間來至t2=t1+τ，則振動波由振動源抵達接收器的時間為θ2=t2+[r+（VR-Vs）]/(Vω-VR)τ。則這種狀態(tài)下，接收機所接收的信號頻率公式如下：

2 無線電引信信息處理硬件系統(tǒng)設計

該硬件電路系統(tǒng)中所搭載的軟件系統(tǒng)為Proteus軟件，其優(yōu)勢在于能夠在視窗操作系統(tǒng)中穩(wěn)定運行，利用該系統(tǒng)能夠?qū)⒔^大部分與電路輸出有關的技術(shù)結(jié)合在一起，具有良好的開發(fā)環(huán)境。同時其自帶的軟件開發(fā)平臺，能夠為硬件設計研究院設計電子電路提供幫助[2]。

2.1 控制芯片模塊

在單片機的幫助下，控制芯片模塊成為整個無線電引信系統(tǒng)的基礎，為了確保引信系統(tǒng)能夠正常工作，需要不斷提升控制芯片的運行速度，在提升芯片集成度的同時降低其功耗。在此基礎上，主控芯片模塊還需要開放ADC、GPIO等接口，便于日后對該系統(tǒng)進行拓展與升級，滿足不同功能需求?；谏鲜鲆?，設計人員最終決定使用型號為C8051F330的單片機，作為無線電引信信息處理系統(tǒng)的控制芯片。

與傳統(tǒng)單片機相比，該單片機的優(yōu)勢在于：C8051F330型單片機上集成了混合信號片上的所有微型控制裝置，由于其內(nèi)部為流水型框架，因此能夠快速處理大量數(shù)據(jù)信息。此外，該型號單片機還能夠與CIP-51微控制裝置實現(xiàn)全面兼容，且該芯片內(nèi)部安裝有高頻振蕩裝置，該裝置能夠作為芯片的時鐘，確保該單片機在沒有外部電源的情況下準確計時。

2.2 低通濾波電路

該系統(tǒng)在接收振蕩波信號時，不但會接收到目標振蕩信號，同時還會接收到大量噪聲信號以及電路系統(tǒng)工作過程中所產(chǎn)生的高頻信號。為了提升接收裝置接收目標信號的效率，需要使用特定的設備，將與目標信號無關的信號過濾掉，減少進入下一個信息處理階段的信號數(shù)量，提升信號處理效率[3]。

設計人員在該電力系統(tǒng)中安裝了低通濾波裝置，該裝置的作用就是對各種雜亂的信號進行過濾，僅允許特定信號通過，提升有效信號的增益，以及無線電引信系統(tǒng)的反應靈敏度。

優(yōu)秀的濾波器，需要同時滿足兩項要求：第1個要求是要具備優(yōu)秀的低通濾波能力；第2個要求是確保通過的信號不會出現(xiàn)失真問題。綜合上述條件，本次設計中選擇使用巴特沃斯低通濾波器，該濾波器的優(yōu)勢在于能夠提供盡可能大的信號平坦度，確保目標信號通過濾波器之后，不會對目標信號的幅度造成影響，避免目標信號經(jīng)過濾波器之后出現(xiàn)失真問題。

本文所使用的巴特沃斯低通濾波器為二階有源低通濾波裝置，設計人員嘗試對其低通截止頻率（fc）進行優(yōu)化，令其頻帶寬度收緊，能夠更為高效地過濾出目標信號。

該型號低通濾波器通帶信號放大的倍數(shù)為Aup=-R3/R1，信號放大倍數(shù)公式為：

該系統(tǒng)中，截止頻率為：

公式中的fc實際上是以1 kHz信號為基準的無線電引信系統(tǒng)硬件中各種元器件的參數(shù)，想要確保接收到的信號不會在濾波器的作用下失真，就要將放大倍數(shù)調(diào)整為1。這種情況下，該電路中Rf=R1=R2=R3，且，此時C1-3QCf，C2=Cf/3Q。設計人員通過查閱該濾波裝置的歸一化圖表，計算出Q的值為0.707108，如果電容取值為C1=22 nF，則反饋電容的數(shù)值為Cf=C1/3Q，經(jīng)過計算，反饋電容數(shù)據(jù)為10.38 nF。

借助上述設計，該濾波器能夠有效將特定頻段內(nèi)的無線電信號過濾出來，提升引信系統(tǒng)的靈敏性。

2.3 A/D采集裝置

A/D采集系統(tǒng)內(nèi)部配備了3.3 V的標準電壓，以香農(nóng)采樣定理，A/D裝置開始進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作時，其采樣率要超過被采集信號頻率的兩倍，只有滿足這一條件才能確保A/D采樣裝置所采集到的信息完整、準確。實際應用過程中，考慮到各種外部因素對A/D采樣裝置收集數(shù)據(jù)可能造成的干擾，一般情況下采樣率要超過被采集信號頻率的2.57～4倍。基于這種情況，當采樣率達到4K即可滿足使用需求。

考慮到引信的幅度以及頻率等多種因素，C8051F330型單片機內(nèi)部安裝了可編程多路選擇裝置以及ADC裝置，借助這種方式確保將采集到的數(shù)據(jù)全部輸入單片機，并進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

為了確保ADC裝置能夠穩(wěn)定工作，在正式運行之前，相關工作人員需要對單片機內(nèi)的各種寄存器進行參數(shù)調(diào)整以及校對。當完成了參數(shù)調(diào)整工作之后，針對單片機內(nèi)部的ADC0CN以及ADC0CF這兩個寄存器，要進行初始化處理，同時設定A/D采集系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換時序，通過這種方式確保A/D系統(tǒng)能夠根據(jù)設定的程序運行。

2.4 顯示電路

實際使用過程中，需要對頻率測量電路的工作狀態(tài)進行驗證，確保其能夠正確測量無線電引信信號頻率。因此需要設計顯示電路，方便觀測測量結(jié)果。設計人員使用74LS245芯片以及能夠顯示4位數(shù)的顯示管，共同組成顯示電路，前者是顯示電路中常用的一種計算機芯片，作為一種三態(tài)總線轉(zhuǎn)換裝置，能夠有效解決電路中的電平匹配問題，且能夠進行數(shù)據(jù)的雙向傳輸。本文中將該芯片A0—A7引腳作為數(shù)據(jù)輸入端口，將其與單片機中的P0.1—P0.7端口相連。這種連通狀態(tài)下，顯示管每一位數(shù)的引腳，分別顯示單片機P0.2、P0.3、P0.5、P0.7端口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)（圖3）。

3 無線電引信信息處理軟件系統(tǒng)設計

硬件設計工作結(jié)束之后，設計人員需要對C8051F330型單片機進行軟件設計，借助軟件系統(tǒng)實現(xiàn)對于遠程模擬信號的收集、處理以及保存等工作。由此可見，數(shù)據(jù)采集、處理模塊，就成了無線電引信信息處理軟件系統(tǒng)設計工作的核心，該模塊對于無線電引信信息處理系統(tǒng)的邏輯判斷準確性以及反應靈敏性意義重大。想要提升信息控制輸出效率，設計人員需要基于C8051F330型單片機，設計出操控性良好、反應速度快的軟件系統(tǒng)。

3.1 主程序設計

以C8051F330型單片機為基礎所設計的軟件系統(tǒng)，其主要作用在于定時器、轉(zhuǎn)化器以及延時函數(shù)的初始化處理，并對測量頻率、炸高以及引爆等指令進行時序控制[4]。

主程序完成初始化之后，炸高控制系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，通過延時控制，將C8051F330型單片機內(nèi)部的電壓值作為整個無線電引信系統(tǒng)的電壓值，借助定時裝置對于信號周期進行測量，并通過單片機內(nèi)置芯片計算出信號的頻率。如果信號的頻率集中度符合設定值，則AD系統(tǒng)開始運行，對包絡信息進行采集與分析，計算出炸高具體數(shù)據(jù)，當計算出的炸高＜3 m，則進入點火步驟，完成彈藥引爆工作。

3.2 測量信號頻率系統(tǒng)

基于連續(xù)波多普勒原理所研制的無線電低頻率引信，其多普勒頻率（fd）是一個浮動的數(shù)值，也可以將其看作為一個頻譜，引信的工作波長、反射面具體位置以及天線波束的具體寬度，對于多普勒頻率的寬度都會產(chǎn)生影響。在對地狀態(tài)時，多普勒頻率只需要考慮彈藥與目標位置交會時的落腳與落速。事實上，彈藥的最終落腳與落速，由復雜的射擊條件所決定，這種情況下，無線電引信的多普勒頻率會隨著射擊條件的改變而出現(xiàn)波動。

從宏觀層面來看，頻率是組成無線電引信信號的一種非常重要的物理量，對頻率進行的測算十分普遍，因此科研人員需要對頻率測量方式進行深入研究。目前，工程領域常用的信號測量方式主要為周期測量法以及頻率測量法。前者也被稱為“測周法”，其原理是針對脈沖信號進行周期性的測量，在此基礎上計算出被測量信號的倒數(shù)，進而得到脈沖信號的頻率數(shù)據(jù)。而后者主要是在規(guī)定的時間內(nèi)，對于能夠記錄到的完整波形進行分析，總結(jié)在規(guī)定時間內(nèi)一共收集到了幾個完整波形，將完整波形的個數(shù)與規(guī)定的記錄時間相除，進而得到信號的頻率[5]。

盡管這兩種檢測頻率的方式較為常用，但在實際檢測過程中，會存在測量誤差。經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)誤差的主要原因在于計數(shù)裝置工作過程中，只能識別整數(shù)，因此在收集脈沖波的完整波形個數(shù)過程中，會存在±1的誤差，基于這種情況，可以根據(jù)誤差公式ε1=(△N)/N，計算兩種計算頻率數(shù)據(jù)方式的誤差值[6]。

針對測頻法，其誤差計算公式為：

針對測周法，其誤差計算公式為：

通過公式（4）（5）的分析可以發(fā)現(xiàn)，在系統(tǒng)時間一致的情況下，采用測頻法測量低頻信號時產(chǎn)生的誤差值，要大于測量高頻信號時出現(xiàn)的誤差值，而測周法與其正好相反。

該系統(tǒng)中，采用C8051F330型單片機的系統(tǒng)時鐘（fsys）作為基準信號，同時使用單片機外部中斷作為計數(shù)的依據(jù)，得到計數(shù)值n并測量多普勒信號頻率，fd=fsys/n。

依據(jù)多普勒頻率所在的頻帶以及多普勒頻率的集中度，對多普勒信號進行確認，避免信號受到干擾[7]。集中度的測量，通常情況下使用測量值的方差數(shù)據(jù)進行評估，該系統(tǒng)運行過程中，方差運算存在大量平方，使得單片機的運算量增加，針對這一情況，需要利用集中度D計算測量值xi與之差的絕對值進行評估：

該系統(tǒng)中使用測周法對無線電引信的信號頻率進行測量，將經(jīng)過濾波與整形之后的信號，轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?，使用單片機中用于讀取信息的上升沿，在這個過程中將振蕩器的標準周期調(diào)整為Tc脈沖計數(shù)裝置，對脈沖信號完整波形進行計數(shù)，進而得到被檢測信號周期數(shù)值Tx=Tc×n，在此基礎上對被檢測信號進行求倒，最終得到無電線引信信號頻率[8]。

3.3 低頻信號處理

當單片機收集的多普勒頻率信號滿足相關要求之后，對該信號的A/D進行采集，進而得出炸高數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)會受到很多外部因素的影響，例如高頻靈敏度、低頻靈敏度散布情況，以及射角發(fā)射系數(shù)等。這種情況下，如果只依靠靈敏度變檔對炸高進行分類，無法對不同引發(fā)條件下的炸高進行分檔。想要解決這一問題，就要利用定距離炸高技術(shù)實現(xiàn)對于炸高的分檔。

多普勒信號幅度（u）與無線電引信之間的高度差（H），需要滿足以下關系式：

實際工作中，無線電引信的一次交會，能夠確保任務N、D、F（Φ）保持不變，基于這一特點，設計人員可以設定在兩種不同的高度（H1、H2）的情況下，與其對應的多普勒信號頻率（U1、U2），則可以得到公式：

若U1與U2在時間維度上，其差值為一個多普勒周期，其高度差為λ/2，可以得到公式：

如果可以測定fd的周期以及頻率，只要再計算出一個單位時間內(nèi)fd信號包絡的兩個數(shù)值，就可以推算這一時刻與地面高度差，進而確保炸高恒定[9]。

3.4 A/D包絡

從整體上看，A/D包絡數(shù)據(jù)的采集與分析，是控制炸高的關鍵因素，實際工作過程中，其內(nèi)部滑動變阻器的數(shù)據(jù)在不停變化，通過這種方式計算A/D包絡數(shù)值大小。若ADC0數(shù)據(jù)每過一個完整的信號周期，就能夠采集到兩個信號幅度值，且經(jīng)過計算之后炸高數(shù)值小于3 m，則代表著控制炸高數(shù)據(jù)的系統(tǒng)輸出了高電平，此時彈藥的點火系統(tǒng)啟動。因此，在啟動ADC0系統(tǒng)采集包絡信息之前，需要對工作模式進行設定。

本文中使用的單片機，其ADC0引腳為P0.6。正式開始采集ADC數(shù)據(jù)之前，需要對單片機內(nèi)的ADC進行初始化，借助軟件系統(tǒng)開啟ADC內(nèi)的模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，將ADC0調(diào)整至單通道模式。

依據(jù)ADC0采樣的時間公式：

通常情況下，采樣周期數(shù)值為56.5，因此炸高系統(tǒng)ADC0通道的轉(zhuǎn)換時間為：

在ADC轉(zhuǎn)換器通道正式啟動之前，需要通過軟件啟動其自校準功能，為了達到這一目標，需要調(diào)用函數(shù)ADC0_Mode_Vonfig()，借助這種方式將精準度誤差控制在規(guī)定范圍內(nèi)。自校準工作結(jié)束之后，運用模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，通過調(diào)用庫函數(shù)ADC_SoftwareStartVonvCmd()來啟動A/D包絡數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換工作[10]。

其轉(zhuǎn)換程序如下：

完成軟件部分的設計工作之后，利用專業(yè)測試程序?qū)υ撥浖到y(tǒng)進行編譯驗證，確保該程序不存在錯誤，能夠正常啟動并穩(wěn)定運行。

4 結(jié)語

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，控制器的體型越來越小，將單片機這種微型控制裝置安裝在引信系統(tǒng)內(nèi)部，能夠有效收集目標信息，并對特定區(qū)域的物理數(shù)據(jù)變化進行收集與處理，通過這種方式控制炸高并判斷彈藥是否進入了目標范圍。因此，相關設計人員需要基于單片機技術(shù)，對無線電引信低頻信息處理技術(shù)的優(yōu)化問題進行深入研究，通過硬件與軟件的設計，確保無線電引信能夠正常工作。