光電跟蹤系統(tǒng)控制器硬件設計

徐曉霞

（西安工業(yè)大學北方信息工程學院 電子信息系，陜西 西安 710025）

現(xiàn)代戰(zhàn)爭的特點是高技術(shù)、多方位、立體、全天候作戰(zhàn)。陸、海、空的協(xié)調(diào)統(tǒng)一是致勝的關(guān)鍵。尤其是空中偵察作戰(zhàn)的優(yōu)勢顯得越來越重要。因此，作為偵察、測量和校射及打擊效果評估的重要手段，光電跟蹤測量設備日益受到重視，各國競相研制。由于現(xiàn)代武器技術(shù)的發(fā)展，將靶場測量設備應用到飛機上是當前光電跟蹤測量系統(tǒng)的新發(fā)展。光電跟蹤測量系統(tǒng)可完成對地面、空中目標的搜索、撲獲、鎖定、跟蹤和瞄準，并將飛機相對目標的方位、俯仰、距離等信息進行記錄處理。它可應用到常規(guī)武器靶場、機載光電偵察、機載光電火控等領域。光電跟蹤系統(tǒng)是一種利用光電傳感器如前視紅外、激光、電視、微光、可見光等對地面目標進行搜索、識別、跟蹤和瞄準的機載目標探測設備。文中對光電跟蹤系統(tǒng)控制器的硬件部分進行了設計。主要包括光電跟蹤系統(tǒng)控制器硬件電路框圖，最小控制系統(tǒng)設計，模擬、數(shù)字量模塊和通信模塊設計等部分。

1 光電跟蹤系統(tǒng)控制器硬件電路框圖

CPU和信號檢測與解碼電路供電。測量元件測得當前方位和俯仰位置，由信號檢測與解碼電路板將位置信號轉(zhuǎn)換成模擬信號送給CPU。CPU將這些信號進行處理，得出需要追加的方位角和高低角，并將這兩路控制信號送給方位力矩電機和俯仰力矩電機。CPU與上位機之間采用RS232協(xié)議進行通訊。

圖1 光電跟蹤系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)框圖Fig．1 Circuit block diagram of optical tracking system

2 最小系統(tǒng)設計

光電跟蹤系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電源電路板給

在ERT模塊中，除了核心處理器F2812外，其余外圍器件還有：5 V 轉(zhuǎn) 3．3 V、3．3 V 轉(zhuǎn) 1．9 集成電源，10MHz的晶振，外擴RAM，JTAG以及看門狗電路復位電路等。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 最小系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Circuit block diagram of theminimum system

最小系統(tǒng)電路的主要工作過程是，由時鐘電路產(chǎn)生時鐘周期，構(gòu)成機器產(chǎn)生動作的機器周期。CPU對從外部采集來的數(shù)據(jù)進行分析，并發(fā)出命令。JTAG接口提供了簡單靈活的調(diào)試手段，用戶可以通過JTAG接口，將在 PC交叉編譯生成的結(jié)果下載到DSP中，或者通過JTAG接口即時查看DSP內(nèi)部寄存器和RAM的值，對程序的行為進行調(diào)試。當程序跑飛時，看門狗復位電路可以使系統(tǒng)回到初始狀態(tài)。

TMS320F2812最小系統(tǒng)原理主要包括存儲器擴展，外部時鐘，復位電路，電源電路，CPU板的抗干擾分析與設計，下面將對各部分做出詳細介紹 。

2.1 存儲器擴展

F2812采用32位的尋址方式，數(shù)據(jù)空間和程序空間統(tǒng)一編址。F2812有1 056 K×16 bit的外部存儲器接口能力，分為5個地址區(qū)間：區(qū)間0、區(qū)間1、區(qū)間 2、區(qū)間6和區(qū)間 7，各空間均可獨立設置讀、寫信號的建立時間、激活時間及保持時間。其中區(qū)間6、7共用一個片選引腳 XZCS6AND7。

F2812內(nèi)部已經(jīng)集成了18 kB的RAM，對于一般的應用來說，已經(jīng)無須再擴展外部RAM。片內(nèi)RAM能以150MIPS的速度進行訪問。在對運算速度要求很高的處理程序中，通常將經(jīng)常訪問的程序段放到內(nèi)部RAM中運行，這樣能大大提高運行速度，因此片內(nèi)RAM顯得格外寶貴。而且本系統(tǒng)是一個匯流條功率控制系統(tǒng)，將來會用于進行處理大量數(shù)據(jù)，因而也要求外括RAM用于存放數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)擴展了512 kB SARAM，芯片選用 IS61LV51216 （512 k×16 位），其數(shù)據(jù)訪問時間為10 ns片選信號為片選信號為XZCS6AND7，當MP/MC端置高電平時工作在MC模式，映射到存儲空間7，當MP/MC端置低電平時，映射到存儲空間6。

2.2 時鐘電路

F2812具有內(nèi)部鎖相環(huán)電路，可以從一個較低的外部時鐘通過鎖相環(huán)倍頻電路實現(xiàn)內(nèi)部倍頻。這對于整個電路板的電磁兼容性是很有好處的，因為外部只需要使用較低頻率的晶振，避免外部電路干擾時鐘，同時也避免了高頻時鐘干擾板上其它電路。

本系統(tǒng)選用30MHz外部晶體給F2812提供時鐘，并使用F2812片上PLL電路。PLL倍頻系數(shù)由PLL控制寄存器PLLCR的低 4位控制，可由軟件動態(tài)地修改，外部復位信號（XRS）將此 4位控制位被清為 0。F2812的 CPU最高可工作在150MHz主頻下，也即對 30MHz輸入頻率進行 5倍頻。晶體電路最為簡單，只需晶體和兩個電容。

圖3 擴展RAM原理圖Fig.3 Extended RAM schematic

圖4 時鐘電路圖Fig.4 Clock circuit diagram

2.3 手動復位電路

為了避免不可預知的錯誤，可以手動給CPU提供復位信號，使系統(tǒng)終止當前所有操作，使CPU進入已知的初始狀態(tài)，刷新所有的流水線操作，復位所有的CPU寄存器，復位相關(guān)的信號的狀態(tài)。

該系統(tǒng)可以通過硬件和軟件進行復位，任何一個復位都有效，都將導致系統(tǒng)復位。軟件復位主要是通過F2812片上的看門狗計數(shù)器產(chǎn)生復位脈沖實現(xiàn)的。手動復位的過程如下：F2812的復位端第160腳XRS是低電平有效，當它是低電平的時候才能復位。SP1按下的時候，XRS為低電平，F(xiàn)2812復位。同時CP1通過SP1的回路進行充電，XRS端達到高電平，復位結(jié)束。在這個電路中，電容有充電，提供了可靠復位的有效時間。

2.4 電源電路

電源電路的選擇是系統(tǒng)設計的一個重要部分，設計好壞對系統(tǒng)影響很大。對于F2812芯片而言，一般有以下2種電壓需要電源電路提供：一種是DSPCPU內(nèi)核電壓?，F(xiàn)代DSP為了省電，通常把內(nèi)核電壓和外圍電路的供電分開，內(nèi)核工作于低電壓減少功耗，外圍電路與其它器件采用相同的電壓規(guī)范。另一種是DSP外設電壓。主要給DSP的片內(nèi)外設供電。

圖5 復位電路原理圖Fig．5 Reset circuit schematic

首先需要注意的是，為了減少電源噪聲和互相干擾，數(shù)字電路和模擬電路一般要獨立供電，數(shù)字地和模擬地也要分開，并最終通過一個磁珠在一點連在一起。

本系統(tǒng)選用 asm1117-5、asm1117-3．3、asm1117-1．9， 輸出電壓分別是 5 V、3．3 V、1．9 V， 連接電路如圖 6 所示，電路為 F2812提供 3．3 V和1．9 V的工作電壓，為通信模塊提供5 V的電壓?？紤]到很多應用系統(tǒng)需要供很多不同的電壓，如很多DSP本身就需要分內(nèi)核和外圍電路，此時就需要考慮一個上電次序問題。一般來說，CPU內(nèi)核先于外圍上電，后于外圍掉電；但是兩者相差不能太大，否則將損壞芯片。

圖6 電源轉(zhuǎn)換電路原理圖Fig．6 Power conversion circuit schematic

2.5 CPU板的抗干擾分析與設計

為了更有效防止干擾，在設計CPU板的時候采用了4層板設計，上層放置芯片，第2層放置完整的地面，第3層放置電源，下層放置電阻電容。相比普通得兩層板增加了GROUND層和POWER層，GROUND層將模擬地與數(shù)字地進行隔離，最后用磁珠相連。POWER層把5 V，3 V，1．9 V的電源分開。最后將焊盤連接處修改為淚滴連接使焊盤連線的強度增強。

圖7 模擬地與數(shù)字地隔離電路圖Fig．7 Analog ground and digital ground isolation circuit diagram

3 模擬量和數(shù)字量模塊設計

調(diào)理電路應具備的基本功能有：降壓，將信號的幅值降到0～3．3 V范圍內(nèi)。否則將會燒壞芯片。隔離。當有高脈沖到來時，調(diào)理電路能有效將脈沖進行隔離。濾波，調(diào)理電路應濾除干擾信號，才能使系統(tǒng)對信號做出正確反應。

通過設置調(diào)理芯片、濾波電容、穩(wěn)壓二極管能搭建調(diào)理電路，完成降壓、隔離、濾波等功能。下面將分別對各電路的原理和工作過程做詳細介紹。

3.1 直流電壓調(diào)理電路

調(diào)理電路的分壓比為15：1，將直流電壓可能出現(xiàn)的最大電壓變換到3．3 V以內(nèi)。為抑制高頻干擾，分壓電路輸出端并接了一個濾波電容，并增加了一限幅穩(wěn)壓二極管以防止電壓過大損壞芯片。當電壓小于0時，穩(wěn)壓管導通，使輸出電壓為零。輸出電壓將在0～3．3 V之間。該系統(tǒng)使用芯片LM124。它是一種低功耗四運算放大器，工作電壓范圍寬。共有7路這樣的電路，使用兩片LM124。

圖8 直流電壓調(diào)理電路Fig．8 DC voltage conditioning circuit

3.2 動電壓檢測電路

在故障狀態(tài)下（如三相輸入交流電源缺相），系統(tǒng)會出現(xiàn)幅值很高、頻率很大的脈動電壓。此故障對系統(tǒng)危害很大，必須迅速查出。當程序檢測出系統(tǒng)的電壓幅值或頻率過大時，立即斷開其輸出主接觸器并置故障標志。

脈動電壓檢測電路如圖9所示。輸入信號LP先通過CAD1阻隔其中的直流信號，通過運放U8D改變輸入信號的幅值。電容CAD2將交流信號轉(zhuǎn)化為直流信號輸出。其中，可變電阻R7的作用是改變輸出信號與輸入信號的比值，如果沒有它，輸出信號的幅值將不能控制；二極管DAD1的作用是防止電壓過高損壞CPU；二極管DAD2的作用是防止電壓過低損壞CPU；穩(wěn)壓管DAD3的作用是防止電壓突然過高損壞電源。在這個電路中，輸入信號經(jīng)第一個電容后成為交流信號，經(jīng)第二個電容后又成為直流信號，兩個電容的作用不同。

圖9 TRU脈動電壓檢測電路Fig.9 TRU pulsating voltage detection circuit

3.3 數(shù)字量輸入模塊設計

F2812由56個通用、雙向數(shù)字I/O引腳，對它們的使用非常靈活，也相對較為簡單，只要設置好相應的復用寄存器以及數(shù)據(jù)和方向控制寄存器就基本完成了所有工作。

如果需要更多的I/O端口，系統(tǒng)還提供了另一種方法：把地址線作為I/O端口來使用，并使用芯片LVC16245進行緩沖。這樣做為系統(tǒng)多提供了16個I/O端口，使系統(tǒng)的I/O端口的數(shù)量達到72個。

圖10 擴展I/O接口Fig.10 Extended I/O interface

3.4 數(shù)字量輸出模塊設計

數(shù)字量輸出模塊主要用于控制接觸器等裝置，由于要驅(qū)動繼電器類負載，要求有較大的輸出電流，因此需要加驅(qū)動電路。

輸出控制驅(qū)動板主要完成對各接觸器或繼電器以及各告警指示燈的控制與驅(qū)動。輸出控制驅(qū)動電路如圖11所示。本電路中使用芯片MC1413，它是一種反向驅(qū)動器，主要用于電路的后級驅(qū)動，對前級電路的影響很小。IOA0可以控制接觸器K1，驅(qū)動電流為0.5 A。IOA1可以控制三級管Q1。

4 通信模塊設計

在本研究階段采用的數(shù)據(jù)總線為RS232總線，下面是利用F2812內(nèi)部的SCI控制器與上位機NAMP進行通信的接口電路。通信模塊原理圖如圖12所示。

圖11 輸出控制驅(qū)動電路Fig.11 Output control drive circuit

圖12 通信模塊原理圖Fig.12 Communication module schematic

圖13 緩沖與電平轉(zhuǎn)換電路Fig.13 Buffering and level shifting circuit

SCITXD是數(shù)據(jù)發(fā)送引腳，SCIRTXD是數(shù)據(jù)接收引腳。因在試驗階段，該電路采用了符合RS—232標準的驅(qū)動芯片MAX232，進行串行通信。MAX232芯片功耗低、集成度高，+5 V供電，具有兩個接收和發(fā)送通道。

由于 F2812采用+3．3 V供電，所以在MAX232與F2812之間加了TI典型的電平轉(zhuǎn)換電路，起雙向、緩沖與電平轉(zhuǎn)換的作用。整個接口電路簡單、可靠性高。在通信過程中，LVC16245所起的作用非常關(guān)鍵，接法不對將會引起外部通信與DSP之間的沖突。在這種方式下，F(xiàn)2812的串行通信接口與RS—232串行口進行DSP與上位機之間的異步通信。

5 結(jié)束語

文中對光電跟蹤系統(tǒng)控制器的硬件部分進行設計。包括光電跟蹤系統(tǒng)控制器硬件電路框圖，最小控制系統(tǒng)設計，模擬、數(shù)字量模塊和通信模塊設計等部分。采用此光電跟蹤系統(tǒng)控制器使得動態(tài)性能得到了改善，不僅可以滿足系統(tǒng)的精度要求，還具有較強的自適應能力。

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