一種炮射封控彈藥彈載聲探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張運(yùn)兵 殷希梅

(1.陸軍軍官學(xué)院研究生管理大隊(duì) 合肥 230031)(2.陸軍軍官學(xué)院彈藥工程教研室 合肥 230031)

一種炮射封控彈藥彈載聲探測系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

張運(yùn)兵1殷希梅2

(1.陸軍軍官學(xué)院研究生管理大隊(duì) 合肥 230031)(2.陸軍軍官學(xué)院彈藥工程教研室 合肥 230031)

針對某封控彈藥對目標(biāo)的探測識別,設(shè)計(jì)了一種聲探測系統(tǒng)。采用電容式聲音傳感器采集戰(zhàn)場聲音信息,經(jīng)調(diào)理放大后運(yùn)用CMX639芯片壓縮編碼,將數(shù)據(jù)傳入系統(tǒng)微處理器Mega128,處理器運(yùn)用采集到的信息與其他信息融合后作為判別目標(biāo)類型及位置的依據(jù),并通過無線傳輸將聲音信息傳回己方接收機(jī)。

封控彈藥; 電容式聲音傳感器; CMX639; Mega128

Class Number TJ413

1 引言

某封控子彈是國內(nèi)自主研發(fā)的基于大口徑火炮的一種集信息獲取、傳輸、接收并顯示和攻擊為一體的新型彈藥,布撒后子彈可具有反裝甲車輛、衛(wèi)星定位、組網(wǎng)通訊、目標(biāo)探測、信息回傳和遠(yuǎn)程控制等功能。為完成其功能需對復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境及目標(biāo)運(yùn)用多種手段探測和識別,無論是人員還是車輛(輪式、裝甲)在地面行進(jìn)過程中都不可避免地會產(chǎn)生聲音,聲音的大小、頻譜等特征能夠反映聲源的運(yùn)動速度、方向、位置、結(jié)構(gòu)等特征,聲探測即是針對此類聲音的探測方式。聲測系統(tǒng)自八十年代至今,一直受到世界各國的重視。美國在八十年代就已運(yùn)用人工智能和微電子技術(shù)研制聲控智能引信,并將其用于新型智能雷裝備中。目前的聲探測目標(biāo)武器,正朝著低功耗、高智能、高精準(zhǔn)、高威力、高可靠性發(fā)展[1]。本文主要設(shè)計(jì)一種聲探測系統(tǒng)作為某封控彈藥的其中一種探測方式。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由彈載模塊和地面站組成,系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。其中彈載部分主要有五個部分: 1) 電源模塊; 2) 電容式聲音傳感器; 3) 信號調(diào)理模塊; 4) CMX639編碼模塊; 5) Mega128微處理器單元。地面站負(fù)責(zé)接受、解碼和存儲數(shù)據(jù)。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 芯片選擇

1) 聲音傳感器

傳聲器的種類很多,聲電轉(zhuǎn)換原理也不完全相同。常用的聲音傳感器可分為碳粉式、電容式、壓電式和光纖聲音傳感器。其中電容式的工作原理主要是利用固定電極與隔膜上的移動電極隔一個氣室,而形成一個電容器,當(dāng)音壓變化時,隔膜移動造成電容值的變化,因而產(chǎn)生輸出電壓的變化。此類聲音傳感器具有較高的靈敏度、較低的自生噪聲及較低的失真,設(shè)計(jì)堅(jiān)固,性能優(yōu)良,可抗較高過載,是比較成熟的產(chǎn)品,其性能滿足本系統(tǒng)的要求。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

2) 中央控制部件

系統(tǒng)采用ATMEL公司AVR系列的Mega128單片機(jī)。該單片機(jī)的內(nèi)部資源十分豐富,性能可靠、功耗低、價(jià)格適中。其主要技術(shù)指標(biāo)如下:

133條指令大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成;可工作于16MHz以下頻率;只需兩個時鐘周期的硬件乘法器;128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash和4K字節(jié)的EEPROM及4K字節(jié)的內(nèi)部SRAM并可擴(kuò)展多達(dá)64K字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲器空間;兩個8位和兩個16位的功能完善的定時器/計(jì)數(shù)器;8路10位ADC;兩個可編程的串行USART和一個可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI串行接口;具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器。Mega128豐富的外部接口方便了與無線通信模塊和傳感器模塊的連接,且開發(fā)環(huán)境ICCAVR完全免費(fèi)、開放,降低了開發(fā)成本,加上其處理功能強(qiáng)大、功耗低,完全滿足控制系統(tǒng)對處理器的要求。

3.2 電路設(shè)計(jì)

1) 電源電路

本系統(tǒng)采用一組電壓為12V左右的電池提供原始電源。由于功耗及安全的原因,遠(yuǎn)程通信模塊只在需要時工作很短的時間,電源的接通和斷開由CPU控制。放大電路及信號調(diào)理等電路需要5V的穩(wěn)定電壓,TL431是個有良好的熱穩(wěn)定性能的三端可調(diào)分流基準(zhǔn)電壓源,其內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為2.5V。

如圖2所示電路可提供5V穩(wěn)定電壓[2]。

圖2 電壓轉(zhuǎn)換電路

2) 信號調(diào)理電路

如圖3所示,為了簡單提高放大倍數(shù)同時保證較大的輸入電阻,采用了T型放大器。因本系統(tǒng)主要探測對象為坦克等裝甲車輛,車輛行駛時的聲場主要由空氣動力聲和機(jī)械性噪聲兩部分組成,其中空氣動力聲是其主要聲源。聲音信號的頻率絕大多數(shù)在3000Hz以內(nèi),根據(jù)采樣定理,采樣頻率取2ms。此頻率由單片機(jī)內(nèi)的定時器1控制。添加了低通濾波,不僅可以大大減少計(jì)算機(jī)存儲量,還可以縮短計(jì)算時間。

圖3 信號調(diào)理電路

3) 壓縮編碼電路

由于遠(yuǎn)距離無線傳輸帶寬的限制,必須將數(shù)據(jù)量非常大的語音信號進(jìn)行實(shí)時壓縮,而單片機(jī)的有限資源首先需要對目標(biāo)信息進(jìn)行分析、識別,無法同時做到對語音的實(shí)時壓縮處理;通過對大量語音壓縮芯片的篩選,選擇CMX639語音編解碼芯片,它將輸入、輸出濾波器,編、解碼電路,邏輯控制電路集成在一起,實(shí)現(xiàn)了單芯片語音處理的能力,外圍設(shè)備簡單,而且用戶可以通過其管腳方便地對其編解碼算法進(jìn)行設(shè)置,具有強(qiáng)大的可選擇編碼算法,低功耗、低價(jià)位、小體積和開發(fā)難度低等多種優(yōu)點(diǎn)。CMX639通過外加時鐘信號或內(nèi)部可編程時鐘,可在8Kbp/s～128Kbp/s的數(shù)據(jù)/采樣時鐘速率下工作。既可通過硬件也可通過軟件編程,控制其采樣工作頻率,具有很強(qiáng)的適應(yīng)性,非常有利于信號的無線傳輸。

CMX639其各引腳功能如下:

1) Vdd:3.0V～5.0V供電電壓;

2) ENCODER INPUT(7):模擬語音信號的輸入管腳;

3) ENCODER OUTPUT(4):語音編碼后的輸出管腳,將輸入的模擬信號編碼成為串行數(shù)據(jù);

4) DECODER INPUT(11):用于解碼的串行數(shù)據(jù)的輸入管腳;

5) DECODER OUTPUT(9):解碼后的模擬語音信號輸出管腳;

6) DATA ENABLE(5):數(shù)據(jù)使能端當(dāng)DATA ENABLE管腳處于高電平狀態(tài)時,ENCODER OUTPUT才輸出編碼信號;否則,ENCODER OUTPUT管腳處于高阻狀態(tài);

7) AGRITHM(13):算法選擇管腳,由外部輸入來決定壓縮編碼地算法是采用3bit或4bit算法;

8) POWERSAVE(10):功率節(jié)省管腳,當(dāng)不需要進(jìn)行語音編解碼時,將POWERSAVE管腳置低電平,芯片處于低功耗的待機(jī)狀態(tài);

9) Xtal1/Xtal2(1/2):接外部時鐘;

10) Model1/Model2(15/14):采樣頻率控制引腳,同為低電平時,用外部時鐘工作;Model(15)為低電平,Model(14)為高電平時,采樣頻率為振蕩器頻率的16分頻;Model(15)為高電平,Model(14)為低電平時,采樣頻率為振蕩器頻率的32分頻;同為高電平時,采樣頻率為振蕩器頻率的64分頻[3～4]。

編碼接口電路如圖4所示,將14、15引腳置于高電平,外部振蕩器頻率為1.024MHz,固采樣頻率為16KHz。將模擬信號采樣成16Kbp/s的數(shù)字信號后通過時鐘控制串行傳入Mega128。

3.3 無線傳輸

由于子彈使用的區(qū)域地形環(huán)境復(fù)雜,遮蔽物較多,這給戰(zhàn)場目標(biāo)信息的順利傳輸帶來了一定的困難。因超短波在非視距條件下,只要有一定的能量,也可以通過大氣折射進(jìn)行超視距傳輸,所以本系統(tǒng)中采用了超短波中的VHF頻段,并用MSK調(diào)制,所占用的頻帶較窄,所以彈上的發(fā)射天線采用柔性的鞭狀天線,傳送帶寬為25Kbp/s。這樣用寬頻帶的天線形式來適應(yīng)窄帶的調(diào)制,解決了天線的諧振點(diǎn)受外界的環(huán)境變化較大的問題,提高了天線的適應(yīng)性。

圖4 CMX639編碼接口電路

圖5 無線傳輸信號流程

信號流程圖5所示。首先,通過單片機(jī)的串口從外部取得要發(fā)送的數(shù)據(jù)、指令,單片機(jī)根據(jù)所收到的指令,將數(shù)據(jù)送入基帶處理單元進(jìn)行基帶信號處理(進(jìn)行MSK調(diào)制),同時發(fā)送一個PTT低電平信號,將鎖相環(huán)電路電源打開,鎖相環(huán)電路根據(jù)單片機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)將MSK數(shù)據(jù)調(diào)制在相應(yīng)的頻道上,這時鎖相環(huán)工作正常后發(fā)送一個LD信號,控制功放的電源打開,信號通過放大后由天線發(fā)送回后方接收。一幀數(shù)發(fā)送結(jié)束后PTT置高,鎖相環(huán)調(diào)制單元電源關(guān)閉,LD電平置低,功放電源也立即關(guān)閉?；氐酱龣C(jī)狀態(tài),以最小的工作電流待機(jī)。

3.4 接收機(jī)

接收機(jī)是用來接收發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號,將接收的信號恢復(fù)成原始的數(shù)據(jù)信號送入信號處理機(jī)進(jìn)行處理。電路主要由濾波、高放、下變頻、窄帶濾波、中放、鑒頻,解調(diào)和控制單元組成,接受帶寬為25Kbp/s。

如圖6所示,信號經(jīng)接收天線下來后,首先經(jīng)過一個帶通濾波電路,將帶外的雜波信號濾除,并進(jìn)行一定的放大,放大的信號進(jìn)行下變頻處理,將信號變到21.4MHz中頻,通過一個聲表濾波進(jìn)行一個窄帶的處理,以提高接收的靈敏度;信號再經(jīng)放大后送入鑒頻器進(jìn)行鑒頻,形成基帶AF信號,AF信號經(jīng)MSK解調(diào)器解調(diào),數(shù)據(jù)最終由單片機(jī)串口送入用戶信號處理機(jī)進(jìn)行處理。

圖6 接收機(jī)工作原理框圖

3.5 硬件系統(tǒng)小型化、低功耗、抗干擾設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)由火炮布撒并采用電池供電,因而采取了合理布局、減小體積、減小過孔面積和導(dǎo)線的線寬、線距采用集成度高、功耗低或者帶有降功耗模式的小封裝器件等小型化、低功耗設(shè)計(jì)。另外,本系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)中主要采取了如下一些抗干擾的措施:

1) 對mega128處理器,靠近電源引腳配置了去耦電容,不用的關(guān)鍵引腳設(shè)定為上拉電阻輸入;

2) 對壓縮編碼電路,由于是數(shù)字信號和模擬信號共存的區(qū)域,有可能產(chǎn)生數(shù)字信號和模擬信號的干擾,因此布線時將數(shù)字地和模擬地分開布設(shè),同時盡量使數(shù)字信號線和模擬信號線遠(yuǎn)離,CMX639芯片的電源線和地線之間都接入了去耦電容,防止電源公共阻抗干擾。

3) 對電源線和地線進(jìn)行合理布置,同時還要進(jìn)行加粗。在主干線上布放多種容值的電容,以濾除多種頻率成分的開關(guān)噪聲。

4 軟件設(shè)計(jì)

語音的編、解碼程序流程圖分別如圖7、8所示。

圖8 語音解碼程序流程圖

5 實(shí)驗(yàn)測試

為驗(yàn)證系統(tǒng)的性能,進(jìn)行了過載和無線傳輸性能測試。

1) 過載性能測試

為檢驗(yàn)經(jīng)過固體灌封處理后樣彈的抗過載能力,在沖擊試驗(yàn)臺分別對三枚樣彈進(jìn)行了5000g、10000g和15000g的沖擊試驗(yàn)。試驗(yàn)后將其接入放大6000倍的電路和示波器進(jìn)行性能測試,其對固定目標(biāo)的敏感性與試驗(yàn)前檢測的值對比。試驗(yàn)顯示:沖擊前后頻率特征無明顯變化,對目標(biāo)的識別正常,各硬件電路等均能正常工作。試驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)能夠承受高達(dá)15000g的沖擊過載。

2) 無線傳輸性能測試

為檢驗(yàn)系統(tǒng)對壓縮編碼后信息的無線傳輸能力,將去除戰(zhàn)斗部的兩發(fā)樣彈分別置于室外道路上和院內(nèi)道路旁,接收機(jī)距離兩發(fā)彈的距離為1.5km和5.5km。啟動系統(tǒng),試驗(yàn)表明:當(dāng)有車輛經(jīng)過時均可明顯接收到特定信息。

6 結(jié)語

文中基于某封控子彈設(shè)計(jì)了一種聲探測系統(tǒng),用于對復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境的偵察封鎖,在封鎖區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)裝甲車輛等目標(biāo)時將聲音信息經(jīng)調(diào)理、放大、壓縮編碼,一方面用于子彈對目標(biāo)的定位及類型的判別,一方面將編碼信息通過無線傳輸方式傳回己方接收機(jī),為指揮員決策提供依據(jù)。經(jīng)試驗(yàn)證明能夠正常工作。

[1] 許可喜.被動聲探測若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2005.

[2] 劉愛國.TL431在開關(guān)電源中的應(yīng)用[J].科技信息,2012(27):124.

[3] 熊本剛.低成本、適合無線通信的語音編碼芯片—CMX639[J].世界電子元器件,2003(8):43-44.

[4] 孫繼平,吳冰.基于增量調(diào)制的CMX639及其應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2003(10):667-669.

Design of Voice Detect System of Artillery Ammunition of Blockade and Control

ZHANG Yunbing1YIN Ximei2

(1. Graduate Management Unit, Army Officer Academy, Hefei 230031) (2. Ammunition Engineering Staff Room, Army Officer Academy, Hefei 230031)

Aiming at detection and identification of a Artillery Ammunition, a Voice detect system is designed. It adopts an capacitance voice sensor to collect battlefield information. After recuperating and amplifying CMX639 chip is used to compress code to stream the data into system microprocessor Mega128. The processor uses collected information blend with other informations as distinguish basis of target type and position, and sends back the information through wireless transmission.

ammunition of blockade and control, capacitance voice sensor, CMX639, Mega128

2014年5月3日,

2014年6月23日 作者簡介:張運(yùn)兵,男,碩士研究生,研究方向:信息化彈藥彈載電路。殷希梅,女,副教授,研究方向:信息化彈藥彈載電路。

TJ413

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.048