基于DSC的火箭彈引信檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 為了控制火箭彈引信產(chǎn)品質(zhì)量并提高生產(chǎn)效率，設(shè)計(jì)了基于數(shù)字信號(hào)控制器（DSC）的檢測(cè)系統(tǒng)。檢測(cè)系統(tǒng)主要由電源、信號(hào)調(diào)理電路、渦輪電機(jī)模擬電路和測(cè)速信號(hào)發(fā)生電路等模塊組成，重點(diǎn)對(duì)渦輪電機(jī)模擬電路和信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行介紹，并設(shè)計(jì)了A/D采樣、接口通信和邏輯控制等軟件。系統(tǒng)與示波器同時(shí)對(duì)引信進(jìn)行檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了結(jié)果，并分析了系統(tǒng)誤差的來(lái)源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)系統(tǒng)能有效獲得解保發(fā)火信號(hào)的幅度與時(shí)間值，在引信批量生產(chǎn)中可顯著減少檢測(cè)時(shí)間。

關(guān)鍵詞： 檢測(cè)系統(tǒng)； DSC； 引信； A/D采樣

中圖分類號(hào)： TN911.72?34； TP274 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）11?0001?04

Abstract： To ensure the quality of rocket fuze product and improve the production efficiency， the detection system based on digital signal controller （DSC） was designed. This detection system is composed of power supply， signal processing circuit， turbine generator simulation circuit， velocity measurement signal generating circuit， etc. The turbine generator simulation circuit and signal processing circuit are introduced emphatically. The softwares of A/D sampling， interface communication and logic control were designed. The fuze was tested in the experiment by means of the system and oscilloscope simultaneously. The results are compared and the source of system error is analyzed in this paper. The experimental results show that the detection system can ensure the amplitude and time of the arming signal， and significantly reduce the detection time of fuze mass production.

Keywords： detection system； DSC； fuze； A/D sampling

單兵火箭彈作為一種陸軍部隊(duì)攜帶使用的步兵近戰(zhàn)武器，目前已成為步兵分隊(duì)的主要裝備火力，配備高精度炸點(diǎn)控制的空炸引信，可將殺傷目標(biāo)由點(diǎn)擴(kuò)展到面，大大提高了作戰(zhàn)效能與毀傷威力[1]。

火箭彈空炸引信裸板在組裝使用前要模擬彈丸彈道飛行過(guò)程對(duì)其輸出響應(yīng)進(jìn)行全面檢測(cè)。傳統(tǒng)人工檢測(cè)采用穩(wěn)壓電源、示波器、信號(hào)發(fā)生器、轉(zhuǎn)接開(kāi)關(guān)板等工具并配合渦輪電機(jī)人工吹氣完成整個(gè)過(guò)程，接線繁瑣且可靠性差，完成一套引信的檢測(cè)需要耗費(fèi)相當(dāng)多的時(shí)間和精力。在批量生產(chǎn)狀況下為了提高生產(chǎn)效率，嚴(yán)控產(chǎn)品質(zhì)量，設(shè)計(jì)了火箭彈引信檢測(cè)系統(tǒng)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 引信功能

該型火箭彈引信為電子引信，發(fā)射前由裝定器供電，發(fā)射后由頭部渦輪電機(jī)供電。引信工作于定時(shí)空炸方式，發(fā)射前由裝定器將距離信息輸入引信，引信根據(jù)內(nèi)置彈道表查詢出對(duì)應(yīng)的解保和發(fā)火時(shí)間配置定時(shí)器；出炮口時(shí)定時(shí)器啟動(dòng)，在彈道飛行中解保定時(shí)時(shí)間到達(dá)，引信解除保險(xiǎn)；發(fā)火定時(shí)時(shí)間到達(dá)，引信發(fā)火引爆戰(zhàn)斗部。引信具有炮口測(cè)速及時(shí)間修正功能，根據(jù)測(cè)得的炮口速度，按照修正公式對(duì)查詢到的發(fā)火時(shí)間進(jìn)行修正。引信作用的關(guān)鍵在于解保和發(fā)火信號(hào)的有效性與時(shí)間的準(zhǔn)確性，檢測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)此進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

依據(jù)引信功能，檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)檢測(cè)的內(nèi)容有：發(fā)火電壓幅值、發(fā)火時(shí)間、解保電壓幅值和解保時(shí)間。為使引信產(chǎn)生這些信號(hào)并有效測(cè)定涉及的模塊有：電源、信息裝定、A/D采集、渦輪電機(jī)波形模擬、測(cè)速信號(hào)模擬、邏輯控制等。

測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。發(fā)火解保電路模塊接收引信內(nèi)部的電容放電信號(hào)；信號(hào)采集模塊包含信號(hào)調(diào)理和A/D采樣；模擬斷線模塊模擬彈丸出炮口時(shí)拉斷裝定線的動(dòng)作；測(cè)速信號(hào)模塊模擬彈丸出炮口時(shí)線圈切割磁感線產(chǎn)生的測(cè)速波形；渦輪電機(jī)模擬模塊模擬渦輪彈道飛行中產(chǎn)生的正弦波。檢測(cè)系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分。

2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)，選擇TI的DSC芯片TMS320F2812作為主控，其除了具有單片機(jī)的控制功能外，也具有不錯(cuò)的數(shù)據(jù)處理能力。TMS320F2812內(nèi)置12位ADC，采樣頻率最高為12.5 MSPS，具有16個(gè)采樣通道[2]，滿足引信的A/D采樣需求，其價(jià)格也相對(duì)較低。圍繞主控芯片和系統(tǒng)框圖搭建外圍電路，顯示部分采用串口彩屏，其余部分主要電路如下。

2.1 電源模塊

檢測(cè)系統(tǒng)TMS320F2812工作需要3.3 V和1.9 V直流電源；信號(hào)調(diào)理電路工作電壓為-5 V和5 V；渦輪電機(jī)模擬模塊工作電壓為-9 V和9 V。據(jù)此要求可設(shè)計(jì)出電源轉(zhuǎn)換電路，電源結(jié)構(gòu)如圖2所示。

設(shè)計(jì)中采用DC?DC和線性穩(wěn)壓結(jié)合的辦法既降低了功耗又保證了電源的低紋波特性。DC?DC正負(fù)電壓變換均采用LM2596芯片，最大負(fù)載電流[3]為3 A。線性電源芯片采用LM1086和LM7905，最大負(fù)載電流[4?5]為1.5 A。LDO采用TPS767D301給TMS320F2812供電，每通道最大電流[6]為1 A。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

引信電容放電信號(hào)為負(fù)值，TMS320F2812內(nèi)置ADC采樣范圍為0～3 V，需對(duì)放電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。放電電容為22 μF，充滿后電壓最大為18 V，放電回路電阻值約為10 Ω，假設(shè)電容放電時(shí)刻為0，根據(jù)電容放電特性得出電阻兩端電壓（單位：V）與時(shí)間的關(guān)系為：

圖3中Port ARMING為解保信號(hào)輸入端，Port FIRE為發(fā)火信號(hào)輸入端，Port ARMING_SIG接F2812的ADCIN0引腳，Port FIRE_SIG接ADCIN1引腳。兩路信號(hào)被電阻和分壓，通過(guò)OPA4703構(gòu)成的射級(jí)跟隨器接到AD8510構(gòu)成的反相運(yùn)算電路，最后接入ADC。為了防止輸入信號(hào)過(guò)大損害ADC，在每個(gè)采樣輸入端加有如圖4所示的鉗位電路，將ADC輸入端電壓限制在0～3.3 V之間。

2.3 渦輪電機(jī)模擬模塊

彈丸在飛行中依靠頭部的渦輪電機(jī)發(fā)電給引信供能，在引信裸板檢測(cè)時(shí)需要模擬渦輪發(fā)電信號(hào)。引信中使用的渦輪電機(jī)在負(fù)載為550 Ω時(shí)，產(chǎn)生的電壓頻率及有效值參數(shù)如表1所示。

測(cè)試中為了考察引信電路工作的可靠性，模擬的信號(hào)頻率為9 kHz，電壓峰峰值為48 V。模擬模塊采用兩級(jí)電路，前級(jí)由AD9833產(chǎn)生頻率為9 kHz峰峰值為0.6 V的小信號(hào)，后級(jí)采用LM1875對(duì)小信號(hào)進(jìn)行功率放大。AD9833為波形發(fā)生芯片，通過(guò)SPI接口與TMS320F2812連接，接收TMS320F2812發(fā)來(lái)的配置字，產(chǎn)生預(yù)定波形。LM1875為音頻放大器，涵蓋了所需的9 kHz頻率，輸出功率最大可達(dá)20 W，完全滿足要求，具體放大電路如圖5所示[7]。

該電路輸出變壓器為采用鐵氧體磁芯定做的升壓變壓器，在9 kHz頻率下輸入阻抗匹配為4 Ω，輸出阻抗為440 Ω，輸入端電壓峰峰值為6 V，輸出峰峰值為48 V。

2.4 測(cè)速信號(hào)發(fā)生模塊

引信利用彈丸尾部線圈出炮口時(shí)切割磁感線在回路中產(chǎn)生的電壓信號(hào)測(cè)算彈丸飛行速度[8]，在檢測(cè)系統(tǒng)中為了檢測(cè)引信測(cè)速功能是否正常需模擬產(chǎn)生的電壓測(cè)速信號(hào)。

測(cè)速信號(hào)要求：兩脈沖相互獨(dú)立，脈沖一致性好，具有陡峭的下降沿和脈沖幅值[9]達(dá)到0.55 V。對(duì)此，根據(jù)測(cè)速系統(tǒng)及主控芯片的特性采用如圖6所示的方案。

TMS320F2812通過(guò)GPIO產(chǎn)生的兩個(gè)脈沖電壓在0～3.3 V之間，波形變換電路先將其反相，再將電平下移1.65 V，輸出波形幅值不變，范圍在-1.65～1.65 V之間。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件流程如圖7所示。系統(tǒng)首先初始化，初始化完成后向引信發(fā)送裝定信息，然后接收反饋數(shù)據(jù)，反饋正確，則執(zhí)行斷線操作；緊接著啟動(dòng)渦輪電機(jī)模擬供能，啟動(dòng)ADC，需要時(shí)發(fā)送測(cè)速信號(hào)；隨后根據(jù)采樣數(shù)據(jù)判斷解保和發(fā)火信號(hào)并完成檢測(cè)結(jié)果傳輸；按鍵檢測(cè)判斷是否要進(jìn)行下一輪檢測(cè)，若是則說(shuō)明已經(jīng)換了下一個(gè)引信，回到發(fā)送裝定信息階段開(kāi)始新的檢測(cè)。

在發(fā)送裝定信息和反饋處理中會(huì)接收到不同的反饋數(shù)據(jù)，對(duì)不同的反饋數(shù)據(jù)有不同的操作，總流程圖中規(guī)劃為兩步，將其細(xì)化如圖8所示。發(fā)送信息完成后，設(shè)置了500 ms的定時(shí)時(shí)間，防止程序長(zhǎng)時(shí)間接收不到反饋數(shù)據(jù)進(jìn)入死循環(huán)。程序先判斷是否超時(shí)或接收到反饋數(shù)據(jù)，若是則判斷是接收到反饋還是超時(shí)，否則延遲50 ms繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)；若是超時(shí)，則執(zhí)行按鍵檢測(cè)，若是接收到反饋數(shù)據(jù)，則判斷反饋數(shù)據(jù)對(duì)錯(cuò)；反饋數(shù)據(jù)正確則執(zhí)行斷線操作，若錯(cuò)誤則執(zhí)行按鍵檢測(cè)。

4 實(shí)驗(yàn)與分析

根據(jù)上述原理制作了原理樣機(jī)，測(cè)試系統(tǒng)模塊的性能，進(jìn)行了時(shí)間測(cè)定實(shí)驗(yàn)和A/D采樣實(shí)驗(yàn)，并分析了誤差來(lái)源。

4.1 時(shí)間測(cè)定實(shí)驗(yàn)

測(cè)試系統(tǒng)使用CPU Timer0記錄解保和發(fā)火時(shí)間，因?yàn)榘l(fā)火時(shí)間最長(zhǎng)不會(huì)超過(guò)5 s，設(shè)定Timer0周期為10 s。當(dāng)檢測(cè)到斷線信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，檢測(cè)到信號(hào)時(shí)讀取定時(shí)器CpuTimer0Regs.TIM寄存器的值，與周期寄存器的值做減法運(yùn)算得出解?；虬l(fā)火時(shí)間。在系統(tǒng)工作時(shí)，同時(shí)使用示波器檢測(cè)解保和發(fā)火時(shí)間，以斷線信號(hào)作為示波器的外部觸發(fā)，捕捉解保和發(fā)火信號(hào)，從時(shí)間軸上讀出相應(yīng)時(shí)間值。

3發(fā)引信裝定200 m無(wú)測(cè)速信號(hào)的檢測(cè)結(jié)果如表2所示。從表中可以看出檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)結(jié)果與示波器讀出的結(jié)果差值在±1 ms范圍內(nèi)，滿足檢測(cè)需求。

4.2 A/D采樣實(shí)驗(yàn)

將待測(cè)引信與檢測(cè)系統(tǒng)連接，在A/D信號(hào)調(diào)理電路的輸入和輸出端分別接上示波器探頭，使用示波器的觸發(fā)模式分別采集引信的解保和發(fā)火信號(hào)。發(fā)火信號(hào)如圖9所示，圖中下部分為A/D調(diào)理電路的輸入，上部分為輸出。從圖中可以看出，原本幅值約為16 V的負(fù)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)理變?yōu)榉导s為2.2 V的正信號(hào)，極性和幅值都得到了有效處理。

TMS320F2812內(nèi)部ADC的工作頻率編程為25 MHz，EV管理器GPT1周期中斷觸發(fā)ADC，周期設(shè)為1 μs。程序中設(shè)置數(shù)組ADFireValue[10]存儲(chǔ)采集到的處理后發(fā)火信號(hào)幅值附近的值，讀出數(shù)組值并將其換算成對(duì)應(yīng)的電壓如圖10所示?？梢钥闯觯珹/D采樣沒(méi)有捕獲到放電尖峰，比示波器采樣值差-0.2 V，在可接受范圍內(nèi)。

4.3 誤差來(lái)源分析

為了防止高頻干擾，A/D輸入引腳加入了如圖11所示的RC低通濾波電路。引信內(nèi)電容的放電信號(hào)到來(lái)時(shí)，尖峰部分被電容吸收，因而A/D采集的值無(wú)法重現(xiàn)信號(hào)的尖峰部分，而且上升沿也被延緩了。

式中：和阻值存在1%的誤差，由線性擬合得到存在誤差，射級(jí)跟隨器非理想器件增益存在誤差，ADC本身也存在量化誤差以及噪聲，這些因素共同導(dǎo)致A/D采樣計(jì)算的電壓值存在誤差。

5 結(jié) 論

本文基于DSC設(shè)計(jì)了火箭彈引信檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用F2812內(nèi)部ADC模塊采集引信的解保與發(fā)火信號(hào)，以一種簡(jiǎn)便、低成本方式實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的檢測(cè)。時(shí)間測(cè)定實(shí)驗(yàn)和A/D采樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測(cè)系統(tǒng)誤差在可接受范圍內(nèi)，滿足檢測(cè)需求。該系統(tǒng)應(yīng)用在火箭彈引信批量生產(chǎn)中可顯著提高生產(chǎn)效率。

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