基于DSC的火箭彈引信檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧明洋，李豪杰，李長生，楊文忠

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京　210094）

通信與信息技術(shù)

基于DSC的火箭彈引信檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

盧明洋，李豪杰，李長生，楊文忠

（南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094）

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）的檢測系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)主要由電源、信號(hào)調(diào)理電路、渦輪電機(jī)模擬電路和測速信號(hào)發(fā)生電路等模塊組成，重點(diǎn)對渦輪電機(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)對引信進(jìn)行檢測實(shí)驗(yàn)，對比了結(jié)果，并分析了系統(tǒng)誤差的來源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測系統(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)中可顯著減少檢測時(shí)間。

檢測系統(tǒng)；DSC；引信；A/D采樣

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程對其輸出響應(yīng)進(jìn)行全面檢測。傳統(tǒng)人工檢測采用穩(wěn)壓電源、示波器、信號(hào)發(fā)生器、轉(zhuǎn)接開關(guān)板等工具并配合渦輪電機(jī)人工吹氣完成整個(gè)過程，接線繁瑣且可靠性差，完成一套引信的檢測需要耗費(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。引信具有炮口測速及時(shí)間修正功能，根據(jù)測得的炮口速度，按照修正公式對查詢到的發(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，檢測系統(tǒng)主要對此進(jìn)行檢測。

1.2檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

依據(jù)引信功能，檢測系統(tǒng)應(yīng)檢測的內(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、測速信號(hào)模擬、邏輯控制等。

測試系統(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。檢測系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分。

圖1　檢測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

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。

圖2　電源結(jié)構(gòu)

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LM 2596芯片，最大負(fù)載電流［3］為3 A。線性電源芯片采用LM 1086和LM 7905，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，需對放電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。放電電容C為22μF，充滿后電壓U最大為18 V，放電回路電阻值R約為10Ω，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uC（單位：V）與時(shí)間t的關(guān)系為：

電容滿電壓最高可達(dá)到18 V，需對其進(jìn)行降壓，采取電阻分壓，具體電路如圖3所示。

圖3　信號(hào)調(diào)理電路

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 R15，R16和 R17，R18分壓，通過OPA4703構(gòu)成的射級跟隨器接到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。

圖4　鉗位電路

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550Ω時(shí)，產(chǎn)生的電壓頻率及有效值參數(shù)如表1所示。

表1　渦輪電機(jī)參數(shù)

測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。模擬模塊采用兩級電路，前級由AD9833產(chǎn)生頻率為9 kHz峰峰值為0.6 V的小信號(hào)，后級采用LM 1875對小信號(hào)進(jìn)行功率放大。AD9833為波形發(fā)生芯片，通過SPI接口與TMS320F2812連接，接收TMS320F2812發(fā)來的配置字，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］。

圖5　LM 1875功率放大電路

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4Ω，輸出阻抗為440Ω，輸入端電壓峰峰值為6 V，輸出峰峰值為48 V。

2.4測速信號(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)測算彈丸飛行速度［8］，在檢測系統(tǒng)中為了檢測引信測速功能是否正常需模擬產(chǎn)生的電壓測速信號(hào)。

測速信號(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。對此，根據(jù)測速系統(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)并完成檢測結(jié)果傳輸；按鍵檢測判斷是否要進(jìn)行下一輪檢測，若是則說明已經(jīng)換了下一個(gè)引信，回到發(fā)送裝定信息階段開始新的檢測。

圖6　測速信號(hào)發(fā)生框圖

圖7　系統(tǒng)軟件流程圖

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，若是接收到反饋數(shù)據(jù)，則判斷反饋數(shù)據(jù)對錯(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。

圖8　裝定數(shù)據(jù)流程及結(jié)果判斷

4　實(shí)驗(yàn)與分析

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

4.1時(shí)間測定實(shí)驗(yàn)

測試系統(tǒng)使用CPU Timer0記錄解保和發(fā)火時(shí)間，因?yàn)榘l(fā)火時(shí)間最長不會(huì)超過5 s，設(shè)定Timer0周期為10 s。當(dāng)檢測到斷線信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)定時(shí)器計(jì)時(shí)，檢測到信號(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)算得出解保或發(fā)火時(shí)間。在系統(tǒng)工作時(shí)，同時(shí)使用示波器檢測解保和發(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無測速信號(hào)的檢測結(jié)果如表2所示。從表中可以看出檢測系統(tǒng)的檢測結(jié)果與示波器讀出的結(jié)果差值在±1 ms范圍內(nèi)，滿足檢測需求。

表2　解保發(fā)火時(shí)間值比較　ms

4.2A/D采樣實(shí)驗(yàn)

將待測引信與檢測系統(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。

圖9　信號(hào)調(diào)理電路輸入輸出信號(hào)

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1μs。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應(yīng)的電壓如圖10所示。可以看出，A/D采樣沒有捕獲到放電尖峰，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)到來時(shí)，尖峰部分被C1電容吸收，因而A/D采集的值無法重現(xiàn)信號(hào)的尖峰部分，而且上升沿也被延緩了。

圖10　發(fā)火信號(hào)幅值附近A/D采樣計(jì)算值

圖11　A/D輸入濾波

除去電容，根據(jù)A/D采樣值計(jì)算的電壓值還受其他因素的影響。如圖3所示，以發(fā)火信號(hào)為例，設(shè)A/D調(diào)理端輸入電壓為ui，分壓電阻電路的增益為AR，其后跟隨器的增益為Ae1，反相運(yùn)算電路的增益為Ai，之后的跟隨器增益為Ae2，A/D引腳處的電壓為uo，則有：

設(shè)A/D采樣值為Vs，由于A/D自身的增益和偏移誤差導(dǎo)致Vs與uo的關(guān)系為［10］：

則：

5　結(jié)　論

本文基于DSC設(shè)計(jì)了火箭彈引信檢測系統(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)，以一種簡便、低成本方式實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品質(zhì)量的檢測。時(shí)間測定實(shí)驗(yàn)和A/D采樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，檢測系統(tǒng)誤差在可接受范圍內(nèi)，滿足檢測需求。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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Design of rocket fuze detection system based on DSC

LU M ingyang，LIHaojie，LIChangsheng，YANGWenzhong
（School of Mechanical Engineering，Nanjing University of Science and Technology，Nanjing 210094，China）

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 fuzemass production.

detection system；DSC；fuze；A/D sampling

TN911.72-34；TP274

A

1004-373X（2016）11-0001-04

10.16652/j.issn.1004-373x.2016.11.001

2015-09-30

國家自然科學(xué)基金（61403201）；總裝備部預(yù)研基金（9140A05020114BQ02063）

盧明洋（1990—），男，江蘇盱眙縣人，碩士。研究方向?yàn)樘綔y制導(dǎo)與控制。