便攜式多管火箭彈發(fā)射控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

韓星程 王黎明 李潤汀

(中北大學(xué) 太原 030051)

0 引言

目前，火箭彈發(fā)射控制技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，但通用性不強(qiáng)，所設(shè)計(jì)的發(fā)射控制系統(tǒng)都是源于不同的目的。本文基于安全可靠的基礎(chǔ)上針對(duì)靶場試驗(yàn)所用火箭彈設(shè)計(jì)了一款相應(yīng)的發(fā)射控制系統(tǒng)。與以往軍事演習(xí)所設(shè)計(jì)的大型系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)輕型便攜的同時(shí)，發(fā)射時(shí)間間隔精確，實(shí)現(xiàn)了多管火箭的依次定時(shí)發(fā)射，而且該系統(tǒng)不受惡劣環(huán)境的影響。使用時(shí)只需將該系統(tǒng)與多管火箭裝彈裝置相連接，根據(jù)相應(yīng)指令即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射操作。

該系統(tǒng)由控制模塊，點(diǎn)火模塊和時(shí)統(tǒng)傳輸三部分構(gòu)成，利用微處理器發(fā)出精確點(diǎn)火控制指令，使點(diǎn)火系統(tǒng)按照一定的時(shí)序間隔發(fā)出有效的點(diǎn)火脈沖，同時(shí)將控制信息傳遞給遠(yuǎn)端的PC 機(jī)實(shí)現(xiàn)信息交互。實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化、輕型化設(shè)計(jì)，為多管火箭彈的數(shù)字化改造提供了新的參考思路。

1 硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)主要有三大模塊組成，分別是主控模塊，8 路點(diǎn)火模塊、時(shí)統(tǒng)傳輸模塊，這三個(gè)模塊間為了保證安全，防止誤操作造成的意外，它們之間用光耦隔離進(jìn)行分隔，同時(shí)為了避免相互干擾，三個(gè)模塊采用各自電源獨(dú)立供電，主控模塊采用3.3V 供電，點(diǎn)火模塊和時(shí)統(tǒng)傳輸模塊均采用12V 供電［1］。

1.1 主控模塊

本模塊以TI公司的MSP430F149 單片機(jī)作為控制芯片，它是一款16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機(jī)，其不但具有速度快，處理能力強(qiáng)，系統(tǒng)工作穩(wěn)定等特點(diǎn)［2］，而且電路設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，在縮短研發(fā)周期的同時(shí)也大大降低了設(shè)計(jì)成本。其電路設(shè)計(jì)如下圖2所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

圖2 控制電路原理圖

如圖2所示，當(dāng)按下觸發(fā)按鍵后，通過P2.0 口給單片機(jī)一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，單片機(jī)接收到觸發(fā)信號(hào)后，控制P1.0-P1.7 口外接的8 路通道依次點(diǎn)火發(fā)射，同時(shí)將而每一路點(diǎn)火時(shí)間間隔可以指定，單片機(jī)檢測到指定的時(shí)間間隔后通過P3.0-P3.2 口外接三個(gè)LED 燈指示出當(dāng)前的間隔模式。

1.2 點(diǎn)火發(fā)射模塊

作為發(fā)射系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，抗干擾成為不可忽視的首要因素，基于此在單片機(jī)與點(diǎn)火電路之間采用光耦隔離芯片PC817 隔離［3］。

本模塊由8 組具有相同原理的電路設(shè)計(jì)而成，每一組主要由雙刀雙擲繼電器構(gòu)成，且都帶有指示燈，通過指示燈相應(yīng)地狀態(tài)指示，來提示系統(tǒng)是否工作在安全環(huán)境下。圖3 為該模塊設(shè)計(jì)中的第一組電路。

圖3 點(diǎn)火發(fā)射電路

工作原理:8 組電路中每一組兩個(gè)公共端COM都分別接有綠色和紅色指示燈，上電后繼電器雙刀中的一刀接通外部電源，綠燈點(diǎn)亮，說明電源正常供電，同時(shí)另一刀不接，此時(shí)紅燈熄滅。當(dāng)單片機(jī)收到按鍵觸發(fā)點(diǎn)火信號(hào)后，給P1.0 口輸出一個(gè)高電平，通過光耦隔離芯片PC817，使該芯片右邊電路導(dǎo)通，此時(shí)12V電壓分別加載到電阻R2 和繼電器內(nèi)部線圈coil 兩端，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)電流分別流過NPN 三極管的b 極和c極，從而驅(qū)動(dòng)繼電器吸合，使繼電器雙刀同時(shí)打到另一端，此時(shí)綠燈熄滅紅燈點(diǎn)亮，指示可以進(jìn)行點(diǎn)火發(fā)射。兩路指示燈的狀態(tài)始終是相反的。上電后，只有8 路通道的紅燈均為亮的才可進(jìn)行點(diǎn)火發(fā)射。

1.3 時(shí)統(tǒng)傳輸模塊

在點(diǎn)火的同時(shí)要進(jìn)行同步信號(hào)的發(fā)送，同步信號(hào)要保證實(shí)時(shí)性，高抗噪性，以保證信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸?shù)倪^程中有用信息不丟失不產(chǎn)生誤碼。

目前國內(nèi)外都采用RS232 或者RS485 串行通信接口標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行通信設(shè)備與PC 機(jī)之間的信息傳遞。它們傳輸?shù)亩际请妷盒盘?hào)，會(huì)產(chǎn)生以下問題:(1)傳輸線會(huì)受到噪聲的干擾;(2)傳輸線的分布電阻會(huì)產(chǎn)生電壓降。

相比較電壓，電流對(duì)噪聲并不敏感。所以為了解決上述問題和避開相關(guān)噪聲的影響，本系統(tǒng)中同步信號(hào)發(fā)送模塊采用電流環(huán)AD694 將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)來實(shí)施信號(hào)傳輸，保證了信號(hào)的完整性與精確性［4］。

如圖4所示，AD694 將控制信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流信號(hào)從IOUT端輸出，在傳輸過程中始終為電流信號(hào)，在接收端通過電阻RL再將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送端與接收端的信息傳遞。整個(gè)過程就是電壓到電流再到電壓的轉(zhuǎn)換。

2 軟件實(shí)現(xiàn)

本發(fā)射控制系統(tǒng)的軟件程序是通過C 語言編寫的，是在IAR Embedded Workbenc 環(huán)境下開發(fā)，并在MAP430F149 單片機(jī)的智能系統(tǒng)上運(yùn)行的。

圖4 AD694 典型應(yīng)用電路

2.1 軟件流程

系統(tǒng)控制軟件由系統(tǒng)初始化程序、按鍵檢測程序和點(diǎn)火發(fā)射程序等構(gòu)成，軟件流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行系統(tǒng)的初始化工作，在初始化中對(duì)單片機(jī)的引腳和時(shí)鐘進(jìn)行配置。并打開全局中斷開始系統(tǒng)時(shí)間的計(jì)數(shù)，若過了系統(tǒng)時(shí)間還未發(fā)射成功則重啟系統(tǒng)重新計(jì)時(shí)。當(dāng)檢測到點(diǎn)火按鍵按下并抬起后，進(jìn)入到發(fā)射函數(shù)，在進(jìn)行點(diǎn)火發(fā)射的同時(shí)，8 路發(fā)射信號(hào)所對(duì)應(yīng)的同步信息經(jīng)由單片機(jī)的管腳發(fā)送給外部的電流環(huán)，每一路發(fā)射完后判斷是否8 路都已完成發(fā)射，若沒有則切換到下一路繼續(xù)發(fā)射，若全部發(fā)射則結(jié)束發(fā)射過程。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

2.2 算法設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)對(duì)發(fā)射過程的時(shí)序要求較高，要選擇合適的計(jì)時(shí)算法才可以滿足要求。首先對(duì)需要用到的變量進(jìn)行定義，如表1所示。

表1 變量定義

系統(tǒng)初始化成功后即開始計(jì)T_current，當(dāng)檢測到按鍵按下并抬起后，開始觸發(fā)系統(tǒng)依次點(diǎn)火發(fā)射，則

注:結(jié)果只取整數(shù)部分;

在得到以上各值后進(jìn)行判斷若T_fire 在其值域［0，Num_total* T_period］內(nèi)說明還在系統(tǒng)發(fā)射過程中則接著獲取當(dāng)前的發(fā)射序號(hào)Num_ missile，重復(fù)執(zhí)行以上過程直到T_fire 超出其值域，即Num_missile=8，則完成整個(gè)點(diǎn)火過程。

若當(dāng)T_current 超出其值域［0，64800］還未點(diǎn)火的時(shí)候則重啟整個(gè)系統(tǒng)重新執(zhí)行這個(gè)過程。其中系統(tǒng)時(shí)間由單片機(jī)的定時(shí)器提供，以中斷方式計(jì)數(shù)，系統(tǒng)定時(shí)器每10 毫秒中斷一次，時(shí)間變量clk_tmp 加1 當(dāng)clk_tmp 加滿五次后系統(tǒng)的當(dāng)前時(shí)間T_current加1 同時(shí)clk_tmp 清零。

系統(tǒng)的發(fā)射信號(hào)是通過檢測外部按鍵的輸入來完成的，本系統(tǒng)采用中斷方式來檢測按鍵是否被按下。在處理按鍵的時(shí)候需要注意有相應(yīng)的按鍵檢測的消抖和防止誤觸發(fā)的操作。

誤觸發(fā)有兩種可能，一種是按下的時(shí)間過短，另一種是按下的時(shí)間過長，所以要選擇合適的判斷條件來判斷是否為正常觸發(fā)，而且合適的判斷時(shí)間還可以消除按鍵按下的抖動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響，一般根據(jù)系統(tǒng)會(huì)選幾十微秒到幾百毫秒，本系統(tǒng)選擇區(qū)間為20ms 到50ms，即當(dāng)T_button_holdon 在區(qū)間［20，50］就算是正常觸發(fā)，視為有效點(diǎn)火，而在區(qū)間外的均視作無效點(diǎn)火。

3 系統(tǒng)測試

將程序通過JTAG 接口下載到單片機(jī)里，并通過邏輯分析儀仿真，得到該系統(tǒng)工作波形如圖所示。由圖6 可知，從D0到D7口依次輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，用來驅(qū)動(dòng)8 路火箭彈的依次點(diǎn)火發(fā)射，而且相鄰兩個(gè)脈沖信號(hào)間隔為400ms，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

圖6 系統(tǒng)工作波形圖

該系統(tǒng)硬件PCB 板如圖7所示，上電后八路點(diǎn)火通道的綠燈同時(shí)點(diǎn)亮，當(dāng)八路紅燈依次點(diǎn)亮?xí)r，實(shí)現(xiàn)了八路火箭彈的依次點(diǎn)火發(fā)射。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)經(jīng)過軟件測試、硬件調(diào)試、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)了發(fā)射控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用。同時(shí)采用單片機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了該型火炮發(fā)射系統(tǒng)的信息化改進(jìn)，用繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械開關(guān)，性能穩(wěn)定，可靠性高，而且該系統(tǒng)具有一定的通用性，大大縮短了設(shè)備的研制周期，降低了研制成本。

圖7 硬件PCB 板電路

［1］常遠(yuǎn)，侯健，李玉，張方方.超高射速武器電子點(diǎn)火系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報(bào)，2011，(3):63-66.

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