艦炮手動控制設計

崔斌

（中國電子科技集團公司第二十研究所, 西安 710068）

由于對老舊設備改造需對自動艦炮進行手動控制設計，設計是在保留原艦手動瞄具基礎上進行。即，當在瞄具工作狀態(tài)時，可以對艦炮進行完全操控，但該型艦炮為全自動數(shù)字接口艦炮，所以需要設計接口轉換電路，進行數(shù)據(jù)轉換，將控制信息發(fā)送至艦炮，同時能將艦炮的一些狀態(tài)信息回告顯示。

1 系統(tǒng)組成

手動控制主要有三部分組成：

瞄具操作手柄——原艦舊有設備，用于發(fā)送射擊與方位、高低角度模擬信號；

顯示控制箱——用于發(fā)送艦炮的一些基本開關信號，并能將艦炮的一些狀態(tài)顯示；

數(shù)據(jù)接口板——用于進行數(shù)據(jù)的模數(shù)轉換、與計算機進行數(shù)據(jù)交互、控制信號的切換；其組成框圖見圖1。

2 詳細設計

2.1 數(shù)據(jù)接口板設計

數(shù)據(jù)接口板為該系統(tǒng)的關鍵部分，其核心則采用 Altera公司的 MAXII系列的 EPM2210F256I5 CPLD芯片，該芯片功耗低、接口豐富，使用方便，是應用廣泛的數(shù)字器件。其接口分為外部接口與內部接口。

外部接口共有三個部分。

（1）由艦炮送來的架位、余彈、狀態(tài)等數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)通過同步串口發(fā)送至顯示控制箱，串口發(fā)送模塊則采用 Maxim公司的 MAX3468ESA串口芯片，串行數(shù)據(jù)（RS422）為160bits的串行數(shù)據(jù)（瞄具舷角架位、瞄具仰角架位、余彈數(shù)），同步串行數(shù)據(jù)傳輸接口時序見圖2。

傳輸采用的是非標準的同步串口進行數(shù)據(jù)傳輸，用clkout信號的低電平作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠鹗紭耸?，當clkout信號被再次至高時則開始數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 手動控制系統(tǒng)組成圖

圖2 同步時序圖

圖3 INH信號檢測時序圖

（2）ADC接口，由瞄具發(fā)送的方位、高低角度信號經(jīng)過A/D采樣后，送入CPLD。CPLD將ADC送來的14位并行數(shù)據(jù)轉換為16位，低14位有效。再將16位并為32位，通過32位I/O總線傳入PCI橋片。

模數(shù)轉換部分則采用的是14位旋轉變壓器-數(shù)字轉換器（RDC）用于將瞄準具發(fā)送的方位與高低角度變?yōu)閿?shù)字量。該模塊采用 32線雙列直插金屬外殼封裝，體積小、重量輕、可靠性高、抗干擾能力強。CPLD通過對該芯片的INH管腳的控制，方便的進行數(shù)據(jù)的讀取。當需進行數(shù)據(jù)傳輸時，計算機可向INH發(fā)一個邏輯低電平，從而阻止了鎖存器的刷新。當INH端被置于低電平并延遲600ns后數(shù)據(jù)穩(wěn)定，可讀取數(shù)據(jù)，讀取完畢，則釋放INH，使其為高電平，刷新鎖存器，時序圖如圖3所示。

（3）外圍TTL控制電平。顯示控制箱發(fā)送控制、選擇等信號通過I/O口送入CPLD,CPLD再將這些信號鎖存，通過引腳分別送出去。

內部接口主要由兩部分組成。

（1）PCI橋片與CPLD芯片之間的I/O或存儲器操作。PCI9054的本地總線端共有三總不同的本地總線接口類型，分別為：M模式、J模式、C模式，其分別適合于不同的本地總線邏輯控制端，配置模式見表 1。M 模式是針對芯片 MPC850和MPC860設計的；J模式地址線與數(shù)據(jù)線復用，嚴格效仿PCI總線協(xié)議，適合沒有本地端主設備的情況，完全由PCI總線控制；C模式數(shù)據(jù)線與地址線分開使用，本地時鐘與總線時鐘異步，使用較為廣泛，故本接口板設計采用的是C模式，這可以通過PCI9054的管腳MODE[1:0]來設置。

表1 PCI9054模式配置

圖4 PCI從模式寫時序（32位本地地址）

CPLD的任務即是在CPCI總線發(fā)起的讀寫操作后，對PCI9054產(chǎn)生的本地總線時序進行響應。即當 LHOLD（本地總線保持申請）有效后，將LHODA（本地總線保持響應）拉高作為應答，然后再根據(jù)ADS#有效時的32位本地地址和讀寫信號判斷當前操作的目標寄存器，并將相應寄存器的數(shù)據(jù)鎖存到32位本地數(shù)據(jù)總線上，寫時序如圖4所示。讀時序與寫時序類似，需將LW/R#信號置為地電平。部分代碼如下：

（2）PCI橋片與EEPROM間的設備數(shù)據(jù)引導接口。PCI9054提供三個引腳EECS、EESK、EESD與EEPROM的CS、SK、DI、DO相連，EEPROM的配置連接方法如圖5所示，其中EEPROM采用的是MICROCHIP公司的93AA56B。

圖5 EEPROM原理圖

該接口是I2C總線，EEPROM將PCI設備的配置信息通過I2C總線送入PCI橋片，PCI橋片再將該信息通過PCI總線送給CPU，實現(xiàn)對PCI設備的配置，配置PCI配置寄存器主要是填寫生產(chǎn)ID號、器件ID號等，對于PCI9054這些都是固定的，可以在PCI9054數(shù)據(jù)手冊中查到。本地配置寄存器的配置是對本地地址空間及本地總線屬性的配置，配置要根據(jù)實際開發(fā)需要進行，配置完成后，在主機CPU要訪問本地地址空間時，可能給出對應的PCI總線地址。

在計算機加電自檢期間，PCI總線的RST#信號復位，PCI9054內部寄存器的默認值作為回應，PCI9054輸出本地 LRESET#信號并檢測串行EEPROM，若EEPROM中的前33個比特不全為1，那么PCI9054確定串行EEPROM非空，用戶可以通過向9054的寄存器CNTRL的29位寫1來加載EEPROM的內容到PCI9054的內部寄存器。

板卡上的切換單元則是由一組繼電器組成，用于對火控臺和瞄具之間的控制信號線路選通。

在接口板上，射擊電路也是重點之一，出于安全性的考慮，射擊電路采取三重保護措施。射擊時，需要瞄具上兩個擊發(fā)按鍵同時按下時，接口板才會采集到擊發(fā)信號，同時接口板CPLD會判斷此時是否接收到計算機發(fā)出的射擊允許命令，若無則不會產(chǎn)生射擊信號脈沖電平，若有則產(chǎn)生射擊脈沖。此時，只有在射擊保險打開狀態(tài)下，艦炮才會收到該脈沖信號。

2.2 顯示控制箱設計

顯示控制箱則由顯示板、指示燈、開關組成，顯示板用于顯示艦炮的當前架位與余彈數(shù)。其原理圖如6所示。

艦炮的架位、余彈、狀態(tài)信息通過串口發(fā)送至顯示板中 CPLD，CPLD譯碼后將架位、余彈顯示在數(shù)碼管上，狀態(tài)信息則通過面板指示燈來表示。

由于該操控箱是安裝在船艙外，外界條件惡劣，故對設備的防護等級和防腐性要求很高，因此本設計中操控箱體選用防護等級為 IP66的不銹鋼箱體作為外機箱。其內部裝一個內門、內門框、門制動器。所有操作開關及按鍵指示燈均安裝在內門上。

圖6 顯示板原理示意圖

3 總結

本文描述了一種用瞄具對艦炮的手動控制的設計方法，介紹硬件組成和部分軟件的設計，著重描述了接口模塊的設計，由于數(shù)據(jù)接口板采用了CPCI總線并使用CPLD和PCI9054作為主要功能實現(xiàn)芯片，利用其傳輸速率高的特性，使得系統(tǒng)滿足實時性的要求。

[1] PLX Technology .PCI 9054 Data Book (Version 1.0) [K].1998

[2] 杰瑞電子有限公司. 杰瑞電子2009年產(chǎn)品數(shù)據(jù)手冊[K].2009

[3] 夏宇聞. Verilog 數(shù)字系統(tǒng)設計教程[M]. 北京:北京航天航空大學出版社, 2008