某自行高炮火控系統(tǒng)數(shù)字信號并行采集方案設計

陳鏡同，孫世宇，段修生

（軍械工程學院，石家莊 050003）

某自行高炮火控系統(tǒng)數(shù)字信號并行采集方案設計

陳鏡同，孫世宇，段修生

（軍械工程學院，石家莊 050003）

根據(jù)某自行高炮火控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的需要，分析了某自行高炮火控系統(tǒng)的信號特點，確定了進行狀態(tài)監(jiān)測所需要采集的數(shù)字信號，并針對火控系統(tǒng)中的數(shù)字信號設計了一種數(shù)據(jù)并行采集的方案，而且在硬件方面都進行了具體的實現(xiàn)。該設計具有對裝備進行數(shù)據(jù)采集的通用性，為下一步進行數(shù)據(jù)的分析和處理提供了必要的前提條件。

狀態(tài)監(jiān)測，火控系統(tǒng)，并行采集

0 引言

某自行高炮作為我軍新型的機動防空武器系統(tǒng)，技術(shù)先進、性能優(yōu)良，但由于維修保障設備不夠完善，影響了其戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。該自行高炮采用分布式火控系統(tǒng)，各部分之間深度耦合，信號之間互相影響、互為因果，給故障診斷帶來了很大困難。為了及時發(fā)現(xiàn)自行高炮性能指標的改變和狀態(tài)異常，對火控系統(tǒng)進行實時狀態(tài)監(jiān)測十分必要。

自行高炮火控系統(tǒng)由光電探測系統(tǒng)、穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)、車體姿態(tài)測量與處理系統(tǒng)、火控計算機系統(tǒng)和火炮隨動系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)均由多個單體組成。要實現(xiàn)火控系統(tǒng)各分系統(tǒng)或主要單體的故障隔離和定位，就必須獲取這些單體間的各種接口信號，弄清楚這些信號間的內(nèi)在聯(lián)系，結(jié)合系統(tǒng)工作狀態(tài)等各種信息進行綜合判斷，才能獲得比較好的結(jié)果［1］。因此，對該自行高炮火控系統(tǒng)的狀態(tài)監(jiān)測設計一種兼顧針對性和通用性的數(shù)字信號并行采集系統(tǒng)是必要的。

1 火控系統(tǒng)監(jiān)測信號的選取

對于一個具體的狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，通常應具有與之相應的硬件測試設備即數(shù)據(jù)采集裝置，它應與被測裝備的信號特點以及監(jiān)測需求相適應、與采用的狀態(tài)監(jiān)測方法相結(jié)合。數(shù)據(jù)采集的主要目的是實現(xiàn)對某自行高炮火控系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)測，以便得到某自行高炮的最新工作狀態(tài)。某自行高炮火控系統(tǒng)各個工作模塊的信號種類很多，以穩(wěn)定跟蹤系統(tǒng)為例，一方面要接受單炮搜索雷達測得的目標方位角指示信息，把炮塔及跟蹤鏡調(diào)轉(zhuǎn)到雷達指示的目標方位上；另一方面，還要完成對目標的跟蹤和坐標測量，并實時向火控計算機輸送目標現(xiàn)在點坐標。某自行高炮火控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測所需數(shù)字信號的選取要兼顧易獲取和最能表征系統(tǒng)狀態(tài)的原則，所需采集的數(shù)字信號見表1。

表1 裝備狀態(tài)監(jiān)測所需采集的數(shù)字信號

2 硬件方案設計

系統(tǒng)以FPGA和單片機作為控制核心，配以雙端口RAM作為數(shù)據(jù)存儲單元，利用AT89S52微控制器和串口模塊等外設電路實現(xiàn)。該數(shù)字信號并行采集系統(tǒng)設計的原理如圖1。

圖1 數(shù)字信號并行采集系統(tǒng)原理框

實時的裝備狀態(tài)監(jiān)測必須具備對大流量數(shù)據(jù)的快速存取能力，對這些數(shù)字信號進行同步采集要求具有十分準確的時序和采樣速率，用普通的電路實現(xiàn)難度大且不易控制，體積也無法達到要求，從系統(tǒng)的集成度、可靠性、可重構(gòu)性等方面考慮，F(xiàn)PGA是這類高速實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)外圍邏輯構(gòu)造的較好選擇。

某自行高炮狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)要求可以同時一次采集40路的數(shù)字信號，這就需要FPGA提供40個I/O口，與此同時，F(xiàn)PGA還要對雙口RAM、鎖存器和單片機進行控制，即3個鎖存器的使能信號OE，單片機的讀寫信號RD和WR還有雙口RAM一端的16位數(shù)據(jù)線、16位地址線以及兩端的讀寫控制信號OEL、RWL和OER、RWR。這些信號都要通過I/O口跟FPGA相連接，除此之外，F(xiàn)PGA的配置和程序下載部分也要占用一定數(shù)量的I/O口。根據(jù)以上系統(tǒng)設計的需求，本設計選用Altera公司的EPF10K20TC144-4芯片。Altera的FPGA芯片具有高性能、高集成度、可在線配置、價格合理和開發(fā)周期短的優(yōu)點［2］，比較適合在裝備進行狀態(tài)監(jiān)測時的復雜環(huán)境中使用。

對該自行高炮火控系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)測，要求把采集到的數(shù)據(jù)能夠及時傳輸給下一步的數(shù)據(jù)分析處理單元，這就要求該數(shù)字信號并行采集系統(tǒng)可以實時地對采集到的裝備信號進行簡單地數(shù)據(jù)處理，提取出能夠反映裝備性能指標的信息，進而指導下一步對裝備進行的故障診斷。所以，本設計選擇了一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器AT89S520。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè)80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得AT89S52在眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)中得到廣泛應用。在本設計中，單片機的16位地址線與雙口RAM的一端連接，8位數(shù)據(jù)線連接到一個54HC573鎖存器，在讀入雙口RAM中的數(shù)據(jù)時，16位的數(shù)據(jù)通過兩個鎖存器分成高8位和低8位先后進入單片機進行處理［3］。

該自行高炮火控系統(tǒng)并行數(shù)字信號的脈寬一般在10 us左右，根據(jù)采樣定理，最低的采樣頻率是200 KHz，但是根據(jù)裝備狀態(tài)監(jiān)測的需求和排除干擾信號的需要，采樣頻率選擇在1MHz，即1ms采入1 000個字節(jié)的數(shù)據(jù)，裝備狀態(tài)監(jiān)測的時序以某自行高炮火控系統(tǒng)為基準，火控系統(tǒng)中基本上是20ms的周期信號，一次采入的數(shù)據(jù)量為20 k，但是在一個周期內(nèi)，每一個信號形式不盡相同，同一種信號的特征參數(shù)也有所差別，這是因為整體上火控系統(tǒng)的時序是固定的，但是每一種接口信號的傳輸大多采用硬件握手控制的方式，因此，具體的信號形式就與硬件運行環(huán)境有比較大的關(guān)系。由單片機AT89S52的標準功能可知，單片機的片內(nèi)RAM首先在容量上就不能滿足某自行高炮火控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的需要，需要對其進行片外擴展，其次，片外擴展的RAM要便于單片機和FPGA對其進行控制和數(shù)據(jù)的讀寫［4］。因為裝備狀態(tài)監(jiān)測所需要的數(shù)據(jù)信號和ACK與QD信號各是8位，若采用單端口RAM，F(xiàn)PGA和單片機都要對其進行控制，地址線和數(shù)據(jù)線的分配就會比較復雜，容易出現(xiàn)沖突，給編程實現(xiàn)帶來困難。綜上所述，本設計選擇Cypress公司的CY7C09289雙端口RAM可以滿足裝備狀態(tài)監(jiān)測的需要。CY7C09289的容量為64 k，雙端口存儲器具有2組獨立的數(shù)據(jù)、地址和控制端口，擁有可以同時訪問的雙端口儲存單元，2個端口可以同時讀寫存儲器中的任意單元［5-6］。雙端口RAM相當于兩片單端口RAM的并聯(lián)，在通訊過程當中，雙端口RAM起到了儲存數(shù)據(jù)和連接FPGA與單片機的作用。

3 系統(tǒng)工作流程

通過對某自行高炮火控系統(tǒng)中所有電纜芯線的信號分析，以及對于裝備通用性的考慮，確定設計的數(shù)字信號并行采集系統(tǒng)一次同時采入的數(shù)據(jù)量為40路，即某型自行高炮火控系統(tǒng)4個點的數(shù)據(jù)和ACK與QD信號。從裝備的信號進入該數(shù)字信號并行采集系統(tǒng)開始，數(shù)據(jù)讀寫、存儲以及處理的流程如圖2。

圖2 數(shù)字信號并行采集系統(tǒng)工作流程圖

該自行高炮火控系統(tǒng)的數(shù)字信號進入本設計系統(tǒng)后，先通過FPGA和有源晶振的作用分頻產(chǎn)生16位地址信號。FPGA通過對雙端口RAM的控制，連接雙口RAM一端的16位地址線和數(shù)據(jù)線，然后使CE0L和RWL信號低電平有效，CE1L高電平有效，這樣就把進來的數(shù)據(jù)存到了雙口RAM一端的存儲單元里。接下來就是讓單片機從雙口RAM的另一端讀出采集到的數(shù)據(jù)并做簡單地數(shù)據(jù)處理，提取出下一步進行故障診斷時能反映裝備性能指標的信息。因為本設計選用的單片機AT89S52的數(shù)據(jù)位只有8位，所以16位的數(shù)據(jù)在進入單片機之前，先要通過鎖存器進行鎖存處理，這里選擇比較適合在裝備上應用的54HC573鎖存器。鎖存器的鎖存允許信號OE由FPGA進行控制，使兩片鎖存器依次進入低電平有效的狀態(tài)，同時使雙端口RAM連接單片機一端的UBR和LBR信號依次進入低電平有效狀態(tài)，即控制雙端口RAM將16位數(shù)據(jù)分成高8位和低8位依次輸出，并送入單片機。因為裝備的狀態(tài)監(jiān)測對于數(shù)據(jù)采集的實時性要求比較高，然而單片機通過RS232串行通信接口傳輸數(shù)據(jù)的速率比較慢，數(shù)據(jù)不能及時傳輸?shù)较乱徊降奶幚韱卧?，造成整個數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不能正常運行，不能滿足裝備狀態(tài)監(jiān)測的需要。因此，可以把采集到的數(shù)據(jù)先在單片機中進行簡單地處理與分析。

4 結(jié)束語

如何針對其具體特點來設計功能全面而又滿足精確性等要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是對其進行狀態(tài)監(jiān)測的基礎性問題。而對火控系統(tǒng)信號特征的分析又成為基礎中的基礎。本文對火控系統(tǒng)內(nèi)部各單體之間的接口關(guān)系和主要信號進行了分類，確定了所需監(jiān)測的信號數(shù)量與類型。設計了一種基于FPGA和單片機的數(shù)字信號并行采集系統(tǒng)，并進行了具體的電路實現(xiàn)，該系統(tǒng)能夠滿足某自行高炮火控系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的需要，而且具有一定的通用性。

［1］楊坤德，趙亞梅，馬遠良.高速大容量多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計［J］.數(shù)據(jù)采集與處理，2002，17（4）：455-458.

［2］邵德軍，尹項根，李彥武，等.電力設備在線監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中大容量數(shù)據(jù)存儲的實現(xiàn)［J］.繼電器，2004，32（12）：68-70.

［3］張鵬超.基于雙口RAM的DSP與PC104高速通信接口設計［J］.微計算機信息，2006，22（20）：47-49.

［4］鄒向陽，李鋒，劉戎.基于雙口RAM的雙CPU之間的實時雙向通信［J］.微計算機信息，2008，24（32）：99-100.

［5］李廣偉，許新芳，徐軍劍.某牽引高炮火控系統(tǒng)跟蹤器常見故障分析與解決［J］.四川兵工學報，2011（6）：49-51.

［6］王雪.基于雙口RAM的雙CPU并行通信的研究與實現(xiàn)［J］.微計算機信息，2007，23（14）：30-31.

Design of a ParallelDigital SignalAcquisition Program for Antiaircraft Fire ControlSystem

CHEN Jing-tong，SUNShi-yu，DUANXiu-sheng
（Ordnance Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

According to the need of condition monitoring for antiaircraft fire control system，the signal characteristics of antiaircraft fire control system is analyzed，and the digital signals to be collected for conditionmonitoring is determined.A parallel data acquisition program for digital signal of the fire control systems，and the specific implementation in terms of hardware is carried out.This design has a versatility of the equipment data collection，providing the necessary preconditions for further processing and analysis of data.

conditionmonitoring，fire controlsystem，parallelacquisition

TP316

A

1002-0640（2015）11-0091-03

2014-09-18

2014-11-05

陳鏡同（1989- ），男，遼寧營口人，碩士研究生。研究方向：火控、指控和制導系統(tǒng)理論與應用。