基于C8051F040單片機的光電觀瞄控制系統(tǒng)的設(shè)計

趙艷麗,呂瑞云

（河南中光學(xué)集團(tuán),473000）

基于C8051F040單片機的光電觀瞄控制系統(tǒng)的設(shè)計

趙艷麗,呂瑞云

（河南中光學(xué)集團(tuán),473000）

本文介紹了輕型武器作戰(zhàn)平臺上的光電觀瞄控制系統(tǒng)的硬件及軟件的設(shè)計方法，該系統(tǒng)以C8051F040單片機為核心，該芯片集成了控制系統(tǒng)所需的多種數(shù)字和模擬外設(shè), 還具備多種總線接口,為光電觀瞄控制系統(tǒng)提供了很好的平臺?？刂葡到y(tǒng)外部采用CAN總線與操控系統(tǒng)及平臺上其它子系統(tǒng)通訊，通過控制電路來實現(xiàn)對可見光鏡頭、非制冷紅外熱像儀等的遠(yuǎn)程控制，并向系統(tǒng)提供光電觀瞄系統(tǒng)探測到的目標(biāo)圖像和目標(biāo)信息。

單片機；控制系統(tǒng)；CAN總線；遠(yuǎn)程控制

0 引言

光電觀瞄系統(tǒng)，做為作戰(zhàn)平臺用來獲取信息的“眼睛”其重要性則是毋庸置疑的。光電觀瞄系統(tǒng)因為工作于光頻，激光測距距離和角分辨率高，瞄準(zhǔn)精度高，可大大提高作戰(zhàn)平臺武器的命中率，CCD電視攝像機和非制冷紅外熱像儀是無源系統(tǒng)而不容易被探測，生存能力強，而且可以對目標(biāo)成像，此外光頻不易受電子干擾的影響，隱身目標(biāo)對光頻也是薄弱環(huán)節(jié)。

光電觀瞄控制系統(tǒng)主要完成戰(zhàn)場晝夜監(jiān)視、戰(zhàn)場視頻輸出等任務(wù)。把直接觀察、瞄準(zhǔn)轉(zhuǎn)換為間接觀察、瞄準(zhǔn)，有效地保證了操控人員的安全，提高武器系統(tǒng)的信息采集、應(yīng)用等能力，增強武器系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)速度和射擊精度,使武器站具備晝夜的作戰(zhàn)能力，最大限度的發(fā)揮了武器系統(tǒng)的效能，滿足武器系統(tǒng)在未來戰(zhàn)爭中的無人化需求及在中低強度作戰(zhàn)、城市作戰(zhàn)等戰(zhàn)爭中的作戰(zhàn)需求。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

光電觀瞄控制系統(tǒng)外部通過CAN總線實現(xiàn)與操控系統(tǒng)及平臺上其它子系統(tǒng)通訊，一方面接收來自操作手的控制指令，實現(xiàn)對可見光鏡頭、非制冷紅外熱像儀、激光測距機等的遠(yuǎn)程控制，完成瞄準(zhǔn)、測距、搜索等任務(wù)。

1.1 中心處理器

光電觀瞄控制系統(tǒng)的核心是中心處理器，采用C8051F040單片機，這款單片機是該系列單片機中功能最全、也是最具代表性的一款。它不僅具備控制系統(tǒng)所需的數(shù)字和模擬外設(shè)，包括ADC、DAC、看門狗定時器、電壓比較器、定時器、PWM、定時器捕捉和方波輸出等，該單片機的優(yōu)點為小體積、低功耗、高性能、高可靠性，大大的降低了設(shè)計成本。

1.2 通訊模塊

通訊模塊是實現(xiàn)操控系統(tǒng)及平臺上其它子系統(tǒng)與觀瞄系統(tǒng)內(nèi)部信息交換的橋梁，控制系統(tǒng)外部通過CAN2.0A協(xié)議與與操控系統(tǒng)及平臺上其它子系統(tǒng)進(jìn)行通信，CAN是一種多主方式的串行通信總線，具有非常高的位速率和抗電磁干擾能力，而且能夠檢測出通信過程中產(chǎn)生的所有錯誤。由于C8051F040集成了CAN2.0B協(xié)議控制器，在使用時只需外加一個CAN總線收發(fā)器就可以接入CAN總線網(wǎng)絡(luò)，CAN總線收發(fā)器采用TI公司的SN65HVD230高速收發(fā)器，工作電壓為3.3V，信號傳輸速率最高可達(dá)1Mb/s，具有抗瞬間干擾、保護(hù)總線的功能，還具有抗寬范圍的共模干擾、電磁干擾能力。

內(nèi)部主要是通過串口通訊對紅外熱像儀進(jìn)行變焦、聚焦、極性切換、圖像校正等操作，對激光測距機進(jìn)行測距，獲取目標(biāo)距離等操作。為了提高串口通訊在各種惡劣電磁環(huán)境下的可靠性，在RS232接口芯片的收發(fā)信號線上串接電阻，并在電阻后端增加雙向瞬態(tài)抑制二極管來實現(xiàn)對RS232串口的保護(hù)。

1.3 視頻處理模塊

視頻處理模塊主要實現(xiàn)對光電觀瞄系統(tǒng)輸出的視頻信息進(jìn)行處理。由視頻切換電路和視頻疊加電路等組成。

1.3.1 視頻切換電路

視頻切換電路由模擬CMOS開關(guān)、運算放大器等組成。由于CVBS信號帶寬低于6.5MHz，帶寬有限且輸入阻抗低，基本上大部分的模擬CMOS開關(guān)均可勝任此任務(wù)，相對于繼電器等觸點開關(guān)切換視頻具有快速，切換圖像無抖動等優(yōu)點。

1.3.2 視頻疊加電路

視頻疊加電路主要由LM1881行場分離器，MB90092專用字符疊加芯片和外部字符存儲器AT89C256等組成。其中LM1881實現(xiàn)行信號和場信號的分離，該電路的集成度高，只需很少的外圍電路就可提取出視頻信號中的復(fù)合同步信號。MB90092主要對輸入的模擬視頻信號進(jìn)行字符或圖形疊加并產(chǎn)生混合的視頻信號進(jìn)行輸出。AT89C256作為字庫模塊，用來存儲所需要疊加的字符。事先將所需字符燒錄到存儲器中，這樣的外掛的字符存儲器給設(shè)計帶來了極大的方便，觀瞄控制器可以根據(jù)需要隨時調(diào)用字庫中的字符。

1.4 電機控制模塊

電機控制模塊主要由馬達(dá)驅(qū)動芯片、可見光鏡頭變焦馬達(dá)、聚焦馬達(dá)、變焦電位器輸出、聚焦電位器輸出、A/D轉(zhuǎn)換電路等組成。當(dāng)接收到操控系統(tǒng)發(fā)出的變焦、聚焦等控制命令后，馬達(dá)驅(qū)動芯片控制相應(yīng)的馬達(dá)進(jìn)行響應(yīng)。

操作者也可以根據(jù)需要控制可見光鏡頭自動變到指定視場。當(dāng)接收到操控系統(tǒng)的光學(xué)視場預(yù)置數(shù)據(jù)命令后，將需要的視場數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成焦距值，通過該電路可以在光電觀瞄控制器啟動時變焦鏡頭自動達(dá)到觀察的最佳視場，極大的減輕了工作量。

1.5 電源控制模塊

由于作戰(zhàn)平臺上配備的武器系統(tǒng)包括各種機槍、自動榴彈發(fā)射器等，所以對光電觀瞄控制器的抗振動、耐沖擊性能要求非常高。因此電源控制電路采用具有遙控功能的電源模塊來控制可見光攝像機、紅外熱像儀等設(shè)備的電源開、關(guān)。該電源模塊采用北京博電的DC-DC電源轉(zhuǎn)換器，具有非常高的環(huán)境適應(yīng)性。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要分成三部分：C8051F040單片機與操控系統(tǒng)及平臺上其它子系統(tǒng)的CAN通信軟件；對可見光鏡頭、紅外熱像儀等設(shè)備進(jìn)行控制操作的軟件；視頻處理軟件。

CAN通訊主要完成的任務(wù)是將要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)傳送至CAN總線上，并接收本系統(tǒng)需要的數(shù)據(jù)，因此，CAN通信軟件主要包括初始化程序、發(fā)送程序和接收程序等。本系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計，具有很好的模塊性和可移植性。

圖1 焦距值與A/D轉(zhuǎn)換值對應(yīng)曲線圖

C8051F040單片機通過UART0和UART1來實現(xiàn)對激光測距機和紅外熱像儀的控制操作。本系統(tǒng)采用UART0工作在方式1，即標(biāo)準(zhǔn)的異步全雙工通信，使用定時器3工作在16位自動重裝載方式產(chǎn)生波特率。UART1也工作在方式1，使用定時器1工作在8位自動重裝載方式產(chǎn)生波特率。

系統(tǒng)采用中斷方式接收數(shù)據(jù)，當(dāng)中斷產(chǎn)生時，系統(tǒng)根據(jù)標(biāo)識符來判斷是否接收數(shù)據(jù)，若符合則接收并根據(jù)工作流程執(zhí)行相應(yīng)的操作。

視頻處理軟件主要對字符疊加芯片進(jìn)行控制，將操作員所需的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)換為要調(diào)用字符的地址碼以調(diào)用字庫RAM里的字符點陣，將其顯示在光電觀瞄系統(tǒng)輸出的視頻圖像上。

3 結(jié)論

光電觀瞄控制器可以廣泛地應(yīng)用于遙控武器站、機場防衛(wèi)系統(tǒng)、裝甲裝備系統(tǒng)中。實踐證明，本系統(tǒng)軟硬件設(shè)計簡單合理、成本低、功耗低、可靠性高，能夠滿足光電觀瞄系統(tǒng)要求，值得推廣使用。

童長飛.C8051F系列單片機開發(fā)與C語言編程.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005,1.

The design of the photoelectric control system based on C8051F040 MCU

Zhao Yanli,Lv Ruiyun
（Henan optical group,473000）

This paper introduces the concept of light weapons platforms eo at design method of hardware and software of the control system,the system C8051F040 singlechip as the core,the chip integrates the control system of digital and analog peripherals,also has a variety of bus interface,for the concept of photoelectric aiming control system provides a good platform.External use CAN bus control system and control system and other subsystem communications platform,through the control circuit to achieve the optical lens,uncooled infrared thermal imager,etc of the remote control,and to the concept of the system to provide the photoelectric aiming system to detect the target image and the target information.

singlechip；operating system；Controller Area Network；telecontrol