基于近場(chǎng)通信技術(shù)的引信感應(yīng)裝定方法

吳向臣，吳茂林，劉　玉

(1.海軍蚌埠士官學(xué)校， 安徽 蚌埠 233012;2.海軍工程大學(xué)兵器系，湖北 武漢 430033;3.92337部隊(duì)裝備部，遼寧 大連 116023)

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基于近場(chǎng)通信技術(shù)的引信感應(yīng)裝定方法

吳向臣1，吳茂林2，劉玉3

(1.海軍蚌埠士官學(xué)校， 安徽 蚌埠 233012;2.海軍工程大學(xué)兵器系，湖北 武漢 430033;3.92337部隊(duì)裝備部，遼寧 大連 116023)

摘要:針對(duì)現(xiàn)有裝定方式中存在的裝定結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣等問(wèn)題，提出了基于近場(chǎng)通信技術(shù)的引信感應(yīng)裝定方法，該方法不僅可以有效地實(shí)現(xiàn)裝定系統(tǒng)與引信間的數(shù)據(jù)交互，而且模塊化的設(shè)計(jì)使得裝定設(shè)備的設(shè)計(jì)和修理周期大大減少。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明近場(chǎng)通信技術(shù)適用于引信的感應(yīng)裝定，但是要在實(shí)際裝備中使用還需在硬件可靠性上進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞:引信；近場(chǎng)通信技術(shù)；可行性分析；感應(yīng)裝定

0引言

目前引信自動(dòng)裝定系統(tǒng)大多采用的是接觸式裝定，而接觸式裝定存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、接觸不良等問(wèn)題大大影響了引信的快速裝定需求。考慮到以上問(wèn)題，各國(guó)都紛紛開(kāi)始探索和研究通過(guò)非接觸的手段對(duì)引信進(jìn)行裝定的技術(shù)，其中比較成熟的有電磁感應(yīng)裝定和射頻裝定。但是在實(shí)際使用和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)這些非接觸裝定方式也存在著諸多問(wèn)題，一是裝備的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程較為復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期較長(zhǎng)，而且往往不能保證可用性，二是使用維護(hù)成本較高。本文針對(duì)以上問(wèn)題，提出了基于近場(chǎng)通信技術(shù)的引信感應(yīng)裝定方法。

1近場(chǎng)通信技術(shù)原理

近場(chǎng)通信技術(shù)(NFC)雙向通信模式如圖1所示。在此模式下NFC終端雙方都主動(dòng)發(fā)出射頻場(chǎng)來(lái)建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。相當(dāng)于兩個(gè)NFC設(shè)備都處于主動(dòng)模式。

支持NFC的設(shè)備可以在主動(dòng)或者被動(dòng)模式下交換數(shù)據(jù)和信息。在被動(dòng)模式下，啟動(dòng)NFC通信的設(shè)備，也稱(chēng)為NFC發(fā)起設(shè)備(主設(shè)備)，在整個(gè)通信過(guò)程中提供射頻場(chǎng)。它可以選擇106 Kbps、212 Kbps或者424 Kbps其中一種傳輸速度，將數(shù)據(jù)發(fā)送到另一臺(tái)設(shè)備。另一臺(tái)設(shè)備稱(chēng)為NFC目標(biāo)設(shè)備(從設(shè)備)，不必產(chǎn)生射頻場(chǎng)，而是用負(fù)載調(diào)制技術(shù)，即可以以相同的速度將數(shù)據(jù)傳回發(fā)起設(shè)備[1-2]。

圖1　雙向通信模式Fig.1　Twoway messaging

2NFC裝定實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.1基于NFC裝定的優(yōu)勢(shì)

目前國(guó)內(nèi)關(guān)于引信的非接觸裝定系統(tǒng)的理論研究有很多，而基于近場(chǎng)通信手段進(jìn)行引信裝定的研究卻比較少見(jiàn)。目前主要的研究包括電磁感應(yīng)式裝定、射頻感應(yīng)裝定、紅外感應(yīng)裝定等裝定方式。

相比于基于NFC技術(shù)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，從底層原理出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于軟硬件設(shè)計(jì)不受任何外部因素限制，但缺點(diǎn)是從底層開(kāi)始的設(shè)計(jì)方案適合新裝備的研發(fā)，不適合老舊裝備的改造，同時(shí)從基礎(chǔ)出發(fā)的設(shè)計(jì)方式費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且設(shè)計(jì)難度較高。而NFC技術(shù)是比較成熟的無(wú)線(xiàn)通信手段，而且它的設(shè)計(jì)周期短設(shè)計(jì)難度低，適用于所有帶有UART、I2C和SPI通信接口的設(shè)備。因此利用NFC技術(shù)進(jìn)行裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)可以簡(jiǎn)化設(shè)定流程，降低設(shè)備研制成本。但是要將NFC技術(shù)應(yīng)用于引信感應(yīng)裝定還有很多問(wèn)題需要解決，因此本文主要研究近場(chǎng)通信(NFC)技術(shù)在引信感應(yīng)裝定領(lǐng)域應(yīng)用的可行性問(wèn)題。

2.2實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)

引信裝定的核心就是用特定的方式將裝定器一端的設(shè)定參數(shù)傳遞到引信端，并在引信端進(jìn)行讀取和存儲(chǔ)。而NFC技術(shù)本身就是一種近距離通信技術(shù)[3]，具有交互數(shù)據(jù)信息的能力。完成一次通信的基本流程為NFC電路接收到來(lái)自串口的數(shù)據(jù)后通過(guò)信號(hào)調(diào)制，將得到的模擬信息通過(guò)線(xiàn)圈產(chǎn)生射頻場(chǎng)，接收端通過(guò)電磁感應(yīng)接收來(lái)自裝定端的信息，并對(duì)信息進(jìn)行解調(diào)，將解調(diào)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在引信電路中等待計(jì)時(shí)電路讀取。接收端接收信號(hào)后通過(guò)負(fù)載調(diào)制技術(shù)將數(shù)據(jù)反饋給裝定系統(tǒng)表明裝定完成。NFC裝定系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)[1,4]如圖2所示。

圖2　裝定系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)Fig.2　Design structure of loading system

2.3實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件

NFC通信的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于這種通信手段支持UART、I2C等多種數(shù)據(jù)通信協(xié)議，因此裝定平臺(tái)硬件具有較強(qiáng)的通用性。目前的計(jì)算機(jī)和嵌入式系統(tǒng)硬件都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串口通信的支持，可以通過(guò)以上硬件將裝定界面的數(shù)據(jù)參數(shù)通過(guò)串口傳遞給NFC電路，并通過(guò)NFC天線(xiàn)將數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)發(fā)送出去。因此實(shí)際設(shè)計(jì)NFC裝定系統(tǒng)時(shí)不需要對(duì)裝定器進(jìn)行復(fù)雜的設(shè)計(jì)。使用相對(duì)成熟的硬件平臺(tái)簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)難度同時(shí)也增強(qiáng)了增強(qiáng)硬件可靠性。

設(shè)計(jì)過(guò)程采用模塊化方式。硬件部分除了用于數(shù)據(jù)輸入的終端外還需要一塊用于傳遞NFC數(shù)據(jù)的發(fā)送模塊。終端和數(shù)據(jù)發(fā)送模塊連接如圖3所示。

2.4實(shí)驗(yàn)平臺(tái)軟件

由于數(shù)據(jù)通過(guò)串口通信方式傳遞，因此軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中可以借鑒很多現(xiàn)用的串口通信程序成為了NFC裝定系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)。由于電磁和射頻感應(yīng)裝定系統(tǒng)硬件不能直接識(shí)別十進(jìn)制數(shù)據(jù)，因此程序設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮數(shù)據(jù)分解和進(jìn)制轉(zhuǎn)換，因此軟件設(shè)計(jì)和界面設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。同時(shí)NFC裝定系統(tǒng)軟件的界面風(fēng)格十分簡(jiǎn)潔主要包括功能選擇窗口、信息顯示窗口、數(shù)據(jù)輸入窗口和裝定按鈕。

3NFC裝定平臺(tái)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1基于NFC的引信裝定實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)以計(jì)算機(jī)終端模擬真實(shí)引信控制臺(tái)，通過(guò)編譯好的裝定軟件向NFC通信模塊發(fā)送裝定參數(shù)，另一端由NFC接收模塊在接收到參數(shù)后傳遞給信息儲(chǔ)存電路，對(duì)該參數(shù)進(jìn)行存儲(chǔ)。對(duì)裝定完參數(shù)的引信進(jìn)行解鎖處理，打開(kāi)引信定時(shí)器開(kāi)關(guān)，使引信從存儲(chǔ)單元中讀取參數(shù)并開(kāi)始計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)完成后引信會(huì)引燃，通過(guò)判斷引信是否引燃以及引信作用的時(shí)間和設(shè)定參數(shù)的對(duì)比判斷引信設(shè)定是否成功。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示

圖4　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)Fig.4　Design of exeperimental platform

考慮到引信設(shè)定實(shí)驗(yàn)可能存在的危險(xiǎn)，所以實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)先將引信信息儲(chǔ)存電路及存儲(chǔ)芯片脫離引信體獨(dú)立進(jìn)行數(shù)據(jù)裝定。確認(rèn)裝定完成后，再將儲(chǔ)存數(shù)據(jù)的芯片接入引信體中。由于此時(shí)引信的鎖定機(jī)構(gòu)并未解鎖，因此引信是安全的。

3.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程

雖然在實(shí)驗(yàn)之前去除了引信的傳爆藥等爆炸物，但是引信體內(nèi)存在接力藥，可以通過(guò)接力藥是否燃燒判斷引信是否作用。設(shè)定完成的引信通過(guò)旋轉(zhuǎn)加速機(jī)進(jìn)行解鎖，隨后通過(guò)加速碰撞設(shè)備模擬引信撞擊地面或者水面的過(guò)載，打開(kāi)沖擊開(kāi)關(guān)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。計(jì)時(shí)完成后觀察引信內(nèi)裝藥是否被成功引燃，判斷裝定數(shù)據(jù)是否成功。

3.3結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，由圖中可以看出，引信底部有灼燒產(chǎn)生的黑色積碳，這一現(xiàn)象表明引信內(nèi)裝藥被成功引燃，引信正常動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)表明通過(guò)NFC技術(shù)給引信儲(chǔ)存芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)裝定后的時(shí)間引信仍然可以成功完成定時(shí)引爆的功能。

雖然本文實(shí)驗(yàn)只驗(yàn)證了時(shí)間參數(shù)傳遞的可行性，并沒(méi)有對(duì)諸如壓力、震動(dòng)等參數(shù)的裝定進(jìn)行試驗(yàn)。但是NFC技術(shù)傳遞數(shù)據(jù)的原理表明，NFC通信與所傳遞的參數(shù)類(lèi)型沒(méi)有關(guān)系，只要該參數(shù)為數(shù)字量即可通過(guò)NFC模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞進(jìn)而達(dá)到引信裝定的目的。

圖5　實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.5　Experiment result

4結(jié)論

本文提出了基于近場(chǎng)通信技術(shù)的引信感應(yīng)裝定方法。該方法在感應(yīng)裝定領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚屬空白，不僅為近場(chǎng)通信技術(shù)開(kāi)拓了新的應(yīng)用領(lǐng)域，而且為引信的感應(yīng)裝定提供了一個(gè)新的方向。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明近場(chǎng)通信技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳遞可靠性高、可實(shí)現(xiàn)參數(shù)反饋等優(yōu)點(diǎn)，而使用該技術(shù)設(shè)計(jì)感應(yīng)裝定系統(tǒng)時(shí)，具有裝定平臺(tái)硬件通用性強(qiáng)，裝定軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單以及可實(shí)現(xiàn)裝定系統(tǒng)模塊化等優(yōu)勢(shì)。

但是實(shí)驗(yàn)過(guò)程也表明目前的NFC芯片和相關(guān)元件在抗過(guò)載能力、抗腐蝕能力和抗沖擊能力等技術(shù)指標(biāo)上仍然達(dá)不到軍事運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)。因此要使得近場(chǎng)通信技術(shù)得到實(shí)際軍事應(yīng)用，還需在芯片和元器件的可靠性、抗過(guò)載等方面進(jìn)行深入研究。

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*收稿日期:2016-02-01

作者簡(jiǎn)介:吳向臣(1990—),男，江蘇丹陽(yáng)人，碩士研究生，研究方向：兵器科學(xué)與技術(shù)。E-mail:1090200318@qq.com。

中圖分類(lèi)號(hào):TP206.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào)：1008-1194(2016)03-0029-03

Research on NFC Technology Application in Fuze Induction Setting

WU Xiangchen1, WU Maolin2, LIU Yu3

(1. Bengbu Navy Petty Officer Academy，Bengbu 233012，China2. Naval Univ. of Engineering, Dept. of Weaponry Engineering, Wuhan 430033, China 3. Unit 92337 of PLA, Dalian 116023, China)

Abstract:In view of the existing way of setting the complicated structure and design of such complicated problems, come up with the fuze setting method based on near field communication technology. The method could not only realize data interaction between system and fuze, and the design of the modular design makes setting equipment and repair cycle was greatly reduced. Experimental evidence near field communication technology was suitable for the fuze induction setting, but in the actual equipment used on the hardware reliability study is needed.

Key words:fuze; near field communication technology; feasibility; non-contact setting