一種靶場新型遙測發射機的研制

引言

遙測系統是導彈、衛星、無人機等飛行器在試驗和運行過程中不可缺少的重要支持系統，提供飛行器的工作狀態參數、環境參數和其他載荷的測量數據，可為檢驗飛行器的性能及故障分析提供依據。遙測設備分為遙測發射機和接收機兩部分，現有設備一般通過采用可修改的EEPROM來改變遙測信號源和幀結構，本文提出采用通用計算機可視化修改，參數存儲于系統內部的微控制器(MCU)中，使設備更具標準化和通用性；同時，采用現場可編程門陣列(FPGA)集成實現數據緩存、組幀、脈沖編碼調制(PCM)、數據速率連續可變和FM調制，使系統效率更高、更可靠。

遙測發射機組成

遙測發射機物理結構如圖1所示，由3個獨立的腔體構成，腔體之間用長螺絲連接固定。腔體內部橫截面用隔板隔開，以隔板為基座正反面安裝模塊。本發射機由基帶、電源、變頻、功放濾波4個模塊組成，各模塊主要功能如下：

·基帶模塊：接收數據流，參數設置存儲，PCM編碼組幀，碼型變換，可變碼速率時鐘，FM調制，D／A變換，中頻濾波。

·電源：提供電源輸入極性保護，從+28V變換為+12V、+3，3V。

·變頻：信號依次通過中頻、射頻上變頻。

·功放濾波：信號功率放大、濾波后通過天線發射。

接口共6個，包括2個外部接口、4個內部板間接口，用Jnn編號(J代表接口，n為各模塊序號，nn表示連接的模塊：增加序號O表示外部系統)。2+LED指示燈中紅色LED用于電源指示，綠色LED用于工作指示。

各接口主要功能說明如下：

TOl：集成了外部系統給本系統的供電、數據和設置接口。位于正面。對內拆分為電源接口(J01—power)連接電源模塊，數據接口(J01data)、設置接口(J01_set)連接基帶模塊。

T04：本系統射頻信號傳輸至天線的接口。

J12：基帶模塊與電源模塊之間的接口。電源模塊提供給基帶模塊3，3V電源：基帶模塊通過電源模塊統一給變頻模塊的串口控制接口。

J13：基帶模塊與變頻模塊之間的接口。基帶板輸出的中頻信號。

J234：電源模塊、變頻模塊、功放濾波模塊之間的電源和數據綜合接口。電源模塊提供+12V、+5V輸出，以及集成的基帶模塊給變頻模塊的串口控制接口。

J34：變頻模塊與功放濾波模塊之間的接口。變頻模塊輸出射頻信號給功放濾波模塊，然后通過天線發射。

硬件設計

基帶模塊按功能分為10個功能單元，如圖2所示，方框為功能單元，鋸齒框為接口。MCU~FPGA為核心器件，其他為與之配套的外圍器件。

MCU

MCu功能單元是系統的控制、參數設置存儲、數據復接單元。與計算機連接，對系統參數設置、存儲，采集系統狀態供計算機查詢：與數據接口連接，接收GPS(全球定位系統)陀螺數據，根據設置復接數據，然后通過高速I／0口并行傳輸給FPGA單元進行后續處理。

本設計選用Atmel公司的新一代芯片ATxmega32A4，為片內資源豐富的單芯片解決方案。其16位實時時鐘及其鎖相環可提供2kHz～32MHz的校準時鐘，保證了系統高效和穩定；4通道DMA、5個UART、2+1C、2+s PI提供了系統豐富的內外部接口；32kB+4kB的Flash(閃存)、lkB的EEPROM、4kB的SRAM保證了程序的運行空間和參數存儲。AES／DES加密、8通道事件系統、I／O管腳均可產生中斷、可編程看門狗保證了系統效率和可靠性。

RS232，422電平轉換

RS232功能單元是與計算機的設置接口，把通用計算機的232電平串口轉換為TTL電平的UART信號、RS422功能單元接收外部的GPS陀螺儀等遙測設備數據，然后連接MCU功能單元。采用422電平，傳輸距離更遠，可靠性更高。

由于需要小型化和低功耗，因此232接口芯片選擇Maxim公司的MAX3245EEAI+，外部只需要4個0.1uF電容即可工作。并且5個接收端口提供自動關斷脈沖控制和在低功耗模式下喚醒工作。Maxim公司的MAX3098EBEEE芯片f兼容RS422／485電平)提供3路高速差分輸入，可對輸入信號做開路、短路、無信號、信號超范圍檢測并給出警報信號，且3路警報信號可邏輯或輸出和設置延遲。以上優點有助于高效可靠和智能地完成上位機控制、GPS陀螺儀的數據接收和監測。

高穩溫補晶振

由于遙測發射機一般工作在飛行器上，受環境溫度影響較大，整個系統的時鐘源必須在不同溫度下保持恒定。同時，優異的頻率準確度和穩定度有利于遙測接收機同步接收。因此，系統必須選擇在寬溫度范圍下帶溫度補償、高準確度、高穩定度的晶振。而Maxim公司的DS4026S+PCN-在40—+8s℃范圍內提供±lppm穩定度的時鐘，20年內最大±4.6ppm偏差。并且通過12C總線數字控制至少±8ppm的基準頻率校正。另外，提供的對稱上升下降時間的CMOS方波輸出可以減少整形芯片的需求。特別地，通過此芯片內建的分辨率為0.0625℃的溫度傳感器，可提供實時的溫度監控。

FPGA及其配置

FPGA功能單元是系統的核心處理單元。通過高速并行I／O口從MCU獲取數據，按計算機設置的參數進行組幀、碼型變換、產生連續可變的碼速率、FM調制。芯片選擇AItera公司的EP2C5，包含的2個鎖相環、8個全局時鐘足夠系統時鐘應用，4J608個邏輯單元、1 19808bits(位)的RAM、13個18×18硬件乘法器，滿足程序存儲和運算空間。與FPGA配套的程序存儲器ROM，采用JTAG的菊花鏈與FPGA連接，上電時程序從ROM裝入FPGA中。芯片選擇EPCS4S18N，容量為4Mbits。

特別地，在將來設備功能需要增強時，僅需更改4個管腳即可升級到同封裝的更高性能的EP2C8，使性能提高約50％。

電源

電源模塊提供+3.3V電源，基帶模塊再把+3.3V轉換為給FPGA的核心供電的+1.2V。芯片選擇EZ1117.ADT。其輸入范圍為+2，65V到+7，0V，輸出設置為+1.2V。

D／A、放大及其濾波

D／A功能單元對PPGA輸出的FM調制信號進行數模轉換，然后放大，經中頻帶通濾波輸出給射頻發射。D／A芯片選擇ADI公司的AD9744ARU，提供14位分辨率，差分輸出，速率達210MSPs。放大器芯片選擇ADI公司的AD8132AR，提供一3dB帶寬350MHz、1200V／us轉換速率，并可通過電阻值比改變增益。采用RLC網絡設計帶通濾波。

軟件設計

系統軟件主要包括運行在通用計算機上的設置和查詢上位機程序、MCU程序、FPGA程序。功能框圖如圖3所示。

圖3中，無色方框部分為硬件單元，在硬件設計中完成。

參數設置，查詢軟件

作為人機界面，上位機設置查詢軟件運行于通用計算機上，由VC++語言編寫。通過串口與MCU軟件通信，完成系統參數設置和查詢。軟件主要包括設置接口、數據接口協議設置，射頻頻點參數設置，數據率、遙測數據幀格式、碼型、FM調制等信源信道參數設置。軟件界面如圖4所示。

“連接發射機”按鈕：點擊此按鈕，上位機軟件將嘗試通過不同的串口速率與MCu軟件通信，速率匹配后，MCU按新接收的串口參數重新設置，實現FM發射機設置接口本身自適應、可設置。

“參數設置”按鈕：把選擇的參數下載到MCU中。當接收到MCU的反饋信息時，提示參數設置成功。

“參數查詢”按鈕：查詢保存于MCU的系統參數，可以此為基礎進行修改，或者查詢當前設置是否與需求一致。

MCU軟件

MCu軟件為系統的管理核心，控制和監測各部分工作。MCu軟件與上位機通信，完成參數的更新和狀態的可視化顯示；與GPS、陀螺儀等外設連接，復接處理遙測數據：與FPGA連接，把數據傳輸給FPGA進行遙測組幀、碼型變換、FM調制。同時，MCu軟件還承擔系統的可靠性控制和故障恢復。軟件流程圖如圖S所示。

FPGA軟件

FPGA軟件為系統的數據處理核心，完成數據的緩沖及其管理，通過接收的參數靈活設置遙測組幀、PCM編碼、FM調制，以及通過數控振蕩器(NCO)產生連續可變的數據率時鐘。FPGA=，力能框圖如圖6所示。

參數接收子模塊一次性接收所有參數，并按組輸出給后端子模塊。在參數接收開始和結束時，把FPGA的接收狀態反饋給MCU。

數據接收子模塊接收到GPS、陀螺儀等設備的數據后，經幀校驗、緩沖，然后以幀為單位連續發送給后續遙測組幀子模塊。

組幀子模塊根據參數模塊的遙測幀格式參數，把數據子模塊的數據組幀，然后連續發送給后續PCM編碼子模塊。

PCM子模塊根據編碼波形格式選取匹配時鐘，從組幀子模塊讀取數據，經編碼波形變換后，以系統要求的數據速率輸出給后續FM調制子模塊發射。

FM子模塊用20MHz載波，把PCM子模塊輸出的碼片流以最佳調制度，調制輸出給后續D／A子模塊。

時鐘子模塊產生系統需要的各種時鐘，包含由FPGA內建的PLL輸出的時鐘，由NCO產生的碼速率時鐘。整機性能測試

根據以上設計，研制了一套遙測發射機樣機。經過詳細調試后，對樣機整機性能進行全面測試。測試連接框圖如圖7所示。

為反映整個設計頻段的性能，測試時，設置發射頻率為2200，5MHz、2225.5 MHz、2250.SMHz、2275.5MHz、2300.5MHz共5個頻點。測試相關技戰術指標如表1所示。

由表1可見，在全頻段2200.5MHz～2300.5MHz內，整機的各項指標均符合遙測發射機的技戰術指標。結語

在本文中設計了一種新型的智能化一體化遙測發射機。通過運行在通用計算機上的人機界面，可對遙測發射機的所有參數進行設置、查詢和系統監控，具有最大限度的智能和靈活性。硬件以小型化低功耗為指導，在滿足系統性能基礎上留出一定的性能擴展余量，注重可靠性和可維護性。軟件設計采用軟件無線電體制，只用一片FPGA集成實現了數據接收組幀、PCM編碼、數據速率連續可變、FM調制的所有功能。