一種高可靠數(shù)據(jù)傳輸接收機(jī)的研制

慕福順

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

分布式武器系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)是按系統(tǒng)功能分割的原則把系統(tǒng)劃分為若干相對(duì)獨(dú)立的模塊，這些處于不同地理位置的功能單元通過(guò)通信設(shè)備和線路連接起來(lái)，相互協(xié)同形成一個(gè)整體，實(shí)現(xiàn)資源共享，并通過(guò)功能完善的數(shù)據(jù)融合與指揮控制軟件，合理地將目標(biāo)分配給各武器單元。分布式武器系統(tǒng)要完成探測(cè)發(fā)現(xiàn)進(jìn)而摧毀敵方目標(biāo)的任務(wù)，必須建立可靠的互聯(lián)互通。

分布式武器系統(tǒng)因數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸速率的限制，使被控設(shè)備在隨動(dòng)過(guò)程中容易出現(xiàn)抖動(dòng)，本數(shù)傳接收機(jī)采用插值補(bǔ)償技術(shù)，通過(guò)速度插值補(bǔ)償，在同樣的傳輸速率下很好解決了平穩(wěn)隨動(dòng)問(wèn)題。

2 數(shù)據(jù)傳輸接收機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成與主要特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

數(shù)據(jù)傳輸接收機(jī)主要由:CPU單元、通信控制電路、通信接口電路、火力系統(tǒng)狀態(tài)接口、數(shù)字插值電路、方位/射角同步機(jī)輸出電路、方位/射角前饋輸出電路、電源電路等幾部分組成(見(jiàn)圖1)。

CPU單元以87C51單片機(jī)為核心構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)通訊模式控制、模擬航路產(chǎn)生、武器系統(tǒng)狀態(tài)的檢測(cè)和控制命令的輸出等功能;通信控制與接口電路用于完成通信模式的選擇和控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的電氣隔離;狀態(tài)接口電路用于輸出武器系統(tǒng)射擊控制等開(kāi)關(guān)指令，并檢測(cè)武器系統(tǒng)的狀態(tài)反饋信號(hào)(武器系統(tǒng)工作狀態(tài)及故障情況);插值電路是根據(jù)目標(biāo)的運(yùn)行速度，對(duì)接收的武器系統(tǒng)位置進(jìn)行插值處理，以消除兩次輸出角度間的階躍，使輸出位置的步進(jìn)角不大于一個(gè)量化單位，以保證武器系統(tǒng)的平穩(wěn)跟蹤;同步機(jī)輸出電路的功能是將數(shù)字量的位置數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成火力系統(tǒng)受信儀要求的同步機(jī)信號(hào)。前饋速率電路的作用是將火控系統(tǒng)給定的武器系統(tǒng)方位、射角數(shù)字前饋量變換為對(duì)應(yīng)的模擬電壓輸出，作為武器系統(tǒng)跟蹤的速度前饋量送入武器系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng);電源電路產(chǎn)生系統(tǒng)工作所需的各種電壓。

圖1 數(shù)傳接收機(jī)組成框圖

2.2 主要特點(diǎn)

數(shù)據(jù)傳輸接收機(jī)的主要特點(diǎn)包括:

a.無(wú)抖動(dòng)的隨動(dòng)特性

合理的插值方法的采用，使數(shù)據(jù)通訊接收機(jī)輸出的同步機(jī)位置信號(hào)在每個(gè)周期內(nèi)的步進(jìn)量不大于1/2量化單位(0.046mil)，從而完全消除了火炮隨動(dòng)時(shí)的抖動(dòng)現(xiàn)象，提高了系統(tǒng)的跟蹤精度。

b.優(yōu)良的電隔離能力

數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)內(nèi)的所有設(shè)備與傳輸線路之間均為完全電隔離連接，不僅消除了武器系統(tǒng)與火控系統(tǒng)之間的相互干擾，而且能有效防止外界環(huán)境對(duì)系統(tǒng)的干擾、破壞，使此系統(tǒng)能較好地用于惡劣的野戰(zhàn)環(huán)境中。

c.兼容性

系統(tǒng)具有非常好的兼容性。此數(shù)傳接收機(jī)能和多種火控系統(tǒng)、火力系統(tǒng)兼容，已通過(guò)與兩種型號(hào)火控系統(tǒng)、兩種型號(hào)火炮、一種型號(hào)導(dǎo)彈等的配套試驗(yàn)，均能很好配套使用。

d.模擬器功能

數(shù)據(jù)通訊接收機(jī)自帶模擬器功能，可產(chǎn)生5條標(biāo)準(zhǔn)模擬航路。極大地方便了系統(tǒng)的應(yīng)用，使得在不與火控系統(tǒng)連接的情況下，不必增加任何輔助設(shè)備，即可定量檢查武器系統(tǒng)的基本參數(shù)。當(dāng)需要對(duì)武器系統(tǒng)的性能及工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，隨時(shí)可以通過(guò)面板上的選擇開(kāi)關(guān)選擇不同參數(shù)的幾種模擬運(yùn)動(dòng)曲線，直接由接收機(jī)產(chǎn)生幾種(如直線、盤旋等)模擬航路，即可以進(jìn)行武器系統(tǒng)的檢測(cè)和訓(xùn)練。

e.良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

內(nèi)框架全懸浮式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，極大地消除了外部的振動(dòng)對(duì)內(nèi)部電路的影響，滿足了強(qiáng)振動(dòng)條件下的使用要求;正確的冷卻方法的選擇和自循環(huán)風(fēng)道設(shè)計(jì)，在保證組合密封性能的前提下，較好地解決了系統(tǒng)的散熱問(wèn)題。

f.模塊化設(shè)計(jì)

采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)技術(shù)，各單元電路均根據(jù)功能進(jìn)行劃分，同功能模塊之間的接口保持一致，以方便互換;軟件設(shè)計(jì)同樣采用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù)，系統(tǒng)程序則由各程序模塊鏈接而成。當(dāng)用于不同的武器系統(tǒng)時(shí)，只需修改系統(tǒng)的軟件，或?qū)Σ糠蛛娐纺K進(jìn)行簡(jiǎn)單更換即可。

3 數(shù)據(jù)傳輸接收機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 隨動(dòng)平穩(wěn)性問(wèn)題

由于數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)傳輸?shù)氖菙?shù)字信號(hào)，且受傳輸速率的限制，有可能使系統(tǒng)不穩(wěn)定或產(chǎn)生爬行現(xiàn)象，因此必須在兩次采樣數(shù)據(jù)之間進(jìn)行插值處理，否則系統(tǒng)的跟蹤精度難以保證。另外，當(dāng)火控系統(tǒng)與武器系統(tǒng)的數(shù)制不同，特別是某一方為非2的整數(shù)次冪時(shí)，還需要對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)制轉(zhuǎn)換。例如，由于某火控系統(tǒng)輸出的位置量為16位滿模的自然二進(jìn)制數(shù)，而武器單元隨動(dòng)系統(tǒng)的粗精速比為1∶20，所以必須首先進(jìn)行數(shù)制轉(zhuǎn)換后才能將其分為粗、精數(shù)據(jù)，此時(shí)高位的粗通道位置數(shù)據(jù)為非自然二進(jìn)制數(shù)，但由于D/S模塊的輸入要求的是自然二進(jìn)制數(shù)，因此要再將粗?jǐn)?shù)字值再變換為自然二進(jìn)制數(shù)，之后才能將其送入D/S模塊。由于在幾次數(shù)制轉(zhuǎn)換之間還要進(jìn)行插值處理，因此需要進(jìn)行特殊考慮，并要設(shè)計(jì)特殊的電路。

在插值處理時(shí)，由于火控系統(tǒng)的精粗速比為32，產(chǎn)生的角位置量輸出為16位自然二進(jìn)制碼，而武器系統(tǒng)隨動(dòng)系統(tǒng)的精粗比為20，其結(jié)果不能用滿模的自然二進(jìn)制數(shù)表示，也就是說(shuō)火控輸出的低11位數(shù)字僅表示11.25°，如果將此數(shù)據(jù)直接輸入精D/S模塊，最大時(shí)應(yīng)代表18°，因此必須將火控輸出的16位自然二進(jìn)制數(shù)按40960的模進(jìn)行換算。計(jì)算公式如下:

式中:NR為火控輸出數(shù)據(jù);NG為滿模為40960的16位數(shù)據(jù)。

根據(jù)上式得到的數(shù)據(jù)的低位可以作為精D/S模塊的輸入，但高位已變成非自然二進(jìn)制數(shù)，如果要將其作為粗D/S模塊的輸入，須再將此高位數(shù)變?yōu)樽匀欢M(jìn)制碼，計(jì)算公式如下:

式中:NC為粗D/S的輸入數(shù)據(jù);N為粗D/S的有效位數(shù)。

上式優(yōu)化后得粗D/S輸入數(shù)據(jù)的計(jì)算公式為:

圖2 插值電路原理框圖

通過(guò)以上運(yùn)算雖然將火控輸出位置量變?yōu)槲淦飨到y(tǒng)的粗、精D/S模塊的輸入值，但如前所述，由于受數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)的傳輸率的限制，必須按火控給定的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度對(duì)位置輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，以使送入D/S模塊的數(shù)據(jù)的變化盡量小，否則就會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)誤差，甚至引起系統(tǒng)的振蕩。

數(shù)據(jù)通訊接收機(jī)的插值處理采用如圖2所示的特殊方式。

首先進(jìn)行數(shù)制轉(zhuǎn)換，然后將變換后的粗精各12位自然二進(jìn)制角位置量作為插值計(jì)數(shù)器的初始值送入插值計(jì)數(shù)器，粗精插值計(jì)數(shù)器則根據(jù)不同的頻率進(jìn)行插值。因?yàn)榛鹂叵到y(tǒng)輸出的是量化單位為360°/217的12位二進(jìn)制碼，它表示 40ms內(nèi)武器系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，因而可表示的最大速度量為281.25°/S。從而得到如下的插值頻率計(jì)算公式:

式中:NV為火控給定的速率值;fCC為粗插值計(jì)數(shù)頻率;fFC為精插值計(jì)數(shù)頻率。

實(shí)際電路是由頻率源產(chǎn)生fC的脈沖信號(hào)，經(jīng)12位系數(shù)乘法器后得到精插值計(jì)數(shù)頻率fFC，再經(jīng)20分頻產(chǎn)生fCC，然后分別以fFC、fCC作為精粗插值計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，則完成了位置量的插值處理。另外，為消除因插值產(chǎn)生的積累誤差，插值計(jì)數(shù)器的初值每個(gè)采樣周期均重新裝定。插值電路原理如圖2所示。

3.2 電氣隔離與抗干擾

基于具備完善自保功能的MAX1480B構(gòu)成的完全電隔離通訊接口電路可有效避免火力系統(tǒng)對(duì)火控系統(tǒng)的沖擊干擾，同時(shí)避免惡劣環(huán)境條件下系統(tǒng)遭受雷電等破壞的可能，也可以防止輸出短路、電源過(guò)載等故障對(duì)電路造成的損壞。

3.3 通訊控制

為擴(kuò)大產(chǎn)品的適用范圍，使數(shù)傳接收機(jī)能和采用多種通訊協(xié)議的數(shù)傳發(fā)送機(jī)連接，選用模式可編程的串行通信控制器(SCC)Intel82530構(gòu)成通訊接口。Intel 82530串行通信控制器是一種雙通道、多規(guī)程數(shù)據(jù)通信接口，原理框圖如圖3所示，片內(nèi)包括波特率發(fā)生器、數(shù)字鎖相環(huán)、各類數(shù)據(jù)編碼和譯碼方法及晶體振蕩器。另外，利用其診斷能力——自動(dòng)回報(bào)和本地返回環(huán)路使用戶能夠檢測(cè)和隔離網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的故障。使用Intel 82530串行通信控制器，極大地改善了系統(tǒng)的有效性，并提高了系統(tǒng)的故障隔離能力。

3.4 前饋速度補(bǔ)償

前饋輸出電壓由D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生，經(jīng)隔離放大器放大后饋入武器系統(tǒng)。D/A轉(zhuǎn)換器用10位數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD7522KD。

前饋電壓的計(jì)算方法為:

式中:NV為火控給定的速率值;Vmax為最大前饋速度;fZ為數(shù)據(jù)傳輸幀頻率。

3.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)傳輸接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)為三層嵌套密封框架。基本外型如圖4所示。內(nèi)層為電路插件安裝框，內(nèi)層與中間層采用固定連接;中間層為減震層，中間層與外層之間采用全懸浮式連接，上、下、左、右和后板通過(guò)10個(gè)減震器與外層框架連接，以充分吸收震動(dòng)對(duì)系統(tǒng)電路的影響;外層采用全密封結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)其密封防雨的要求;整個(gè)接收機(jī)通過(guò)底部的4個(gè)減震器與油機(jī)單元連接，以進(jìn)一步解決抗震性;在采用密封結(jié)構(gòu)后，通過(guò)合理的風(fēng)道設(shè)計(jì)解決電路元件的散熱問(wèn)題，由風(fēng)機(jī)產(chǎn)生循環(huán)風(fēng)，在接收機(jī)組合內(nèi)形成優(yōu)良的小環(huán)境。試驗(yàn)已經(jīng)證明此種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)較好地解決了數(shù)據(jù)通訊接收機(jī)的抗震、密封和通風(fēng)散熱問(wèn)題。

4 結(jié)論

本文介紹的數(shù)據(jù)傳輸接收機(jī)已在某型號(hào)產(chǎn)品中得到應(yīng)用，經(jīng)過(guò)多次靶場(chǎng)實(shí)戰(zhàn)使用，完全滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，取得了良好的實(shí)戰(zhàn)效果，在類似的分布式武器系統(tǒng)中完全可以作為數(shù)據(jù)信息傳遞的一種方法和手段。

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