無線電引信模擬系統設計

劉少坤， 閆曉鵬， 郝新紅， 栗 蘋

（北京理工大學機電工程與控制國家重點實驗室，北京100081）

0 引言

無線電引信模擬系統的研制目的是配合干擾機的研制、對干擾機的性能進行測試以及進行后續訓練。干擾機的性能需要測試人員進行大量的實驗才可驗證，以往的實驗都是以實彈發射來模擬引信的真實工作過程，這樣的實驗方式最為可靠直觀，但價格昂貴，需要動用炮兵還要占用很大的實驗場地［1］。無線電引信模擬系統可以靜態地模擬引信的真實工作過程并且可以實時顯示干擾機對引信的干擾效果，從而簡化干擾機的性能測試，節省高昂的測試費用，雖然其實驗效果不如實彈測試真實可靠，但作為輔助手段可為訓練和測試提供參考，同時由于無線電引信模擬系統結構簡單，操作人員攜帶方便，易于操作。現有的引信模擬系統不能以線饋的方式進行引信性能的檢測，同時現有模擬系統只能實時顯示引信的啟動情況，不能采集或存儲引信的檢波信號，也不能借助上位機進行啟動信號和檢波信號的處理，因此不利于后期實驗結果分析。針對這些問題，本系統進行了改進。首先，系統在原有系統引信性能空饋檢測的基礎上增加了線饋檢測功能；其次，系統新增了引信檢波信號采集電路，可采集并存儲實驗過程中引信的檢波信號，并借助上位機進行分析處理，為判定干擾機干擾效果提供更有力的數據支撐；最后，本系統采用GPS授時為多種實驗設備提供精確的、統一的時鐘，很好的解決了多系統協同工作過程中時間統一方面的問題，提高了系統的兼容性。

1 無線電引信模擬系統總體方案設計

無線電引信模擬系統要最大程度的滿足引信干擾機測試要求必須滿足以下條件：

a）首先，模擬系統必須能夠模擬引信的正常工作過程；

b）其次，要避免人員和其他設備對測試結果的影響；

c）再次，可以隨時直觀地觀測到引信的工作狀態和啟動情況。

為滿足上述要求，本系統采取以下方案設計：

無線電引信模擬系統采用模擬器和控制器分離子系統設計，模擬器主要實現引信檢波信號和啟動信號采集存儲、GPS授時等功能；控制器主要實現對模擬器的控制、引信工作狀態選擇和顯示等功能。模擬器與控制器之間通過RS422協議進行通信，通信距離最大可以達到1500m，可確保人員在要求距離范圍內通過控制器對模擬器進行遠距離控制，排除人員和設備因素對實驗的影響。

為了最大程度的模擬實彈發射狀態，模擬器設計了引信工作狀態選擇電路，操作人員可通過控制器選擇引信以單發連射或者多發齊射等任意模式發射，同時可設置每枚引信的工作過程，由此可真實的模擬引信的正常工作過程。

為了隨時直觀的觀測引信的工作狀態和啟動情況，模擬器設計了引信信號采集存儲電路，引信正常工作過程中的檢波信號和啟動信號都可采集出來進行存儲，方便以后分析處理。同時，檢波信號和啟動信號也可實時顯示在控制器端的液晶屏上，方便測試人員實時掌握引信的工作情況。

由于系統采用模擬器和控制器分離子系統設計，要實現系統之間協同工作需要解決時鐘統一問題。本系統采用GPS授時模塊為各系統提供統一的時間標準，解決了時鐘統一問題，提高了系統的兼容性。

圖1所示為系統結構框圖。

2 系統硬件設計

2.1 模擬器硬件設計

為滿足系統的設計指標，本系統必須具有數據存儲、數據通信、鍵盤和液晶屏模塊等，因此，主控芯片需要有強大的外設能力。同時，本系統偏重于控制，對數據運算要求不高。綜合考慮，模擬器主控芯片選用LPC1768芯片，該ARM 芯片主要適用于工業控制領域，具有1個USB2.0全速接口、4個串行接口、4個32 位通用定時器、1 個SD 通信接口等強大的外設能力，能夠滿足本系統的設計要求［2］。

模擬器采用模塊化設計，包括引信工作狀態選擇模塊、引信信號采集模塊、遠程通信模塊、引信性能檢測模塊、GPS授時模塊。

圖1 系統結構框圖

引信工作狀態選擇模塊主要用來控制引信的工作狀態，實現對真實戰場環境下炮彈不同發射狀態的模擬。通過對引信供電電路的控制可以實現引信的單發連射或多發齊射等多種工作模式。

該系統通過對繼電器的控制實現對引信供電電路的控制，從而控制引信的工作狀態。

引信信號采集與存儲模塊主要由A／D 采集模塊、信號調理電路和信號存儲模塊三部分組成，用來實現引信中頻檢波信號和啟動信號的采集。

在信號采集過程中，引信中頻檢波信號的幅值約為5mV～20 mV，頻率最高為1kHz，屬于微弱信號采集，在采集過程中對噪聲的敏感程度較高，因此需要選用較高分辨率的AD 轉換器。若要求采樣誤差保持在10%以內，芯片模擬電壓的輸入范圍設為±10V，則由

可得n＝16，即AD 轉換器應該具有16位。

引信啟動信號幅值為5V～20V，16位轉換器滿足對啟動信號的轉換精度。系統采用的模數轉換芯片是AD7606，該芯片為16位8通道AD轉換器，滿足系統要求。

由于引信的中頻檢波信號存在直流偏置，不同引信的直流偏置有所不同且幅值相差較大。同時，引信啟動脈沖的幅度往往也有較大變化，脈沖幅度變化和直流偏置的存在導致了信號采集電路對于所采集信號難以適應的問題，為了消除此類影響，需要對啟動信號和檢波信號進行調理［3］。

系統采用電阻分壓的方式來實現對信號幅值的調整。為了防止負載電路對信號幅值的影響，在電阻分壓電路的前端和后端均加入一個電壓跟隨器。電路設計時，由于負載阻抗的變化，進入分壓電路的信號波形會受到負載阻抗的影響，因此需要增大分壓電路的輸入阻抗，這樣可以增大分壓電路的帶負載能力。系統選用兩片AD8544跟隨器來實現電路阻抗匹配的設計，從而保證分壓電路免受負載變化的影響。

模擬器遠程通信模塊主要用于控制器和模擬器之間的相互通信，實現控制器對模擬器的遠程控制以及啟動信號的回傳。

為了消除由于引信性能優劣造成的干擾機測試誤差，同時不引入額外引信性能測試設備，本系統設計了引信性能檢測模塊。此模塊除具備原有模擬系統空饋檢測功能外還可以線饋方式檢測引信性能，即調用存儲在數據存儲器中的引信真實回波信號，經過DA 轉換為模擬信號，再由引信接收端灌入引信中頻信號處理單元。在該信號的作用下，如果引信啟動，則表明引信性能良好，否則證明引信不能正常工作。

為了借助于上位機對引信檢波信號和啟動信號進行后續處理，需要在實驗過程中存儲這兩種信號。每枚引信最大工作次數為200次，工作時長為10s，引信總數為8枚，啟動信號和檢波信號采樣率分別為40kHz和4kHz，則引信啟動信號、檢波信號總的數據量為

因此數據存儲器的存儲空間應該大于12Gbit，考慮存儲容量和性價比，本系統采用32G的SD 卡作為存儲設備。

由于采用控制器和模擬器子系統設計，同時系統外設較多，系統在工作時存在協同工作和時間統一問題。為了滿足多種實驗設備協同工作的需求，解決時間統一問題，本系統設計了授時模塊，可以對系統工作時間進行標定，以統一各設備之間的時間基準［4］。

2.2 控制器硬件設計

引信控制器作為無線電引信模擬系統的控制平臺，主要用于實現對模擬器的遠程控制，同時實時顯示每次實驗過程中干擾設備對引信的干擾情況。控制器主要由三部分組成：主控電路、人機交互界面、擴展接口。

為了程序開發的一致性，控制器的主控芯片也選用LPC1768。

遠程通信模塊主要用于控制器對模擬器的控制，以及部分實驗數據的回傳等功能，通過對模擬器的遠程通信模式的分析，選擇RS422 通信協議。

鍵盤主要用來實現對模擬器各項功能的選擇、操作等，例如：引信性能檢測功能、引信工作模式選擇、引信實驗結果顯示等各項功能的選擇；液晶屏主要用來顯示實驗過程中各項實驗數據，可清楚的顯示引信工作狀態、受干擾次數、啟動時間等信息。

3 系統軟件設計

設置根據設計要求，模擬系統應該能對4發引信的發射模式、發射次數在一定范圍內進行任意組合設置。人員對于鍵盤的操作應該有相應的提示，誤操作應可返回或者重置。系統采集的引信啟動信號、啟動時間以及啟動次數可在液晶屏上實時顯示，以便于實時觀測引信的工作狀態和受干擾情況。引信檢波信號、啟動信號、啟動時間、發射狀態、發射時間等信息可存儲及讀取，方便后續分析處理。系統采集和存儲的數據信息可上傳至上位機，借助上位機強大的數據處理能力進行分析處理，并通過上位機的人機交互界面進行顯示和設置。

圖2 總控功能流程圖

為實現以上要求，本系統采用C 語言編寫了系統控制軟件。圖2所示為總控模塊流程圖，完成系統初始化、系統故障診斷及故障定位、引信工作狀態、數據采集存儲、實驗結果查詢、實驗數據輸出等功能。系統開機后首先進行系統自檢，系統自檢流程如圖3所示。

若系統無故障，則在控制端進行引信工作狀態設置，選擇單發連射或多發齊射，設置結果在液晶屏上顯示，設置完成，按下“發射”鍵后可進行三種操作：引信性能檢測、實驗結果查詢或者進行實驗并且采集實驗數據。

模擬器在總控系統的控制下進行工作，其采用模塊化設計，主程序流程圖如圖4所示。模擬器收到控制器發出的指令后進行判斷，若為自檢指令則轉至故障診斷模塊進行故障診斷，若為工作狀態設置或者發射指令則轉至相應模塊進行處理。

圖3 故障診斷模塊流程圖

圖4 引信遠端控制器主流程圖

故障診斷模塊主要用來診斷引信信號模擬器中的電源模塊、繼電器模塊、RS422 通信模塊等功能模塊，并可實現各功能模塊的故障定位；引信工作狀態選擇模塊用來控制引信的工作狀態，實現對真實戰場環境下炮彈不同發射狀態的模擬；檢波信號采集模塊完成4 路檢波信號的采集與存儲；引信啟動信號統計模塊完成啟動信號電平轉換、啟動信號存儲與干擾次數統計功能。

故障診斷模塊作為無線電引信模擬系統的重要組成部分，主要完成以下兩方面的內容：檢查系統易壞模塊功能是否正常，避免由于系統故障影響干擾機測試結果；系統出現故障時，快速定位故障模塊，為系統修復提供依據。當控制器選擇自檢功能后各故障標志位清零，系統各模塊依次進行故障檢測，發現故障后，相應的標志位置位，系統根據不同的標志位置位情況實現故障定位。

4 結束語

本系統在原有引信模擬系統的基礎上增加了引信性能的線饋檢測功能、引信檢波信號的采集存儲功能以及GPS授時功能，相較于原有模擬系統，本系統可為測試和訓練提供更多元的實驗數據。本系統未來的發展方向之一是實現實裝引信的全數字化模擬，從而實現系統的進一步簡化。

［1］ 周忠來，白玉賢，徐清泉，等.引信干擾機訓練模擬器控制系統設計［J］.現代引信，1998，（3）：46.

［2］ 孫安青.ARM Cortex-M3嵌入式開發實例詳解-基于NXP LPC1768［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2012：5-15.

［3］ 周博，鄭偉，陳靜.軍用電子設備的電磁兼容性設計及應用［C］.全國抗惡劣環境計算機第二十屆學術年會論文集，2010.

［4］ 鐘陪強.基于GPS的精確定時系統［D］.桂林：桂林電子工業學院，2005.