便攜式多管火箭彈發(fā)射控制系統(tǒng)的設計

韓星程 王黎明 李潤汀

(中北大學 太原 030051)

0 引言

目前，火箭彈發(fā)射控制技術已經相對成熟，但通用性不強，所設計的發(fā)射控制系統(tǒng)都是源于不同的目的。本文基于安全可靠的基礎上針對靶場試驗所用火箭彈設計了一款相應的發(fā)射控制系統(tǒng)。與以往軍事演習所設計的大型系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)輕型便攜的同時，發(fā)射時間間隔精確，實現(xiàn)了多管火箭的依次定時發(fā)射，而且該系統(tǒng)不受惡劣環(huán)境的影響。使用時只需將該系統(tǒng)與多管火箭裝彈裝置相連接，根據(jù)相應指令即可實現(xiàn)發(fā)射操作。

該系統(tǒng)由控制模塊，點火模塊和時統(tǒng)傳輸三部分構成，利用微處理器發(fā)出精確點火控制指令，使點火系統(tǒng)按照一定的時序間隔發(fā)出有效的點火脈沖，同時將控制信息傳遞給遠端的PC 機實現(xiàn)信息交互。實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的數(shù)字化、智能化、輕型化設計，為多管火箭彈的數(shù)字化改造提供了新的參考思路。

1 硬件設計

如圖1所示，本系統(tǒng)主要有三大模塊組成，分別是主控模塊，8 路點火模塊、時統(tǒng)傳輸模塊，這三個模塊間為了保證安全，防止誤操作造成的意外，它們之間用光耦隔離進行分隔，同時為了避免相互干擾，三個模塊采用各自電源獨立供電，主控模塊采用3.3V 供電，點火模塊和時統(tǒng)傳輸模塊均采用12V 供電［1］。

1.1 主控模塊

本模塊以TI公司的MSP430F149 單片機作為控制芯片，它是一款16 位的、具有精簡指令集的、超低功耗的混合型單片機，其不但具有速度快，處理能力強，系統(tǒng)工作穩(wěn)定等特點［2］，而且電路設計相對簡單，在縮短研發(fā)周期的同時也大大降低了設計成本。其電路設計如下圖2所示。

圖1 硬件系統(tǒng)框圖

圖2 控制電路原理圖

如圖2所示，當按下觸發(fā)按鍵后，通過P2.0 口給單片機一個觸發(fā)信號，單片機接收到觸發(fā)信號后，控制P1.0-P1.7 口外接的8 路通道依次點火發(fā)射，同時將而每一路點火時間間隔可以指定，單片機檢測到指定的時間間隔后通過P3.0-P3.2 口外接三個LED 燈指示出當前的間隔模式。

1.2 點火發(fā)射模塊

作為發(fā)射系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)，抗干擾成為不可忽視的首要因素，基于此在單片機與點火電路之間采用光耦隔離芯片PC817 隔離［3］。

本模塊由8 組具有相同原理的電路設計而成，每一組主要由雙刀雙擲繼電器構成，且都帶有指示燈，通過指示燈相應地狀態(tài)指示，來提示系統(tǒng)是否工作在安全環(huán)境下。圖3 為該模塊設計中的第一組電路。

圖3 點火發(fā)射電路

工作原理:8 組電路中每一組兩個公共端COM都分別接有綠色和紅色指示燈，上電后繼電器雙刀中的一刀接通外部電源，綠燈點亮，說明電源正常供電，同時另一刀不接，此時紅燈熄滅。當單片機收到按鍵觸發(fā)點火信號后，給P1.0 口輸出一個高電平，通過光耦隔離芯片PC817，使該芯片右邊電路導通，此時12V電壓分別加載到電阻R2 和繼電器內部線圈coil 兩端，轉換成相應電流分別流過NPN 三極管的b 極和c極，從而驅動繼電器吸合，使繼電器雙刀同時打到另一端，此時綠燈熄滅紅燈點亮，指示可以進行點火發(fā)射。兩路指示燈的狀態(tài)始終是相反的。上電后，只有8 路通道的紅燈均為亮的才可進行點火發(fā)射。

1.3 時統(tǒng)傳輸模塊

在點火的同時要進行同步信號的發(fā)送，同步信號要保證實時性，高抗噪性，以保證信號在遠距離傳輸?shù)倪^程中有用信息不丟失不產生誤碼。

目前國內外都采用RS232 或者RS485 串行通信接口標準來進行通信設備與PC 機之間的信息傳遞。它們傳輸?shù)亩际请妷盒盘枺瑫a生以下問題:(1)傳輸線會受到噪聲的干擾;(2)傳輸線的分布電阻會產生電壓降。

相比較電壓，電流對噪聲并不敏感。所以為了解決上述問題和避開相關噪聲的影響，本系統(tǒng)中同步信號發(fā)送模塊采用電流環(huán)AD694 將電壓信號轉換成電流信號來實施信號傳輸，保證了信號的完整性與精確性［4］。

如圖4所示，AD694 將控制信號轉換成相應的電流信號從IOUT端輸出，在傳輸過程中始終為電流信號，在接收端通過電阻RL再將電流信號轉換成電壓信號，實現(xiàn)了發(fā)送端與接收端的信息傳遞。整個過程就是電壓到電流再到電壓的轉換。

2 軟件實現(xiàn)

本發(fā)射控制系統(tǒng)的軟件程序是通過C 語言編寫的，是在IAR Embedded Workbenc 環(huán)境下開發(fā)，并在MAP430F149 單片機的智能系統(tǒng)上運行的。

圖4 AD694 典型應用電路

2.1 軟件流程

系統(tǒng)控制軟件由系統(tǒng)初始化程序、按鍵檢測程序和點火發(fā)射程序等構成，軟件流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行系統(tǒng)的初始化工作，在初始化中對單片機的引腳和時鐘進行配置。并打開全局中斷開始系統(tǒng)時間的計數(shù)，若過了系統(tǒng)時間還未發(fā)射成功則重啟系統(tǒng)重新計時。當檢測到點火按鍵按下并抬起后，進入到發(fā)射函數(shù)，在進行點火發(fā)射的同時，8 路發(fā)射信號所對應的同步信息經由單片機的管腳發(fā)送給外部的電流環(huán)，每一路發(fā)射完后判斷是否8 路都已完成發(fā)射，若沒有則切換到下一路繼續(xù)發(fā)射，若全部發(fā)射則結束發(fā)射過程。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

2.2 算法設計

由于本系統(tǒng)對發(fā)射過程的時序要求較高，要選擇合適的計時算法才可以滿足要求。首先對需要用到的變量進行定義，如表1所示。

表1 變量定義

系統(tǒng)初始化成功后即開始計T_current，當檢測到按鍵按下并抬起后，開始觸發(fā)系統(tǒng)依次點火發(fā)射，則

注:結果只取整數(shù)部分;

在得到以上各值后進行判斷若T_fire 在其值域［0，Num_total* T_period］內說明還在系統(tǒng)發(fā)射過程中則接著獲取當前的發(fā)射序號Num_ missile，重復執(zhí)行以上過程直到T_fire 超出其值域，即Num_missile=8，則完成整個點火過程。

若當T_current 超出其值域［0，64800］還未點火的時候則重啟整個系統(tǒng)重新執(zhí)行這個過程。其中系統(tǒng)時間由單片機的定時器提供，以中斷方式計數(shù)，系統(tǒng)定時器每10 毫秒中斷一次，時間變量clk_tmp 加1 當clk_tmp 加滿五次后系統(tǒng)的當前時間T_current加1 同時clk_tmp 清零。

系統(tǒng)的發(fā)射信號是通過檢測外部按鍵的輸入來完成的，本系統(tǒng)采用中斷方式來檢測按鍵是否被按下。在處理按鍵的時候需要注意有相應的按鍵檢測的消抖和防止誤觸發(fā)的操作。

誤觸發(fā)有兩種可能，一種是按下的時間過短，另一種是按下的時間過長，所以要選擇合適的判斷條件來判斷是否為正常觸發(fā)，而且合適的判斷時間還可以消除按鍵按下的抖動對系統(tǒng)的影響，一般根據(jù)系統(tǒng)會選幾十微秒到幾百毫秒，本系統(tǒng)選擇區(qū)間為20ms 到50ms，即當T_button_holdon 在區(qū)間［20，50］就算是正常觸發(fā)，視為有效點火，而在區(qū)間外的均視作無效點火。

3 系統(tǒng)測試

將程序通過JTAG 接口下載到單片機里，并通過邏輯分析儀仿真，得到該系統(tǒng)工作波形如圖所示。由圖6 可知，從D0到D7口依次輸出一個脈沖信號，用來驅動8 路火箭彈的依次點火發(fā)射，而且相鄰兩個脈沖信號間隔為400ms，達到了設計要求。

圖6 系統(tǒng)工作波形圖

該系統(tǒng)硬件PCB 板如圖7所示，上電后八路點火通道的綠燈同時點亮，當八路紅燈依次點亮時，實現(xiàn)了八路火箭彈的依次點火發(fā)射。

4 結束語

該系統(tǒng)經過軟件測試、硬件調試、系統(tǒng)聯(lián)調，最終實現(xiàn)了發(fā)射控制系統(tǒng)的順利應用。同時采用單片機控制系統(tǒng)實現(xiàn)了該型火炮發(fā)射系統(tǒng)的信息化改進，用繼電器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機械開關，性能穩(wěn)定，可靠性高，而且該系統(tǒng)具有一定的通用性，大大縮短了設備的研制周期，降低了研制成本。

圖7 硬件PCB 板電路

［1］常遠，侯健，李玉，張方方.超高射速武器電子點火系統(tǒng)研究與設計［J］.火炮發(fā)射與控制學報，2011，(3):63-66.

［2］洪利，章?lián)P，李世寶.MSP430 單片機原理與應用實例［M］.北京航天航空大學出版社，2010.

［3］于雅麗，賈紅莉，崔家慎.通用發(fā)射控制系統(tǒng)的研究與應用［J］.計算機測量與控制，2013，21(5):140-142.

［4］楊金巖、張向東.4mA ～20mA 電流環(huán)AD421及其應用，現(xiàn)代電子技術，2001，(7):76-78.