基于C8051F040單片機的光電觀瞄控制系統的設計

趙艷麗,呂瑞云

（河南中光學集團,473000）

基于C8051F040單片機的光電觀瞄控制系統的設計

趙艷麗,呂瑞云

（河南中光學集團,473000）

本文介紹了輕型武器作戰平臺上的光電觀瞄控制系統的硬件及軟件的設計方法，該系統以C8051F040單片機為核心，該芯片集成了控制系統所需的多種數字和模擬外設, 還具備多種總線接口,為光電觀瞄控制系統提供了很好的平臺。控制系統外部采用CAN總線與操控系統及平臺上其它子系統通訊，通過控制電路來實現對可見光鏡頭、非制冷紅外熱像儀等的遠程控制，并向系統提供光電觀瞄系統探測到的目標圖像和目標信息。

單片機；控制系統；CAN總線；遠程控制

0 引言

光電觀瞄系統，做為作戰平臺用來獲取信息的“眼睛”其重要性則是毋庸置疑的。光電觀瞄系統因為工作于光頻，激光測距距離和角分辨率高，瞄準精度高，可大大提高作戰平臺武器的命中率，CCD電視攝像機和非制冷紅外熱像儀是無源系統而不容易被探測，生存能力強，而且可以對目標成像，此外光頻不易受電子干擾的影響，隱身目標對光頻也是薄弱環節。

光電觀瞄控制系統主要完成戰場晝夜監視、戰場視頻輸出等任務。把直接觀察、瞄準轉換為間接觀察、瞄準，有效地保證了操控人員的安全，提高武器系統的信息采集、應用等能力，增強武器系統的瞄準速度和射擊精度,使武器站具備晝夜的作戰能力，最大限度的發揮了武器系統的效能，滿足武器系統在未來戰爭中的無人化需求及在中低強度作戰、城市作戰等戰爭中的作戰需求。

1 系統硬件設計

光電觀瞄控制系統外部通過CAN總線實現與操控系統及平臺上其它子系統通訊，一方面接收來自操作手的控制指令，實現對可見光鏡頭、非制冷紅外熱像儀、激光測距機等的遠程控制，完成瞄準、測距、搜索等任務。

1.1 中心處理器

光電觀瞄控制系統的核心是中心處理器，采用C8051F040單片機，這款單片機是該系列單片機中功能最全、也是最具代表性的一款。它不僅具備控制系統所需的數字和模擬外設，包括ADC、DAC、看門狗定時器、電壓比較器、定時器、PWM、定時器捕捉和方波輸出等，該單片機的優點為小體積、低功耗、高性能、高可靠性，大大的降低了設計成本。

1.2 通訊模塊

通訊模塊是實現操控系統及平臺上其它子系統與觀瞄系統內部信息交換的橋梁，控制系統外部通過CAN2.0A協議與與操控系統及平臺上其它子系統進行通信，CAN是一種多主方式的串行通信總線，具有非常高的位速率和抗電磁干擾能力，而且能夠檢測出通信過程中產生的所有錯誤。由于C8051F040集成了CAN2.0B協議控制器，在使用時只需外加一個CAN總線收發器就可以接入CAN總線網絡，CAN總線收發器采用TI公司的SN65HVD230高速收發器，工作電壓為3.3V，信號傳輸速率最高可達1Mb/s，具有抗瞬間干擾、保護總線的功能，還具有抗寬范圍的共模干擾、電磁干擾能力。

內部主要是通過串口通訊對紅外熱像儀進行變焦、聚焦、極性切換、圖像校正等操作，對激光測距機進行測距，獲取目標距離等操作。為了提高串口通訊在各種惡劣電磁環境下的可靠性，在RS232接口芯片的收發信號線上串接電阻，并在電阻后端增加雙向瞬態抑制二極管來實現對RS232串口的保護。

1.3 視頻處理模塊

視頻處理模塊主要實現對光電觀瞄系統輸出的視頻信息進行處理。由視頻切換電路和視頻疊加電路等組成。

1.3.1 視頻切換電路

視頻切換電路由模擬CMOS開關、運算放大器等組成。由于CVBS信號帶寬低于6.5MHz，帶寬有限且輸入阻抗低，基本上大部分的模擬CMOS開關均可勝任此任務，相對于繼電器等觸點開關切換視頻具有快速，切換圖像無抖動等優點。

1.3.2 視頻疊加電路

視頻疊加電路主要由LM1881行場分離器，MB90092專用字符疊加芯片和外部字符存儲器AT89C256等組成。其中LM1881實現行信號和場信號的分離，該電路的集成度高，只需很少的外圍電路就可提取出視頻信號中的復合同步信號。MB90092主要對輸入的模擬視頻信號進行字符或圖形疊加并產生混合的視頻信號進行輸出。AT89C256作為字庫模塊，用來存儲所需要疊加的字符。事先將所需字符燒錄到存儲器中，這樣的外掛的字符存儲器給設計帶來了極大的方便，觀瞄控制器可以根據需要隨時調用字庫中的字符。

1.4 電機控制模塊

電機控制模塊主要由馬達驅動芯片、可見光鏡頭變焦馬達、聚焦馬達、變焦電位器輸出、聚焦電位器輸出、A/D轉換電路等組成。當接收到操控系統發出的變焦、聚焦等控制命令后，馬達驅動芯片控制相應的馬達進行響應。

操作者也可以根據需要控制可見光鏡頭自動變到指定視場。當接收到操控系統的光學視場預置數據命令后，將需要的視場數據轉換成焦距值，通過該電路可以在光電觀瞄控制器啟動時變焦鏡頭自動達到觀察的最佳視場，極大的減輕了工作量。

1.5 電源控制模塊

由于作戰平臺上配備的武器系統包括各種機槍、自動榴彈發射器等，所以對光電觀瞄控制器的抗振動、耐沖擊性能要求非常高。因此電源控制電路采用具有遙控功能的電源模塊來控制可見光攝像機、紅外熱像儀等設備的電源開、關。該電源模塊采用北京博電的DC-DC電源轉換器，具有非常高的環境適應性。

2 系統軟件設計

系統軟件主要分成三部分：C8051F040單片機與操控系統及平臺上其它子系統的CAN通信軟件；對可見光鏡頭、紅外熱像儀等設備進行控制操作的軟件；視頻處理軟件。

CAN通訊主要完成的任務是將要傳輸的數據傳送至CAN總線上，并接收本系統需要的數據，因此，CAN通信軟件主要包括初始化程序、發送程序和接收程序等。本系統采用結構化程序設計，具有很好的模塊性和可移植性。

圖1 焦距值與A/D轉換值對應曲線圖

C8051F040單片機通過UART0和UART1來實現對激光測距機和紅外熱像儀的控制操作。本系統采用UART0工作在方式1，即標準的異步全雙工通信，使用定時器3工作在16位自動重裝載方式產生波特率。UART1也工作在方式1，使用定時器1工作在8位自動重裝載方式產生波特率。

系統采用中斷方式接收數據，當中斷產生時，系統根據標識符來判斷是否接收數據，若符合則接收并根據工作流程執行相應的操作。

視頻處理軟件主要對字符疊加芯片進行控制，將操作員所需的信息數據進行處理轉換為要調用字符的地址碼以調用字庫RAM里的字符點陣，將其顯示在光電觀瞄系統輸出的視頻圖像上。

3 結論

光電觀瞄控制器可以廣泛地應用于遙控武器站、機場防衛系統、裝甲裝備系統中。實踐證明，本系統軟硬件設計簡單合理、成本低、功耗低、可靠性高，能夠滿足光電觀瞄系統要求，值得推廣使用。

童長飛.C8051F系列單片機開發與C語言編程.北京：北京航空航天大學出版社，2005,1.

The design of the photoelectric control system based on C8051F040 MCU

Zhao Yanli,Lv Ruiyun
（Henan optical group,473000）

This paper introduces the concept of light weapons platforms eo at design method of hardware and software of the control system,the system C8051F040 singlechip as the core,the chip integrates the control system of digital and analog peripherals,also has a variety of bus interface,for the concept of photoelectric aiming control system provides a good platform.External use CAN bus control system and control system and other subsystem communications platform,through the control circuit to achieve the optical lens,uncooled infrared thermal imager,etc of the remote control,and to the concept of the system to provide the photoelectric aiming system to detect the target image and the target information.

singlechip；operating system；Controller Area Network；telecontrol