針對(duì)目前我軍偵察分隊(duì)和射擊指揮分隊(duì)野外訓(xùn)練時(shí)，各種目標(biāo)設(shè)置、顯示費(fèi)時(shí)費(fèi)力、安全隱患大等諸多問題，本文提出基于MSP430F149單片機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)指示器，以滿足部隊(duì)野外訓(xùn)練時(shí)快速設(shè)置目標(biāo)，并能根據(jù)不同的戰(zhàn)術(shù)需要靈活顯示目標(biāo)和根據(jù)不同的射擊法則顯示炸點(diǎn)等，較好地解決部隊(duì)野外訓(xùn)練的急需。

目標(biāo)指示器的功能

根據(jù)需要，目標(biāo)指示器以燈光、煙火等方式顯示目標(biāo)或炸點(diǎn)。每個(gè)指示器可以模擬顯示如機(jī)槍火力點(diǎn)、坦克火力點(diǎn)、炮陣地等n類性質(zhì)的目標(biāo)，同時(shí)帶有m個(gè)炸點(diǎn)顯示器。目標(biāo)指示器主要完成GPS模塊的數(shù)據(jù)采集、執(zhí)行燈光顯示和煙火顯示等任務(wù)。

目標(biāo)指示器硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)方案

目標(biāo)指示器的設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為核心的，集燈光顯示、煙火顯示、目標(biāo)位置顯示等功能于一體的顯控裝置。設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)包括：①要保證所設(shè)計(jì)的裝置能適應(yīng)環(huán)境的要求；②盡量降低單片機(jī)系統(tǒng)的功耗，使系統(tǒng)能長(zhǎng)時(shí)間正常運(yùn)行；③所設(shè)計(jì)出的軟硬件必須能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的功能，穩(wěn)定可靠地運(yùn)行，準(zhǔn)確地完成控制命令的執(zhí)行以及通訊等功能；④裝置必須具備可操作和可維護(hù)性；⑤在此基礎(chǔ)上還要考慮實(shí)現(xiàn)此裝置的經(jīng)濟(jì)成本。

目標(biāo)指示器主要用于實(shí)現(xiàn)目標(biāo)顯示功能，其顯示形式包括燈光、煙火或爆音，它由控制芯片、帶有自組網(wǎng)的無線模塊、GPS定位模塊、燈光顯示模塊、煙火顯示模塊及電源模塊等組成，如圖1所示。

圖1 目標(biāo)指示器硬件組成圖

目標(biāo)指示器的核心是一個(gè)MSP430F149微處理器，利用處理器自身帶有的豐富的外圍模塊以及少量的外部芯片實(shí)現(xiàn)各種功能，它通過無線傳輸模塊接收來自主控站發(fā)射的控制指令，經(jīng)過控制電路轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的控制信號(hào)。燈光顯示模塊由來自主控站的控制信號(hào)實(shí)施多種模式的燈光顯示方式（包括等時(shí)間間隔顯示、不同顏色燈光輪流顯示等），煙火顯示模塊則通過高低電平信號(hào)點(diǎn)燃或爆炸進(jìn)行顯示，GPS定位模塊則實(shí)時(shí)向主控站提供各個(gè)目標(biāo)的地理坐標(biāo)和高程。電源模塊則提供目標(biāo)指示器所需的電壓。

微處理器簡(jiǎn)介

目標(biāo)指示器硬件部分的控制核心使用TI公司的16位高性能的MSP430F149單片機(jī)，用來控制指示器各個(gè)部分的工作。MSP430F149是超低功耗Flash型16位單片機(jī)，特別適合于電池供電場(chǎng)合或手持設(shè)備，具有如下特點(diǎn)：

①功耗低：2.2V時(shí)鐘頻率1MHz時(shí)，活動(dòng)模式為200µA；關(guān)閉模式時(shí)僅為0.1µA，且具有5種節(jié)能工作方式；

②高效16位RISC-CPU：27條指令、8MHz時(shí)鐘頻率時(shí)，指令周期時(shí)間為125ns，絕大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期完成；32kHz時(shí)鐘頻率時(shí)，16位MSP430單片機(jī)的執(zhí)行速度高于典型的8位單片機(jī)20MHz時(shí)鐘頻率時(shí)的執(zhí)行速度；

③低電壓供電、寬工作電壓范圍：1.8V～3.6V；

④靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)：兩個(gè)外部時(shí)鐘和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘；

⑤低時(shí)鐘頻率可實(shí)現(xiàn)高速通信；

⑥具有串行在線編程能力；

⑦強(qiáng)大的中斷功能；

⑧喚醒時(shí)間短，從低功耗模式下喚醒僅需6µs；

⑨ESD保護(hù)，抗干擾力強(qiáng)；

⑩運(yùn)行環(huán)境溫度范圍為-40℃～+85ºC，適用于工業(yè)環(huán)境。

目標(biāo)指示器電路設(shè)計(jì)

電源電路設(shè)計(jì)

（1）技術(shù)要求

• MSP430F149單片機(jī)電源電壓范圍：3.3V；

• GPS定位模塊的電源電壓范圍：1.8V；

• 發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)芯片MC1413電源電壓：12V；

• 無線數(shù)傳模塊的電源電壓范圍：9V。

（2）設(shè)計(jì)要點(diǎn)

①便于攜帶，供電方便。該指示器是為了滿足部隊(duì)在野戰(zhàn)條件下作戰(zhàn)和訓(xùn)練的使用，必須要能方便攜帶，因此采用單節(jié)鋰電池供電，電壓為12V。

②同時(shí)為主芯片和外圍器件供電。主芯片供電電壓為3.3V，GPS供電為1.8V，發(fā)射機(jī)供電為9V，因此電源電路應(yīng)能同時(shí)輸出3.3V和1.8V、9V電壓。

③滿足低功耗需要。指示器采用電池供電，在野戰(zhàn)條件下使用，必須要能夠滿足使用的時(shí)間要求，因此指示器的功耗就要很低。

（3）電路設(shè)計(jì)

根據(jù)指示器對(duì)電源的要求，MSP430F149單片機(jī)采用Alpha公司的AS1117-3.3三端穩(wěn)壓模塊，GPS采用AS1117-1.8三端穩(wěn)壓模塊。AS1117系列芯片是常用的電壓轉(zhuǎn)換芯片，其特點(diǎn)是：外形小巧，價(jià)格便宜；電流驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，AS1117的最大輸出電流為800mA，能夠滿足指示器要求。發(fā)射機(jī)采用7809三端穩(wěn)壓模塊，電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路圖

復(fù)位電路設(shè)計(jì)

指示器復(fù)位電路的設(shè)計(jì)一定要使指示器能夠充分復(fù)位，在各種復(fù)雜情況下穩(wěn)定可靠地工作。MSP430F149有一RST復(fù)位管腳，它與不可屏蔽中斷功能管腳復(fù)用，可由軟件選擇其功能，正常情況下為復(fù)位功能。指示器采用外接芯片復(fù)位的方法，在復(fù)位腳上連接復(fù)位芯片STM811，具體電路見圖5目標(biāo)指示器核心電路中的STM811電路所示。MSP430F149單片機(jī)要求在復(fù)位管腳上獲得1.1V～1.5V的復(fù)位電壓（系統(tǒng)電源電壓為3.3V），復(fù)位電壓持續(xù)的時(shí)間最小為2µs。當(dāng)管腳RST/NMI上的電壓到達(dá)Vmin（1.1V）時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。當(dāng)電壓上升到VPOR （1.5V）后系統(tǒng)退出復(fù)位狀態(tài)。

晶振電路設(shè)計(jì)

對(duì)于一個(gè)高可靠性的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，晶體的選擇非常重要，尤其是設(shè)計(jì)帶有睡眠喚醒（往往用低電壓以求低功耗）的系統(tǒng)，這是因?yàn)榈凸╇婋妷禾峁┙o晶體的激勵(lì)功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現(xiàn)象在上電復(fù)位時(shí)并不特別明顯，原因是上電時(shí)電路有足夠的擾動(dòng)，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時(shí)，電路的擾動(dòng)要比上電時(shí)小得多，起振變得很不容易。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵(lì)（容易振到高次諧波上），也不能欠激勵(lì)（不容易起振）。

MSP430F149可接入2個(gè)外部振蕩器，一個(gè)為低速晶體振蕩器，經(jīng)過XIN和XOUT兩個(gè)引腳相連，另一個(gè)為高速晶體振蕩器，經(jīng)過XT2IN和XT2OUT兩個(gè)引腳，根據(jù)需要外接電容，范圍可以為450KHz～8MHz。

系統(tǒng)頻率的選擇與系統(tǒng)的工作電壓密切相關(guān)，需要較高的工作電壓，就需要為系統(tǒng)提供較高的頻率，系統(tǒng)頻率和工作電壓之間的關(guān)系如圖3所示。

根據(jù)系統(tǒng)頻率與工作電壓的關(guān)系，系統(tǒng)選擇了4M的晶振，晶振電路如圖4所示。

圖3 工作頻率與工作電壓關(guān)系曲線圖

圖4 晶振電路原理圖

JTAG接口電路設(shè)計(jì)

MSP430F149單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)之一是可以通過JTAG控制器實(shí)現(xiàn)程序代碼的下載，并利用它完成軟件的在線調(diào)試。JATG是一種所謂的邊界掃描技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，即IEEE1149.1，它是一種能夠?qū)π酒M(jìn)行在線測(cè)試的接口技術(shù)，JATG接口在實(shí)際應(yīng)用中只用到了少量的幾個(gè)引腳，主要包括：TDO（測(cè)試數(shù)據(jù)輸出）、TDI（測(cè)試數(shù)據(jù)輸入）、TMS（測(cè)試模式選擇）、TCK（測(cè)試時(shí)鐘輸入）、RST（復(fù)位）和TCLK/XOUT等。

圖5中的SIPL8電路接口為ProgPort可編程接口。將其與MSP430F149對(duì)應(yīng)的引腳相接，接口另一端接JTAG仿真器，就可以實(shí)現(xiàn)在線編程，向電路板上MSP430F149下載程序。

控制核心電路設(shè)計(jì)

指示器的主控電路控制信號(hào)采集電路的開始采樣及采樣結(jié)束后的數(shù)據(jù)保存與提??；作為下位機(jī)與PC機(jī)通信，負(fù)責(zé)將保存在存儲(chǔ)器中的采集數(shù)據(jù)傳遞給信號(hào)處理電路；控制信號(hào)調(diào)理電路，使調(diào)理后的信號(hào)不超過采集電路的閾值；協(xié)調(diào)其他外圍電路。

MSP430F149的P1、P2、P3、P4口可以用做普通的I/O口，它的供電系統(tǒng)由一片AS1117產(chǎn)生+3.3V提供，MSP430采用標(biāo)準(zhǔn)的4M晶振產(chǎn)生脈沖時(shí)序。

MSP430F149的P3.4、P3.5腳用于與RS232通信接口電路連接，實(shí)現(xiàn)在線編程和與計(jì)算機(jī)及其他設(shè)備的通信功能。A/D轉(zhuǎn)換器接收的模擬電壓的輸入范圍為0~+VREF 。在目標(biāo)指示器中， +VREF由外部引入+3.3V的電壓基準(zhǔn)， CREF引腳用0.1pF的電容耦合到地。其電路原理圖如圖5所示。

圖5 目標(biāo)指示器核心電路原理圖

GPS定位模塊電路設(shè)計(jì)

GPS定位模塊主要是向主控站返回目標(biāo)指示器所處的位置，包括縱坐標(biāo)、橫坐標(biāo)和高程，通過無線通信傳輸給主控站。

（1）GPS定位系統(tǒng)的特點(diǎn)

GPS即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，它由太空部分、監(jiān)控部分和用戶部分組成，GPS系統(tǒng)的特點(diǎn)具體體現(xiàn)為：①定位精度高；②觀測(cè)時(shí)間短；③可提供三維坐標(biāo)；④操作簡(jiǎn)單；⑤功能多、應(yīng)用廣；⑥全天候作業(yè)。

（2）GPS定位模塊電路實(shí)現(xiàn)

由于GPS輸出的是RS-232信號(hào)，因此，GPS模塊通過信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片MAX3232與單片機(jī)相連，實(shí)現(xiàn)RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換，電路串口連接圖如圖6所示，其中35引腳為單片機(jī)的數(shù)據(jù)接收引腳，34引腳為單片機(jī)的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳。

圖6 GPS定位模塊電路接口圖

MAX3232是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源雙RS232發(fā)送/接收器，現(xiàn)選用MAX3232的其中一路進(jìn)行發(fā)送/接收。因?yàn)镸AX232具有驅(qū)動(dòng)能力，所以不需外加驅(qū)動(dòng)電路。MAX232芯片內(nèi)部含有一個(gè)電容性電壓發(fā)生器，可將輸入的＋5V電源變換成為RS232所需的±10V電壓，所以采用此芯片接口的串行通訊系統(tǒng)只要單一的＋5V電源即可。

接口電路設(shè)計(jì)時(shí)，采用3線制（RXD、TXD、GND）軟握手方式。即將GPS接收機(jī)和單片機(jī)“發(fā)送數(shù)據(jù)線（TXD）”與“接收數(shù)據(jù)線（RXD）”交叉連接，二者的地線（GND）直接相連，其他信號(hào)線都可不用，握手信號(hào)采用軟件方法產(chǎn)生。這樣既能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的目標(biāo)，又能簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，節(jié)約成本。

MAX3232外圍需要5個(gè)電容，其中4個(gè)電容C1、C2、C3和C4是內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換所需要的電容，其取值均為1µF，另外還需1個(gè)C5為去耦電容，取值為0.1µF。

燈光顯示模塊電路設(shè)計(jì)

燈光顯示模塊用于模擬顯示各種不同類型的發(fā)光目標(biāo)，其基本任務(wù)為當(dāng)接收主控站發(fā)送來的目標(biāo)顯示命令后，單片機(jī)進(jìn)行命令處理，燈光顯示模塊能夠按指示器要求的顯示方式顯示燈光。

燈光顯示驅(qū)動(dòng)電路如圖7所示，驅(qū)動(dòng)芯片采用MC1413芯片，工作電源為12V，電路輸出電流高達(dá)500mA。

圖7 燈光顯示驅(qū)動(dòng)電路圖

煙火顯示模塊電路設(shè)計(jì)

煙火顯示模塊主要用于模擬顯示各種類型的發(fā)煙目標(biāo)，其基本任務(wù)為當(dāng)接收主控站發(fā)送來的目標(biāo)顯示命令后，單片機(jī)進(jìn)行處理命令，煙火顯示電路能夠按指示器要求的顯示方式顯示煙霧。模塊采用通用的電子點(diǎn)火發(fā)煙管進(jìn)行顯示。

煙火顯示模塊電路設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下要求：①發(fā)煙管應(yīng)能可靠穩(wěn)定的控制；②電路設(shè)計(jì)應(yīng)簡(jiǎn)單，元器件數(shù)量盡量少，盡可能利用原執(zhí)行級(jí)電路。因此，煙火顯示模塊與燈光顯示模塊采用同一驅(qū)動(dòng)電路，綜合使用。

無線通信模塊電路設(shè)計(jì)

目標(biāo)指示器對(duì)無線通信模塊的要求：①較遠(yuǎn)的通信距離，以適應(yīng)部隊(duì)野外射擊時(shí)場(chǎng)地范圍大和不同訓(xùn)練科目的要求；②較強(qiáng)的抗干擾能力；③較低的功耗，對(duì)于應(yīng)用于野外的、無固定供電電源的、只能靠電池維持系統(tǒng)運(yùn)行的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，芯片的功耗參數(shù)非常重要。

根據(jù)上述要求，指示器選擇ZT-TR43C無線數(shù)傳模塊，它是深圳振通公司推出的一款無線收發(fā)為一體的通信模塊。TR43C的技術(shù)指標(biāo)：①載波頻率433MHz，工作頻率428MHz～435MHz；②最大發(fā)射功率20mW，開闊地的最大傳輸距離為3km；③采用FSK調(diào)制，采用前向信道糾錯(cuò)編碼，抗干擾能力強(qiáng)；④有八個(gè)工作信道可供選擇；⑤傳輸速率20kbps；⑥降低噪聲放大器LNA、功率放大器PA、壓空振蕩器VCO等大部分功能集成于芯片內(nèi)，外圍電路簡(jiǎn)單，易于開發(fā)。

無線通信模塊與單片機(jī)接口TR43C提供RS232/TTL/RS485共三種接口方式，指示器采用TTL接口方式，方便與MSP430F149單片機(jī)的接口，電路接口如圖8所示。其中MSP430單片機(jī)的RXD、TXD口分別與無線模塊的TXD、RXD口相連，地線相連。

圖8 TR43C與單片機(jī)接口示意圖

無線模塊可用于組網(wǎng)，TR43C系列模塊最適合點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式，特別符合目標(biāo)指示器的需求。這種方式首先設(shè)置一個(gè)主控站，相當(dāng)于一個(gè)主機(jī)；設(shè)置多個(gè)目標(biāo)指示器，相當(dāng)于從機(jī)，主機(jī)和從機(jī)都設(shè)置地址碼。通信的協(xié)調(diào)完全由主機(jī)控制，從機(jī)接收信號(hào)后，將接收到的地址碼與本機(jī)地址碼相比較，不同則將數(shù)據(jù)完全丟掉，不作響應(yīng)；如果地址碼相同，則從機(jī)接收到數(shù)據(jù)或命令，按照命令作出響應(yīng)。

目標(biāo)指示器軟件設(shè)計(jì)

目標(biāo)指示器的軟件設(shè)計(jì)采用模塊化的設(shè)計(jì)思路。模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)為：①令復(fù)雜系統(tǒng)化大為小，化繁為簡(jiǎn)；②修改容易，便于維護(hù)；③可以提高系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)效率。

目標(biāo)指示器軟件設(shè)計(jì)的主要任務(wù)有：初始化、燈光顯示、煙火顯示、GPS定位和無線通信以及一些小任務(wù)。首先按照目標(biāo)指示器將要完成的主要任務(wù)將軟件分為幾個(gè)大的功能模塊，它們分別是初始化模塊、燈光顯示模塊、煙火顯示模塊、GPS定位模塊、無線通信模塊。在主程序中主要完成初始化模塊的工作，然后循環(huán)檢測(cè)各個(gè)功能模塊的狀態(tài)標(biāo)志，根據(jù)各種狀態(tài)標(biāo)志的指示來判斷是否進(jìn)入各個(gè)功能模塊，執(zhí)行相應(yīng)操作。如果執(zhí)行了相應(yīng)的操作，則在執(zhí)行完操作后就跳出主程序繼續(xù)往下執(zhí)行。目標(biāo)指示器軟件功能如圖9所示。

圖9 目標(biāo)指示器軟件功能框圖

目標(biāo)指示器的主程序流程如圖10所示。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，為了減輕CPU的負(fù)擔(dān)，使CPU有更多的時(shí)間來處理有用的運(yùn)算，同時(shí)為了減小電路的功率損耗，全部功能都使用中斷方式實(shí)現(xiàn)，主程序不做過多的工作。圖10中，首先對(duì)目標(biāo)指示器的各個(gè)功能模塊進(jìn)行初始化。初始化完成后，然后開中斷，CPU從低功耗模式喚醒，進(jìn)行中斷處理，中斷結(jié)束后再次返回低功耗循環(huán)。

圖10 主程序流程圖

結(jié)束語

本文基于MSP430F149單片機(jī)設(shè)計(jì)了目標(biāo)指示器，該目標(biāo)指示器工作穩(wěn)定可靠，能夠滿足系統(tǒng)要求，它具有如下特點(diǎn)：

①通過目標(biāo)歸類、燈光和煙火等的科學(xué)布局及組合控制，有效解決了野外條件下目標(biāo)設(shè)置和動(dòng)態(tài)顯示等技術(shù)問題，極大提高了部隊(duì)目標(biāo)捕捉和射擊指揮的訓(xùn)練效益。

②運(yùn)用超低功耗器件和電源關(guān)斷功能相結(jié)合，大幅度降低了系統(tǒng)的整體功耗，延長(zhǎng)了系統(tǒng)的工作時(shí)間，一次充電系統(tǒng)可連續(xù)工作30小時(shí)以上。

③采用成熟技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)等，有效解決了電源波動(dòng)等問題，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

④優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使整體結(jié)構(gòu)小巧，設(shè)置目標(biāo)靈活、方便，適合野戰(zhàn)條件下使用。