0 引 言
實彈射擊訓(xùn)練的報靶方式由人工改為自動方式,自電子技術(shù)應(yīng)用以來,一直都是軍警相關(guān)部門的研究課題。自動報靶裝置的優(yōu)點和預(yù)期效益是不言而喻的。目前的各種自動報靶產(chǎn)品還不能令人滿意,如何實時、精準地獲得子彈穿過靶面時的位置信息是其關(guān)鍵技術(shù),其中以坐標點位置(X,Y)信息最為理想?,F(xiàn)在半導(dǎo)體激光技術(shù)做到光束直徑φ3 mm以下的器件已是非常普遍,一對這樣的激光收發(fā)器十分便宜,用200多對構(gòu)成50 cm×50 cm的激光束矩陣靶面并不昂貴。成熟的集成電路、計算機和通信等技術(shù)的應(yīng)用,更能為各種實彈射擊訓(xùn)練模式提供即時快捷、直觀以及智能化控制的自動報靶系統(tǒng)。
l 系統(tǒng)工作原理
1.1 系統(tǒng)框圖
紅外線矩陣坐標式自動報靶裝置由報靶系統(tǒng)和顯示系統(tǒng)組成,系統(tǒng)方框圖如圖1所示。
在報靶系統(tǒng)中,矩陣式坐標靶實現(xiàn)了彈著點的坐標定位。坐標傳感器輸出對應(yīng)于彈著點位置的電壓信號,微控制器完成對坐標信號的采樣、保持、A/D轉(zhuǎn)換,并計算出實際彈著點的X-Y坐標值,最后由TRF6900芯片無線發(fā)射到一定距離以外的接收端。
在顯示系統(tǒng)中,對接收到的無線載波信號經(jīng)過解調(diào)處理存儲,在微控制器的控制下,在點陣式液晶顯示屏呈現(xiàn)胸環(huán)靶圖案并標出彈著點的位置。顯示部分亦可由便攜式個人計算機完成,處理功能更多,使系統(tǒng)更加完善。
1.2 TRF6900芯片介紹
本裝置無線收發(fā)采用射頻無線,收發(fā)芯片TRF6900,該芯片是TI公司最新推出的單片無線收發(fā)一體芯片,它在一個器件上包括了高頻發(fā)射、高頻接收、 PLL合成、FSK調(diào)制解調(diào)、FM調(diào)制解調(diào)、直接數(shù)字頻率合成(DDS)、接收信號強度指示(RSSI)等多種功能。
TRF6900使用ISM頻段,無需申請,而且采用低發(fā)射功率和高接收靈敏度,設(shè)備之間干擾小,可廣泛應(yīng)用于無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、無線監(jiān)控系統(tǒng)、智能卡、設(shè)備遙控場合,應(yīng)用前景十分廣闊。
TRF6900主要性能如下:
(1)工作頻率為868~870 MHz(西歐)/902~928 MHz(北美);
(2)有效數(shù)據(jù)傳輸距離為1 000 m;
(3)典型輸出功率為4.5 dBm;
(4)典型輸出信號頻差為230 Hz;
(5)工作電壓為2.2~3.6 V;
(6)待機電流為5μA,工作電流為50 mA;
(7)內(nèi)置2個可編程模式。
TRF6900內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。
TRF6900內(nèi)部電路可分為發(fā)射模塊和接收模塊。接收模塊包括低噪音放大器、混頻器、中放、FM/FSK解調(diào)器、接收信號強度指示和低通濾波放大器等幾部分。發(fā)射模塊包括串行控制接口、直接數(shù)字頻率生成器、壓控振蕩器、鎖相環(huán)等幾部分。
1.3 TRF6900工作原理
1.3.1 接收機工作原理
從天線接收到信號由LNA IN引入TRF6900,首先經(jīng)過低噪音放大器。低噪音放大器可提供13 dB的增益。低噪音放大器有正常模式和低增益模式兩種模式。當TRF6900接收的信號較強時,應(yīng)該選擇低增益模式,這樣可以最大程度地減少信號非線性失真。放大后的信號被送入混頻器,混頻器將信號變頻到中頻,再通過第一和第二級中頻放大。第一級中頻放大可獲得7 dB的增益,用以補償濾波器帶來的損耗;第二級中頻放大包括多個放大器,總共可獲得80 dB的增益。經(jīng)過兩級放大后的信號,如果采用的是FM/FSK調(diào)制方式就被送入FM/FSK解調(diào)器,解調(diào)出數(shù)據(jù)信號從DATA OUT引出。如果是頻移鍵控(ASK)或開關(guān)鍵控(OOK)則送入接收信號強度指示器(RSSI)解調(diào),解調(diào)后的基帶數(shù)據(jù)由RSSIOUT輸出。
1.3.2 發(fā)射機工作原理
數(shù)字基帶信號從TX DATA引入TRF6900片內(nèi),經(jīng)過直接數(shù)字頻率合成器(DDS)調(diào)制到中頻,再通過鎖相環(huán)(PLL)倍頻到射頻,最后通過功率放大器放大信號后,由PA OUT導(dǎo)出射頻信號,通過天線發(fā)射出去。
1.3.3 串行控制接口工作原理
串行控制接口包括CLOCK,DATA,STOBE三部分,控制著TRF6900內(nèi)部所有的寄存器,包括DDS參數(shù)設(shè)定寄存器和其他的控制寄存器。在 CLOCK的每一個上升沿,DATA管腳的邏輯值送入24-bit的移位寄存器,當STOBE電平被抬高時,設(shè)定的參數(shù)被送入選定的鎖存器。
TRF6900有4個可編程的24 b控制字(A,B,C,D);
控制字A和B分別控制DDS模式0和模式1狀態(tài)下輸出信號頻率。
控制字C負責(zé)鎖相環(huán)和DDS模式O的設(shè)定。
空制數(shù)據(jù)控制字D負責(zé)調(diào)制和DDS模式1的設(shè)定。
1.3.4 直接數(shù)字頻率合成器(DDS)的工作原理
直接數(shù)字頻率合成器是基于數(shù)字域,直接產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波。它具有頻率范圍寬,頻率分辨率高,可用軟件方便地控制輸出頻率、頻率切換速度快且切換頻率時相位保持連續(xù)等優(yōu)點,從而在線性調(diào)頻、擴頻和跳頻系統(tǒng)、多普勒響應(yīng)模擬等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但DDS由于受參考頻率的限制,輸出頻率通常較低,一般為 100~400 MHz,而這一頻段的頻率資源相當緊張。如果直接采用DDS產(chǎn)生射頻信號,將會對DDS的實際應(yīng)用造成很大限制。所以在實際應(yīng)用中往往是采用 DDS/PLL混合方式,該方法將DDS輸出的中頻信號作為PLL倍頻器的參考頻率,利用PLL將信號變換到所需的頻率。這種方式既保留了DDS的頻率分辨率高和頻率切換速度快的特性,又彌補了DDS輸出頻率較低的不足,從而得到廣泛的應(yīng)用。TRF6900也是采用DDS/PLL這種方式。
TRF6900的直接數(shù)字頻率合成器包括一個24 b的相位累加器.相位碼一幅度碼轉(zhuǎn)換表,ll b的數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換(DAc)和低通濾波器(LPF)。相位累加器在時鐘的觸發(fā)下,對頻率控制字進行累加,相位累加器輸出的相位序列作為地址來尋址正弦檢索表,得到正弦波的離散幅度數(shù)字即抽樣數(shù)字信號。DAC再將抽樣的數(shù)字信號恢復(fù)為模擬信號,最后通過一個低通濾波濾得到基波分量。
24 b的累加器可通過TRF6900內(nèi)部的兩個22 b的控制寄存器控制。DDS結(jié)構(gòu)如圖3所示。
如圖4所示,控制字A和控制字B的高兩位為0,因此最大的比特權(quán)重為1/8。
式中:DDS_x為控制字A或B的值。參考頻率fref就是DDS的取樣頻率,它從根本上決定著DDS的輸出頻率和頻偏。TRF6900采用的參考頻率為15~26 MHz。由上式可得,DDs的最大輸出頻率為90~156 MHz,最小頻偏為21~37 Hz。
TRF6900的控制字A確定模式0對應(yīng)的頻率,控制字B確定模式1所對應(yīng)的頻率,DDS可以在模式0和模式1之間快速切換,從而可以實現(xiàn)輸出頻率由一個頻率跳變到另一個頻率,而這一切都由軟件實現(xiàn)。所以只需給控制字A和控制字B賦相應(yīng)的值,并在兩個模式之間進行切換就可以實現(xiàn)跳頻。TRF6900最高可達1 360跳/s,每一跳最多可攜帶22 b數(shù)據(jù),因此,TRF6900的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為30 Kb/s。TRF6900采用跳頻的調(diào)制方式,極大地增加了通信的抗干擾能力。這一特點為在惡劣環(huán)境下進行數(shù)據(jù)傳輸,保證傳輸質(zhì)量提供了很大的保障。
TRF6900可以選擇傳統(tǒng)的FSK調(diào)制,方便了與現(xiàn)有設(shè)備進行通信。TRF6900由控制字C在DDS和FSK之間選擇。當TRF6900選擇FSK調(diào)制時,空號與傳號的輸出頻率完全由控制字D確定,可以用軟件方便地進行設(shè)置。如圖5所示。
2 報靶裝置技術(shù)指標及設(shè)計方案
2.1 技術(shù)指標
(1)子彈參數(shù)
步槍彈頭直徑ψ=8.2 mm,有效長度L=18 mm,出口速度為700 m/s,連發(fā)速度為600~900發(fā)/s。
手槍彈頭直徑ψ=8.2 mm,有效長度L=12 mm,出口速度為500 m/s。
(2)坐標靶面定位區(qū)為500 mm×500 mm,分辨率為5 mm。
2.2 總體方案設(shè)計
(1)靶子部分的系統(tǒng)原理如圖6所示。
子彈射中坐標靶面,阻擋了垂直、水平的紅外激光光速,從而檢測出彈著點的坐標位置,通過傳感器輸出響應(yīng)的模擬脈沖信號電壓,X(VX1,VX2)和Y(VY1,VY2),脈沖電壓寬度等于子彈穿過靶面的瞬間時間,與此同時進行四路同時采樣并保持,供A/D轉(zhuǎn)換。
經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)按照前面給出的公式計算坐標值(X,Y),再經(jīng)過編碼處理,形成串行代碼,這里采用簡單的脈沖幅度調(diào)制,然后通過無線發(fā)射,完成數(shù)據(jù)的傳遞。
(2)顯示部分由無線接收、解調(diào)、糾錯處理、存儲,最后把彈著點顯示在以胸環(huán)靶為背景圖案的點陣式液晶顯示屏上。另外,顯示部分還完成其他附加的必要功能。如果采用筆記本電腦作為顯示器,其實現(xiàn)的功能更多,使系統(tǒng)更加完善。
2.3 紅外線矩陣坐標靶及傳感器
2.3.1 紅外線矩陣坐標靶
紅外線矩陣坐標靶如圖7所示。
圖7中,上面和右側(cè)是激光發(fā)射二極管,下面和左側(cè)是由光電二極管控制的光電開關(guān)。在設(shè)計上,使得光電開關(guān)在有光束照射時斷開,無光束照射時閉合。相鄰光束之間的距離為5 mm,小于彈頭的直徑ψ=8.2mm,當彈頭垂直穿過靶面時,水平和垂直方向上都至少有一條光束被阻斷,設(shè)相應(yīng)被阻斷光束的光電開關(guān)為X1,Y1,則開關(guān) X1,Y1閉合,而其余開關(guān)仍斷開。(X1,Y1)就表示了彈著點的坐標位置。
2.3.2 坐標傳感器
X方向和Y方向坐標傳感器完全相同,是由光電開關(guān)與電阻組成的網(wǎng)絡(luò)。如圖8所示。
圖8中Ko,K1,K-1,…,Kn為光電開關(guān),R0,R1,R-1,…,Rn為定位電阻,阻值相同,R。為取樣電阻,在無子彈穿過靶面時,V1=V2=0 V;彈頭穿過靶面時,V1,V2都有電壓信號輸出。X和Y兩坐標傳感器分別輸出(VX1,VX2)和(VY1,VY2),根據(jù)電路原理,子彈中靶的坐標點 (XI,YJ)由下列公式給出:
2.4 硬件電路設(shè)計方案
系統(tǒng)微控制器采用8098單片機,它含有四路10位A/D轉(zhuǎn)換器。該控制電路的輸入信號來自坐標傳感器,由8098完成A/D轉(zhuǎn)換、存儲、計算、編碼、輸出串行脈沖碼至無線發(fā)射模塊TRF96001。顯示控制單元由單片機8751、點陣式液晶顯示專用的大規(guī)模集成電路T6963及液晶顯示屏(LCD 256×128點陣)組成。
2.5 軟件部分
軟件也是分為兩部分,并且實現(xiàn)兩機的異步串行通信,軟件比較復(fù)雜,限于篇幅,在此不再贅述。
3 結(jié) 語
本文介紹的是一個靶位的自動報靶器,功能單一,使用靈活方便。如果在專門靶場,可以組成由中心控制的多靶位組網(wǎng)的智能報靶系統(tǒng)。具體技術(shù)方面,由于子彈穿過靶面的時間很短(20μs左右),故采用掃描方式解決101×101矩陣坐標不現(xiàn)實,而本系統(tǒng)采取的方法具有創(chuàng)新性。子彈穿過靶面形成的電脈沖信號和采樣脈沖的同步問題至關(guān)重要,已在實際中得到解決。