某型飞机武器模拟训练系统电动投弹器设计

鲍学良， 范惠林＊， 梁 伟， 邸 斐

（1.空军航空大学 航空军械工程系，吉林 长春 130022；2.空军航空大学 图书馆，吉林 长春 130022）

0 引 言

为加速战斗力的提升，解决飞机武器系统日常维护和使用训练中的矛盾，目前，各国普遍采用的做法是利用现代仿真技术开发相应的模拟训练系统，以较低的成本和较高的仿真度来满足武器系统的训练需求[1－2]。某型飞机武器模拟训练系统就是针对部队在武器系统训练时单纯依靠实装，武器系统维护与使用训练矛盾突显的问题而设计的一个可反复进行综合保障训练的操作平台，可提高人员武器系统训练效率，增强人员武器系统的综合使用和保障能力[3]。

某型飞机武器系统包括轰炸系统、制导系统和射击系统，其信息交联实时性高、接口控制复杂。其中，轰炸系统是武器系统的主要部分，它由轰炸瞄准具、多制式轰炸系统、投弹操纵系统、控制面板、电动投弹器、投弹控制盒、弹舱门收放执行机构和挂弹设备等组成。而电动投弹器又是飞机武器投弹操纵系统的重要部件，根据轰炸任务产生不同种类、不同时间间隔的投弹脉冲，与投弹控制盒共同控制投弹脉冲向挂弹设备的传送。

实装电动投弹器设计复杂、成本高，在武器模拟训练系统采用实装性价比低，提高了模拟系统成本，因此，在武器模拟训练系统中采用模拟电动投弹器用来产生投弹脉冲信号，控制步进电机指示弹量，并向主控机发送投弹脉冲，控制模拟弹架上炸弹的投放。

1 总体设计

轰炸系统在投弹训练时通常是根据轰炸任务按一定的时间间隔投下炸弹的，所以，模拟电动投弹器应能够发出具有准确时间间隔的投弹脉冲，主要需要完成如下功能：

1）根据不同的投弹控制方案，模拟投弹器要能够输送1～80次投弹脉冲，其时间间隔在0.04～10.0s范围变化；

2）接收操纵系统模拟量和开关量信号的输入；

3）可以模拟弹量指示针转动和电动投弹器上指示灯指示功能；

4）当主控机发来投弹信号时才产生投弹脉冲，其它时间不工作。

模拟投弹器原理如图1所示。

图1 模拟投弹器原理图

工作时，脉冲发生器首先接收主控机发来的投弹信号进入工作状态，然后接收控制面板上的单枚／双枚转换、单投／连续转换信号确定投弹方式，接收地速、km／m转换信号查表确定投弹时间间隔，产生投弹脉冲，投弹脉冲一路送往主控机，控制模拟弹舱内炸弹的投放，另一路送往脉冲分配电路，分配后的脉冲信号经驱动电路进行放大，驱动步进电机转动，步进电机带动弹量指针指示弹量，当弹量指针不在零位时，模拟投弹器工作指示灯亮，当弹量指针转到零位时，模拟投弹器工作指示灯熄灭。

2 器件的选取

2.1 单片机的选取

脉冲产生电路可以通过设计硬件电路直接产生脉冲，也可以用单片机产生，使用硬件电路直接产生的灵活性较差，不能满足模拟电动投弹器的前两个要求，而单片机通过编程可以很容易实现对产生脉冲的灵活控制。因此，选用单片机设计脉冲产生电路。训练系统在运行时要处理的信号有开关量信号、模拟量信号和控制信号，要求单片机能接收开关量和模拟量信号，具有模拟量数据采集功能，以及大容量的存储器，能够产生时间间隔在0.04～10.0s的脉冲信号，并与主控机实现通信。

在选型时，主要考虑开发难度和片上集成功能两个因素。综合多种开发要求，结合目前条件，选用AVR系列单片机ATMEGA16来设计脉冲产生电路，它是ATMEL公司结合了成熟的51系列和PIC系列单片机的优点而推出的高性能8位CMOS微控制器，数据吞吐率高，内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，支持片内调试与编程，有起始条件检测器的通用串行接口，8路、10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC[4－5]。

2.2 步进电机的选取

步进电机分为永磁式步进电机（PM）、反应式步进电机（VR）和相混合式步进电机（HB）。步进电机分辨率

相数P越多，分辨率PA越高。转速变化率

速度变化值Δωm越小，速度变化率VF越小。相对而言，HB型电机的Δωm比PM的要小[6－8]。文中选用时主要考虑分辨率，根据电动投弹器原理设计，要求步进电机的最大转速不低于17r／min，电机升速时间不大于20ms，最大切削力不小于4N，步距角为3.75°，其余变量使用所选电机的参数，所以选用130BYG3502三相混合式步进电机。

3 电路设计

3.1 脉冲发生器电路

脉冲发生器电路如图2所示。

图2 脉冲发生器电路

ATMEGA16单片机的PB0～PB4作为开关量信号的输入口，ADC0作为模拟量信号的输入口。PB0，PB1和PB2接收K1，K2和K3的模拟产生的单投／连投、单枚／双枚和km／m转换等开关量信号，PB3接收弹量指示是否为零的信号，PB4接收主控机产生的投弹信号，PD0输出投弹脉冲。

当PB4收到投弹信号后，单片机PB0和PB1接收单投／连投和单枚／双枚转换信号，从单次单脉冲、单次双脉冲、连续单脉冲和连续双脉冲中选择一种脉冲产生方式，根据PB2接收到的km／m转换信号和ADC0接收到的地速信号计算脉冲时间间隔，由芯片脉冲产生程序控制产生投弹脉冲，经PD0输出。

电源采用＋12V直流，ATMEGA16振荡源采用外部晶振（频率为12MHz），地速通过ADC0口的输入电压来模拟，单片机A／D端输入电压的范围为0～5V。所以只需在ADC0端输入在0～5V范围内变化的电压即可模拟不同的地速，通过R8和Ra～Rn来控制输入电压，ADC0输入电压值的计算公式为：

其中，Rx为Ra～Rn中某一值，u为5V电压，根据式（1）和km／m转换开关信号列出脉冲时间间隔，供编程使用。

步进电机的升速时间不大于20ms，产生脉冲的脉宽d定为40ms，根据式（2）记算脉冲周期T，用于编程产生投弹脉冲，其中，x为脉冲时间间隔。

3.2 脉冲分配电路

为节省单片机资源，产生的投弹脉冲没在芯片内进行分配，而是经一路I／O口输出。所以还需要对脉冲进行分配才能实现对三相步进电机的驱动。采用8713芯片实现脉冲分配功能，8713有16个引脚。

脉冲分配电路如图3所示。

8713的脉冲输入引脚3脚接单片机的PD0引脚；在步进电机转动过程中，模拟训练系统只要求步进电机反方向转动，不需要变换转向，所以4脚接地；步进电机工作方式为双三拍，所以工作方式选择端5，6脚接地；130BYG3502步进电机为三相，所以7脚接地；13，12，11为三相输出时的脉冲输出端，分别接步进电机的A相、B相和C相驱动输入端PA，PB和PC。

图3 脉冲分配电路

3.3 驱动电路

从8713输出的脉冲功率仅为5V／（20mA），步进电机最大输出功率为12V／（54mA），需要设计驱动电路来将脉冲进行功率放大，驱动电路如图4所示。

图4 驱动电路

当投弹脉冲信号PA，PB和PC为低电平时，三极管截止，光耦输入端截止，驱动电路不工作，当PA，PB和PC中按照步进顺序出现高电平时，三极管交替导通，光耦输入端导通，脉冲经过TIP142实现功率放大，带动步进电机正常转动，图中电阻R1～R7为限流电阻，取2kΩ，TIP142为ULN2803A功率管，在相绕组中串接阻值为220Ω的电阻R8，R9和R10，一方面减小了绕组回路的时间常数，同时又对低频和静止工作时的电流进行限制。

4 结 语

分析了飞机武器模拟训练系统中电动投弹器的功能需求和工作原理，设计了合理的脉冲发生器电路、脉冲分配电路和驱动电路。在此基础上，

根据实际情况采用单片机和步进电机模拟完全实现实装电动投弹器的功能，模拟产生的投弹脉冲符合实际标准，并能控制步进电机指示弹量和向主控机发送投弹脉冲，完成控制模拟训练系统中弹架上炸弹的投放。通过实验检验所设计的模拟电动投弹器的各项指标达到要求，同时降低了武器模拟训练系统的成本，对不同飞机武器模拟训练系统中的投弹脉冲电路设计具有一定的理论和实际意义。

[1]张翔.某型地空导弹模拟训练系统的设计与实现[D]：[硕士学位论文].长沙：国防科学技术大学，2008.

[2]Li Ning Gong，Guang Hong，Peng Xiao Yuan.Research on C4Isimulation in distributed simulation system[J].The Fifth Symposium of Instrumentation and Control Technology SPIE Proceeding，2003，5253：848－852.

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[4]王乾发，齐宇岚，于浩.基于AVR单片机的液晶显示系统的设计[J].苏州市职业大学学报，2008（2）：96－99.

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