一种炮射封控弹药弹载声探测系统设计*

张运兵 殷希梅

(1.陆军军官学院研究生管理大队 合肥 230031)(2.陆军军官学院弹药工程教研室 合肥 230031)

一种炮射封控弹药弹载声探测系统设计*

张运兵1殷希梅2

(1.陆军军官学院研究生管理大队 合肥 230031)(2.陆军军官学院弹药工程教研室 合肥 230031)

针对某封控弹药对目标的探测识别,设计了一种声探测系统。采用电容式声音传感器采集战场声音信息,经调理放大后运用CMX639芯片压缩编码,将数据传入系统微处理器Mega128,处理器运用采集到的信息与其他信息融合后作为判别目标类型及位置的依据,并通过无线传输将声音信息传回己方接收机。

封控弹药; 电容式声音传感器; CMX639; Mega128

Class Number TJ413

1 引言

某封控子弹是国内自主研发的基于大口径火炮的一种集信息获取、传输、接收并显示和攻击为一体的新型弹药,布撒后子弹可具有反装甲车辆、卫星定位、组网通讯、目标探测、信息回传和远程控制等功能。为完成其功能需对复杂的战场环境及目标运用多种手段探测和识别,无论是人员还是车辆(轮式、装甲)在地面行进过程中都不可避免地会产生声音,声音的大小、频谱等特征能够反映声源的运动速度、方向、位置、结构等特征,声探测即是针对此类声音的探测方式。声测系统自八十年代至今,一直受到世界各国的重视。美国在八十年代就已运用人工智能和微电子技术研制声控智能引信,并将其用于新型智能雷装备中。目前的声探测目标武器,正朝着低功耗、高智能、高精准、高威力、高可靠性发展[1]。本文主要设计一种声探测系统作为某封控弹药的其中一种探测方式。

2 系统总体设计

本系统主要由弹载模块和地面站组成,系统原理框图如图1所示。其中弹载部分主要有五个部分: 1) 电源模块; 2) 电容式声音传感器; 3) 信号调理模块; 4) CMX639编码模块; 5) Mega128微处理器单元。地面站负责接受、解码和存储数据。

3 硬件设计

3.1 芯片选择

1) 声音传感器

传声器的种类很多,声电转换原理也不完全相同。常用的声音传感器可分为碳粉式、电容式、压电式和光纤声音传感器。其中电容式的工作原理主要是利用固定电极与隔膜上的移动电极隔一个气室,而形成一个电容器,当音压变化时,隔膜移动造成电容值的变化,因而产生输出电压的变化。此类声音传感器具有较高的灵敏度、较低的自生噪声及较低的失真,设计坚固,性能优良,可抗较高过载,是比较成熟的产品,其性能满足本系统的要求。

图1 系统原理框图

2) 中央控制部件

系统采用ATMEL公司AVR系列的Mega128单片机。该单片机的内部资源十分丰富,性能可靠、功耗低、价格适中。其主要技术指标如下:

133条指令大多数可以在一个时钟周期内完成;可工作于16MHz以下频率;只需两个时钟周期的硬件乘法器;128K字节的系统内可编程Flash和4K字节的EEPROM及4K字节的内部SRAM并可扩展多达64K字节的优化的外部存储器空间;两个8位和两个16位的功能完善的定时器/计数器;8路10位ADC;两个可编程的串行USART和一个可工作于主机/从机模式的SPI串行接口;具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。Mega128丰富的外部接口方便了与无线通信模块和传感器模块的连接,且开发环境ICCAVR完全免费、开放,降低了开发成本,加上其处理功能强大、功耗低,完全满足控制系统对处理器的要求。

3.2 电路设计

1) 电源电路

本系统采用一组电压为12V左右的电池提供原始电源。由于功耗及安全的原因,远程通信模块只在需要时工作很短的时间,电源的接通和断开由CPU控制。放大电路及信号调理等电路需要5V的稳定电压,TL431是个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准电压源,其内部基准电压为2.5V。

如图2所示电路可提供5V稳定电压[2]。

图2 电压转换电路

2) 信号调理电路

如图3所示,为了简单提高放大倍数同时保证较大的输入电阻,采用了T型放大器。因本系统主要探测对象为坦克等装甲车辆,车辆行驶时的声场主要由空气动力声和机械性噪声两部分组成,其中空气动力声是其主要声源。声音信号的频率绝大多数在3000Hz以内,根据采样定理,采样频率取2ms。此频率由单片机内的定时器1控制。添加了低通滤波,不仅可以大大减少计算机存储量,还可以缩短计算时间。

图3 信号调理电路

3) 压缩编码电路

由于远距离无线传输带宽的限制,必须将数据量非常大的语音信号进行实时压缩,而单片机的有限资源首先需要对目标信息进行分析、识别,无法同时做到对语音的实时压缩处理;通过对大量语音压缩芯片的筛选,选择CMX639语音编解码芯片,它将输入、输出滤波器,编、解码电路,逻辑控制电路集成在一起,实现了单芯片语音处理的能力,外围设备简单,而且用户可以通过其管脚方便地对其编解码算法进行设置,具有强大的可选择编码算法,低功耗、低价位、小体积和开发难度低等多种优点。CMX639通过外加时钟信号或内部可编程时钟,可在8Kbp/s～128Kbp/s的数据/采样时钟速率下工作。既可通过硬件也可通过软件编程,控制其采样工作频率,具有很强的适应性,非常有利于信号的无线传输。

CMX639其各引脚功能如下:

1) Vdd:3.0V～5.0V供电电压;

2) ENCODER INPUT(7):模拟语音信号的输入管脚;

3) ENCODER OUTPUT(4):语音编码后的输出管脚,将输入的模拟信号编码成为串行数据;

4) DECODER INPUT(11):用于解码的串行数据的输入管脚;

5) DECODER OUTPUT(9):解码后的模拟语音信号输出管脚;

6) DATA ENABLE(5):数据使能端当DATA ENABLE管脚处于高电平状态时,ENCODER OUTPUT才输出编码信号;否则,ENCODER OUTPUT管脚处于高阻状态;

7) AGRITHM(13):算法选择管脚,由外部输入来决定压缩编码地算法是采用3bit或4bit算法;

8) POWERSAVE(10):功率节省管脚,当不需要进行语音编解码时,将POWERSAVE管脚置低电平,芯片处于低功耗的待机状态;

9) Xtal1/Xtal2(1/2):接外部时钟;

10) Model1/Model2(15/14):采样频率控制引脚,同为低电平时,用外部时钟工作;Model(15)为低电平,Model(14)为高电平时,采样频率为振荡器频率的16分频;Model(15)为高电平,Model(14)为低电平时,采样频率为振荡器频率的32分频;同为高电平时,采样频率为振荡器频率的64分频[3～4]。

编码接口电路如图4所示,将14、15引脚置于高电平,外部振荡器频率为1.024MHz,固采样频率为16KHz。将模拟信号采样成16Kbp/s的数字信号后通过时钟控制串行传入Mega128。

3.3 无线传输

由于子弹使用的区域地形环境复杂,遮蔽物较多,这给战场目标信息的顺利传输带来了一定的困难。因超短波在非视距条件下,只要有一定的能量,也可以通过大气折射进行超视距传输,所以本系统中采用了超短波中的VHF频段,并用MSK调制,所占用的频带较窄,所以弹上的发射天线采用柔性的鞭状天线,传送带宽为25Kbp/s。这样用宽频带的天线形式来适应窄带的调制,解决了天线的谐振点受外界的环境变化较大的问题,提高了天线的适应性。

图4 CMX639编码接口电路

图5 无线传输信号流程

信号流程图5所示。首先,通过单片机的串口从外部取得要发送的数据、指令,单片机根据所收到的指令,将数据送入基带处理单元进行基带信号处理(进行MSK调制),同时发送一个PTT低电平信号,将锁相环电路电源打开,锁相环电路根据单片机发送的数据将MSK数据调制在相应的频道上,这时锁相环工作正常后发送一个LD信号,控制功放的电源打开,信号通过放大后由天线发送回后方接收。一帧数发送结束后PTT置高,锁相环调制单元电源关闭,LD电平置低,功放电源也立即关闭。回到待机状态,以最小的工作电流待机。

3.4 接收机

接收机是用来接收发射机发射的信号,将接收的信号恢复成原始的数据信号送入信号处理机进行处理。电路主要由滤波、高放、下变频、窄带滤波、中放、鉴频,解调和控制单元组成,接受带宽为25Kbp/s。

如图6所示,信号经接收天线下来后,首先经过一个带通滤波电路,将带外的杂波信号滤除,并进行一定的放大,放大的信号进行下变频处理,将信号变到21.4MHz中频,通过一个声表滤波进行一个窄带的处理,以提高接收的灵敏度;信号再经放大后送入鉴频器进行鉴频,形成基带AF信号,AF信号经MSK解调器解调,数据最终由单片机串口送入用户信号处理机进行处理。

图6 接收机工作原理框图

3.5 硬件系统小型化、低功耗、抗干扰设计

由于本系统由火炮布撒并采用电池供电,因而采取了合理布局、减小体积、减小过孔面积和导线的线宽、线距采用集成度高、功耗低或者带有降功耗模式的小封装器件等小型化、低功耗设计。另外,本系统硬件电路设计中主要采取了如下一些抗干扰的措施:

1) 对mega128处理器,靠近电源引脚配置了去耦电容,不用的关键引脚设定为上拉电阻输入;

2) 对压缩编码电路,由于是数字信号和模拟信号共存的区域,有可能产生数字信号和模拟信号的干扰,因此布线时将数字地和模拟地分开布设,同时尽量使数字信号线和模拟信号线远离,CMX639芯片的电源线和地线之间都接入了去耦电容,防止电源公共阻抗干扰。

3) 对电源线和地线进行合理布置,同时还要进行加粗。在主干线上布放多种容值的电容,以滤除多种频率成分的开关噪声。

4 软件设计

语音的编、解码程序流程图分别如图7、8所示。

图8 语音解码程序流程图

5 实验测试

为验证系统的性能,进行了过载和无线传输性能测试。

1) 过载性能测试

为检验经过固体灌封处理后样弹的抗过载能力,在冲击试验台分别对三枚样弹进行了5000g、10000g和15000g的冲击试验。试验后将其接入放大6000倍的电路和示波器进行性能测试,其对固定目标的敏感性与试验前检测的值对比。试验显示:冲击前后频率特征无明显变化,对目标的识别正常,各硬件电路等均能正常工作。试验结果表明,系统能够承受高达15000g的冲击过载。

2) 无线传输性能测试

为检验系统对压缩编码后信息的无线传输能力,将去除战斗部的两发样弹分别置于室外道路上和院内道路旁,接收机距离两发弹的距离为1.5km和5.5km。启动系统,试验表明:当有车辆经过时均可明显接收到特定信息。

6 结语

文中基于某封控子弹设计了一种声探测系统,用于对复杂战场环境的侦察封锁,在封锁区域内出现装甲车辆等目标时将声音信息经调理、放大、压缩编码,一方面用于子弹对目标的定位及类型的判别,一方面将编码信息通过无线传输方式传回己方接收机,为指挥员决策提供依据。经试验证明能够正常工作。

[1] 许可喜.被动声探测若干关键技术研究[D].南京:南京理工大学,2005.

[2] 刘爱国.TL431在开关电源中的应用[J].科技信息,2012(27):124.

[3] 熊本刚.低成本、适合无线通信的语音编码芯片—CMX639[J].世界电子元器件,2003(8):43-44.

[4] 孙继平,吴冰.基于增量调制的CMX639及其应用[J].辽宁工程技术大学学报,2003(10):667-669.

Design of Voice Detect System of Artillery Ammunition of Blockade and Control

ZHANG Yunbing1YIN Ximei2

(1. Graduate Management Unit, Army Officer Academy, Hefei 230031) (2. Ammunition Engineering Staff Room, Army Officer Academy, Hefei 230031)

Aiming at detection and identification of a Artillery Ammunition, a Voice detect system is designed. It adopts an capacitance voice sensor to collect battlefield information. After recuperating and amplifying CMX639 chip is used to compress code to stream the data into system microprocessor Mega128. The processor uses collected information blend with other informations as distinguish basis of target type and position, and sends back the information through wireless transmission.

ammunition of blockade and control, capacitance voice sensor, CMX639, Mega128

2014年5月3日,

2014年6月23日 作者简介:张运兵,男,硕士研究生,研究方向:信息化弹药弹载电路。殷希梅,女,副教授,研究方向:信息化弹药弹载电路。

TJ413

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.048