舰炮手动控制设计

崔斌

（中国电子科技集团公司第二十研究所, 西安 710068）

由于对老旧设备改造需对自动舰炮进行手动控制设计，设计是在保留原舰手动瞄具基础上进行。即，当在瞄具工作状态时，可以对舰炮进行完全操控，但该型舰炮为全自动数字接口舰炮，所以需要设计接口转换电路，进行数据转换，将控制信息发送至舰炮，同时能将舰炮的一些状态信息回告显示。

1 系统组成

手动控制主要有三部分组成：

瞄具操作手柄——原舰旧有设备，用于发送射击与方位、高低角度模拟信号；

显示控制箱——用于发送舰炮的一些基本开关信号，并能将舰炮的一些状态显示；

数据接口板——用于进行数据的模数转换、与计算机进行数据交互、控制信号的切换；其组成框图见图1。

2 详细设计

2.1 数据接口板设计

数据接口板为该系统的关键部分，其核心则采用 Altera公司的 MAXII系列的 EPM2210F256I5 CPLD芯片，该芯片功耗低、接口丰富，使用方便，是应用广泛的数字器件。其接口分为外部接口与内部接口。

外部接口共有三个部分。

（1）由舰炮送来的架位、余弹、状态等数据，该数据通过同步串口发送至显示控制箱，串口发送模块则采用 Maxim公司的 MAX3468ESA串口芯片，串行数据（RS422）为160bits的串行数据（瞄具舷角架位、瞄具仰角架位、余弹数），同步串行数据传输接口时序见图2。

传输采用的是非标准的同步串口进行数据传输，用clkout信号的低电平作为数据传输的起始标示，当clkout信号被再次至高时则开始数据传输。

图1 手动控制系统组成图

图2 同步时序图

图3 INH信号检测时序图

（2）ADC接口，由瞄具发送的方位、高低角度信号经过A/D采样后，送入CPLD。CPLD将ADC送来的14位并行数据转换为16位，低14位有效。再将16位并为32位，通过32位I/O总线传入PCI桥片。

模数转换部分则采用的是14位旋转变压器-数字转换器（RDC）用于将瞄准具发送的方位与高低角度变为数字量。该模块采用 32线双列直插金属外壳封装，体积小、重量轻、可靠性高、抗干扰能力强。CPLD通过对该芯片的INH管脚的控制，方便的进行数据的读取。当需进行数据传输时，计算机可向INH发一个逻辑低电平，从而阻止了锁存器的刷新。当INH端被置于低电平并延迟600ns后数据稳定，可读取数据，读取完毕，则释放INH，使其为高电平，刷新锁存器，时序图如图3所示。

（3）外围TTL控制电平。显示控制箱发送控制、选择等信号通过I/O口送入CPLD,CPLD再将这些信号锁存，通过引脚分别送出去。

内部接口主要由两部分组成。

（1）PCI桥片与CPLD芯片之间的I/O或存储器操作。PCI9054的本地总线端共有三总不同的本地总线接口类型，分别为：M模式、J模式、C模式，其分别适合于不同的本地总线逻辑控制端，配置模式见表 1。M 模式是针对芯片 MPC850和MPC860设计的；J模式地址线与数据线复用，严格效仿PCI总线协议，适合没有本地端主设备的情况，完全由PCI总线控制；C模式数据线与地址线分开使用，本地时钟与总线时钟异步，使用较为广泛，故本接口板设计采用的是C模式，这可以通过PCI9054的管脚MODE[1:0]来设置。

表1 PCI9054模式配置

图4 PCI从模式写时序（32位本地地址）

CPLD的任务即是在CPCI总线发起的读写操作后，对PCI9054产生的本地总线时序进行响应。即当 LHOLD（本地总线保持申请）有效后，将LHODA（本地总线保持响应）拉高作为应答，然后再根据ADS#有效时的32位本地地址和读写信号判断当前操作的目标寄存器，并将相应寄存器的数据锁存到32位本地数据总线上，写时序如图4所示。读时序与写时序类似，需将LW/R#信号置为地电平。部分代码如下：

（2）PCI桥片与EEPROM间的设备数据引导接口。PCI9054提供三个引脚EECS、EESK、EESD与EEPROM的CS、SK、DI、DO相连，EEPROM的配置连接方法如图5所示，其中EEPROM采用的是MICROCHIP公司的93AA56B。

图5 EEPROM原理图

该接口是I2C总线，EEPROM将PCI设备的配置信息通过I2C总线送入PCI桥片，PCI桥片再将该信息通过PCI总线送给CPU，实现对PCI设备的配置，配置PCI配置寄存器主要是填写生产ID号、器件ID号等，对于PCI9054这些都是固定的，可以在PCI9054数据手册中查到。本地配置寄存器的配置是对本地地址空间及本地总线属性的配置，配置要根据实际开发需要进行，配置完成后，在主机CPU要访问本地地址空间时，可能给出对应的PCI总线地址。

在计算机加电自检期间，PCI总线的RST#信号复位，PCI9054内部寄存器的默认值作为回应，PCI9054输出本地 LRESET#信号并检测串行EEPROM，若EEPROM中的前33个比特不全为1，那么PCI9054确定串行EEPROM非空，用户可以通过向9054的寄存器CNTRL的29位写1来加载EEPROM的内容到PCI9054的内部寄存器。

板卡上的切换单元则是由一组继电器组成，用于对火控台和瞄具之间的控制信号线路选通。

在接口板上，射击电路也是重点之一，出于安全性的考虑，射击电路采取三重保护措施。射击时，需要瞄具上两个击发按键同时按下时，接口板才会采集到击发信号，同时接口板CPLD会判断此时是否接收到计算机发出的射击允许命令，若无则不会产生射击信号脉冲电平，若有则产生射击脉冲。此时，只有在射击保险打开状态下，舰炮才会收到该脉冲信号。

2.2 显示控制箱设计

显示控制箱则由显示板、指示灯、开关组成，显示板用于显示舰炮的当前架位与余弹数。其原理图如6所示。

舰炮的架位、余弹、状态信息通过串口发送至显示板中 CPLD，CPLD译码后将架位、余弹显示在数码管上，状态信息则通过面板指示灯来表示。

由于该操控箱是安装在船舱外，外界条件恶劣，故对设备的防护等级和防腐性要求很高，因此本设计中操控箱体选用防护等级为 IP66的不锈钢箱体作为外机箱。其内部装一个内门、内门框、门制动器。所有操作开关及按键指示灯均安装在内门上。

图6 显示板原理示意图

3 总结

本文描述了一种用瞄具对舰炮的手动控制的设计方法，介绍硬件组成和部分软件的设计，着重描述了接口模块的设计，由于数据接口板采用了CPCI总线并使用CPLD和PCI9054作为主要功能实现芯片，利用其传输速率高的特性，使得系统满足实时性的要求。

[1] PLX Technology .PCI 9054 Data Book (Version 1.0) [K].1998

[2] 杰瑞电子有限公司. 杰瑞电子2009年产品数据手册[K].2009

[3] 夏宇闻. Verilog 数字系统设计教程[M]. 北京:北京航天航空大学出版社, 2008