基于AT89S52的时统控制电路设计

范航

摘要：在兵器靶场的实验测试中，是否能够准确控制火箭弹战斗部的起爆时间，即能否实现火箭弹在最佳位置起爆是评价近炸引信性能优劣的关键标准，因此需要设计出一套炮弹炸点高度测试系统来进行相关测试。针对这一情况，文章提出了基于GPS授时模块的时统控制电路的设计方案，设计了基于AT89S52单片机的时统模块控制电路、时间显示电路以及单片机控制程序，实现了同步记录起拍时间和实时显示的功能，同步精度可以达到微秒量级。

Abstract： In the test of weapons range， whether it can accurately control the initiation time of rocket warhead， whether it can achieve the best position in the initiation of rocket fuse is the key criterion to evaluate the performance of the fuse， therefore it needs to design a set of shellburst height measuring system to carry out the relevant tests. In view of this situation， this paper puts forward design scheme of time series control circuit based on the GPS timing module， designs time series module control circuit， time display circuit and single chip microcomputer control program with AT89S52 microcontroller， to realize the synchronous record of time and real-time display function， and synchronization precision can reach microsecond level.

关键词：引信；授时；AT89S52单片机；时统电路

Key words： fuse；time service；AT89S52 microcontroller；unique-time circuit

中图分类号：TN108.7 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2016）32-0123-02

0 引言

引信[1]是火箭弹或导弹系统的重要组成部分。火箭弹或导弹的飞行末端探测目标后以一定规则适时起爆战斗部，这些功能都要靠引信来实现。引信性能的好坏将直接关系到武器系统的综合性能的优劣。各种各样探测原理的近炸引信随着现代科学技术的飞速发展得到了普遍的应用。本文所设计的测试系统可以对炮弹炸点的位置进行非接触式测量，从而消除了测量时的危险因素，使得安全性大大的提高。运用该测试系统可以测试近炸引信性能，检测该引信能否按设定的时间引爆炸弹，起爆点定位是否精确等等，以此判断被引爆的炮弹是否发挥了最大威力。

1 时统模块电路总体设计

时统模块电路主要由GPS-0EM模块、时统控制电路和CPLD电路组成，控制原理见图1。在图1所示的电路结构中，GPS模块向时统控制电路提供GPS时间信息，通过接口电路向单片机发送时间数据，单片机在接收秒级时间信息后开始对CPLD电路进行实时控制。在发送时间数据的过程中，GPS模块同时会对本地时钟电路发送一个控制CPLD逻辑电路启动的脉冲信号，该电路模块接收控制后，开始以微秒为单位进行计数，当计数溢出时，指示灯电路就会响应CPLD逻辑电路的控制信号开始向单片机发送溢出信号，此后单片机进行秒级时间的递增，由此来实现微秒级时钟的功能。触发信号时，隔离电路将其发送到CPLD逻辑电路中，通过逻辑电路向单片机输入该微秒级时间数据。与此同时，相机驱动电路控制高速摄像机进行拍摄。最后，单片机通过专用串口将所有时间数据传输至PC机，使PC机自动记录相机起拍时间。

RS-232串口接口电路、单片机控制电路以及电平转换电路是时统控制电路中最主要的组成部分。该电路控制模块主要通过与本地时钟电路及PC机的数据交换来实现对本地的时钟电路的控制。另外，本地时钟电路又由工作指示灯电路、输入隔离电路、晶振电路和相机驱动电路等构成。指示灯电路的作用是当触发信号发生时，指示灯由暗变亮，以此表示此时单片机已经开始读取数据。另外输入隔离电路则主要由6N137构成，该电路向处理器发出外部触发信号，启动单片机对本地时钟电路中的计数器数据进行读取。晶振电路为CPLD电路提供必须的工作脉冲。相机驱动电路用于控制相机在接收到触发信号的同时进行拍摄。

时统模块电路硬件设计：

如图2所示，时统控制电路主要由单片机和一些外围转换芯片构成，它可以接收GPS模块信息、控制本地时钟电路计数、相机启动和计算机通信等功能。

下面将对各个组成部分进行一一地介绍。

LM1117-3.0芯片主要用来实现电源转化的功能，该芯片将5V电压转换成GPS模块所需要的3V额定电压，即为GPS模块保证正常的工作电压。

由于GPS模块输出的是3V的工作信号，而AT89S52单片机只能接收5V的工作信号，因此GPS模块和AT89S52单片机之间必须进行电平转换。本文主要采用装有74LVC4225芯片的转换电路，该芯片是典型的双电源供电的双向收发器。它通过DIR管脚控制传输方向，实现GPS模块输出的3V信号向5V信号转换的功能，从而保证了处理器对时间数据的接收。在本时统控制电路中，74LVC4225芯片通过管脚OE和管脚DIR控制信号的转换方向，当管脚OE和管脚DIR同时为低电平时，GPS模块的输出信号发送到AT89S52单片机，当管脚OE为低电平且管脚DIR为高电平时，AT89S52单片机向GPS模块输出控制信号。

出产于Atmel公司的AT89S52单片机[2]系一款高性能、低功耗、CMOS 8位增强型高档微控制器。它装配了时下比较先进的通用型8位中央处理和ISP FLASH存储单元，8 KB ISP（In-system programmable）的支持反复擦写1000次的FLASH只读程序存储器，片上FLASH允许程序存储器支持编程功能，并且也能识别常规编辑器的编程指令。该单片机基于高密度、非易失性存储技术制造而成，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。单芯片装配了8位CPU和在系统可编程FLASH，充分满足了嵌入式控制应用系统的使用要求。

从AT89S52单片机发出的TTL电平信号通过MAX232芯片转换成PC机可识别的RS-232电平信号。复位电路可实现单片机上电复位，晶振电路也能为该单片机提供工作脉冲信号。

GPS 模块发出的秒级以上的时间数据全部由时统控制电路接收。除此以外，在外部触发信号发生的工况下，该电路也可以接收本地时钟电路中所记录的秒级以下的时间数据并进行数据处理，然后利用专用串口将处理后的时间数据传输给PC机，通过PC机记录下相机的起拍时间。

2 软件设计

本文中时统控制电路的软件由初始化模块、数据读取模块、数据发送模块、GPS时间接收模块和溢出信号处理模块五大模块组成。

KeilC51软件为全Windows界面，可以提供多种多样的库函数以及功能十分强大的集成开发调试工具。KeilC51能够以非常高的效率来生成目标代码，大多情况下，由该软件编写的语句生成的汇编代码非常紧凑，并且很容易理解。在开发大型软件的情况下，更能体现出高级语言的优势。与汇编相比，C语言无论是在功能上、结构性还是可读性和可维护性上都有非常明显的优势，所以易学易用。本文正是基于以上优点，进行了软件方面的相关设计和程序的编写，最终完成了整个系统的装调与测试。

3 实验结果与分析

为了验证时统系统的精确性，本文采用由高速DSP TMS320F28芯片做成的高精度时统系统作为标准时间。将触发信号同时接入到本实验电路中和TMS320F28时统系统中，然后同时记录触发信号的时间。实验过程如图3所示。

为了减小相对误差，给出多次触发信号，分别记录各次误差信号的时间，求出相邻两次触发时间的间隔。然后对比标准时统系统和设计时统系统，就能得出所设计系统的同步误差值。如表1所示。

由表中数据知在5次测量后所得的同步误差的平均值为0.056s，基本符合设计要求。

4 总结

随着现代兵器技术的日益发展，在靶场测试实验中，时统设备成为其中的重要组成部分。本文从引信优劣判断的需求出发，针对近地炸点高度测试技术进行了相关研究，提出一种时间统一模块设计方法，在以单片机为控制核心基础上，采用CPLD技术与GPS技术相结合的授时方式进行设计。保证了测试设备具有相同的起始工作时间，完成了图像异地同步采集电路的设计。

参考文献：

[1]张斌.GPS定位原理及其在引信中的应用研究[J].现代引信，1997（1）：27-30.

[2]闻新，刘宝忠，林闻晓.MCS-51与GPS-OEM板串行通信技术及实现[J].全球定位系统，2006，31（4）：14-17.

[3]欧阳文.ATM89系列单片机的原理与开发实践[M].北京：中国电力出版社，2007.

[4]刘守义.单片机应用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2002.