基于TRF6900芯片的紅外線矩陣坐標(biāo)式自動報靶裝置
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(zhǔn)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(biāo)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(jī)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(biāo)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(biāo)靶實現(xiàn)了彈著點的坐標(biāo)定位。坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)出彈著點的位置。顯示部分亦可由便攜式個人計算機(jī)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(qiáng)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(jī)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(qiáng)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(jī)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(dāng)TRF6900接收的信號較強(qiáng)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(bǔ)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(qiáng)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(jī)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(dāng)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(fù)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(fù)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(kuò)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(dāng)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(bǔ)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(jìn)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(jìn)行切換就可以實現(xiàn)跳頻。TRF6900最高可達(dá)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(jìn)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(jìn)行通信。TRF6900由控制字C在DDS和FSK之間選擇。當(dāng)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(jìn)行設(shè)置。如圖5所示。
2 報靶裝置技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計方案
2.1 技術(shù)指標(biāo)
(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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(jìn)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(biāo)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(biāo)靶及傳感器
2．3．1 紅外線矩陣坐標(biāo)靶
紅外線矩陣坐標(biāo)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(dāng)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(biāo)位置。
2．3．2 坐標(biāo)傳感器
X方向和Y方向坐標(biāo)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(biāo)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(biāo)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(jī)，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(biāo)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(jī)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(jī)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(biāo)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。
下載文檔
