0 引 言
實(shí)彈射擊訓(xùn)練的報(bào)靶方式由人工改為自動(dòng)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(dòng)報(bào)靶裝置的優(yōu)點(diǎn)和預(yù)期效益是不言而喻的。目前的各種自動(dòng)報(bào)靶產(chǎn)品還不能令人滿意,，如何實(shí)時(shí),、精準(zhǔn)地獲得子彈穿過靶面時(shí)的位置信息是其關(guān)鍵技術(shù)，其中以坐標(biāo)點(diǎn)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(duì)這樣的激光收發(fā)器十分便宜，用200多對(duì)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(jì)算機(jī)和通信等技術(shù)的應(yīng)用，更能為各種實(shí)彈射擊訓(xùn)練模式提供即時(shí)快捷,、直觀以及智能化控制的自動(dòng)報(bào)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(dòng)報(bào)靶裝置由報(bào)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(bào)靶系統(tǒng)中，矩陣式坐標(biāo)靶實(shí)現(xiàn)了彈著點(diǎn)的坐標(biāo)定位,。坐標(biāo)傳感器輸出對(duì)應(yīng)于彈著點(diǎn)位置的電壓信號(hào),，微控制器完成對(duì)坐標(biāo)信號(hào)的采樣、保持,、A／D轉(zhuǎn)換,，并計(jì)算出實(shí)際彈著點(diǎn)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(duì)接收到的無線載波信號(hào)經(jīng)過解調(diào)處理存儲(chǔ),，在微控制器的控制下,，在點(diǎn)陣式液晶顯示屏呈現(xiàn)胸環(huán)靶圖案并標(biāo)出彈著點(diǎn)的位置。顯示部分亦可由便攜式個(gè)人計(jì)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(gè)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(hào)強(qiáng)度指示(RSSI)等多種功能,。
TRF6900使用ISM頻段，無需申請(qǐng),，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(chǎng)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(hào)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(gè)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(hào)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(hào)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(hào)較強(qiáng)時(shí),，應(yīng)該選擇低增益模式，這樣可以最大程度地減少信號(hào)非線性失真,。放大后的信號(hào)被送入混頻器,，混頻器將信號(hào)變頻到中頻，再通過第一和第二級(jí)中頻放大,。第一級(jí)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(jí)中頻放大包括多個(gè)放大器，總共可獲得80 dB的增益,。經(jīng)過兩級(jí)放大后的信號(hào),，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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)后,，由PA OUT導(dǎo)出射頻信號(hào),，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(gè)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(shí),，設(shè)定的參數(shù)被送入選定的鎖存器。
TRF6900有4個(gè)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(hào)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(shí)相位保持連續(xù)等優(yōu)點(diǎn),，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(hào),，將會(huì)對(duì)DDS的實(shí)際應(yīng)用造成很大限制,。所以在實(shí)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(hào)作為PLL倍頻器的參考頻率,，利用PLL將信號(hào)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(gè)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(shí)鐘的觸發(fā)下，對(duì)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(hào)。DAC再將抽樣的數(shù)字信號(hào)恢復(fù)為模擬信號(hào),，最后通過一個(gè)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(gè)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(duì)應(yīng)的頻率，控制字B確定模式1所對(duì)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(shí)現(xiàn)輸出頻率由一個(gè)頻率跳變到另一個(gè)頻率，而這一切都由軟件實(shí)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(gè)模式之間進(jìn)行切換就可以實(shí)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(diǎn)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(shí),，空號(hào)與傳號(hào)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(bào)靶裝置技術(shù)指標(biāo)及設(shè)計(jì)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jì)
(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(cè)出彈著點(diǎn)的坐標(biāo)位置,，通過傳感器輸出響應(yīng)的模擬脈沖信號(hào)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(shí)間，與此同時(shí)進(jìn)行四路同時(shí)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(jì)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(jiǎn)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(cuò)處理,、存儲(chǔ)，最后把彈著點(diǎn)顯示在以胸環(huán)靶為背景圖案的點(diǎn)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(shí)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(jì)上，使得光電開關(guān)在有光束照射時(shí)斷開,，無光束照射時(shí)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(shí),，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(diǎn)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(shí),，V1=V2=0 V,；彈頭穿過靶面時(shí)，V1,，V2都有電壓信號(hào)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(diǎn) (XI,，YJ)由下列公式給出：
2.4 硬件電路設(shè)計(jì)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(hào)來自坐標(biāo)傳感器,，由8098完成A／D轉(zhuǎn)換,、存儲(chǔ)、計(jì)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(diǎn)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(diǎn)陣)組成,。
2．5 軟件部分
軟件也是分為兩部分，并且實(shí)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(yǔ)
本文介紹的是一個(gè)靶位的自動(dòng)報(bào)靶器,，功能單一，使用靈活方便,。如果在專門靶場(chǎng),，可以組成由中心控制的多靶位組網(wǎng)的智能報(bào)靶系統(tǒng),。具體技術(shù)方面，由于子彈穿過靶面的時(shí)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(shí),，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(hào)和采樣脈沖的同步問題至關(guān)重要,，已在實(shí)際中得到解決,。