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[導讀]文中針對跟蹤空中炮彈下落軌跡及對地預報警功能,提出了一種基于AD公司Black-fin系列ADSP—BF533的高度跟蹤系統(tǒng)方案。介紹了與之協(xié)同的運放、MD、D/A等外圍電路及軟件設計方法。該系統(tǒng)可實現(xiàn)空中炮彈離地面200米時的自動報警功能。

調頻法測距可用于連續(xù)波雷達,也可用于脈沖雷達。該高度跟蹤系統(tǒng)ADSP-BF533為核心,結合調頻法測距,來完成跟蹤空中炮彈飛行軌跡的任務,同時可實現(xiàn)對地面的預報警功能。

1調頻測距法

調頻測距系統(tǒng)中的發(fā)射頻率一般按周期性三角波的規(guī)律變化,如圖1所示。圖中,f1是發(fā)射機的高頻發(fā)射頻率,ft0是它的平均頻率,Tm是ft0變化的周期,fr從目標反射回來的回波頻率,它和發(fā)射頻率的變化規(guī)律相同,但在時間上滯后tR(tR=2R/c)。其中R為目標到發(fā)射機的距離,c為光速。發(fā)射頻率調制的最大頻偏為±△f,fb為發(fā)射和接收信號間的差拍頻率,差拍的平均值用fbav表示。
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如將圖1中的發(fā)射頻率ft和回波頻fr寫成以下表達式:
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上式中的△f、Tm均為已知,因此,本系統(tǒng)只需提取中頻差拍信號頻率fbav,便可估算出炮彈離地面的距離。

2系統(tǒng)功能簡介

高度跟蹤系統(tǒng)是由射頻天線和中頻控制板兩部分組成。本文主要介紹中頻控制板部分,其數(shù)字化信號處理原理圖如圖2所示。
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該系統(tǒng)安裝在運行炮彈上面,先是接收外部收發(fā)控制脈沖觸發(fā)的發(fā)送三角波,然后經信號處理器處理為脈內調制信號,再通過射頻模塊將所接收的中頻差拍信號進行放大、采樣、提取頻率,最后估算出距離,若該距離超過門限值,則輸出報警信號,以實現(xiàn)系統(tǒng)的自動報警功能。

3系統(tǒng)硬件設計

該系統(tǒng)中的頻控制板部分主要包括電源轉換芯片TPS5430和TPS70302、放大器芯片AD2613和兩片AD746、A/D轉換芯片AD9223、DSP芯片ADSP-BF533、D/A轉換芯片AD9762、以及兩片驅動芯片74ACT11244。其電路連接如圖3所示。
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該系統(tǒng)的系統(tǒng)電源為±12 V,可以直接供給運放AD746??赏ㄟ^電源轉換芯片TPS5430將+12V電平轉換為+5 V電平來滿足A/D轉化芯片、D/A轉換芯片、驅動芯片及前前級放大器供電的需要。另外,還可通過TPS70302電源轉換芯片將5V電平轉換為3.3 V和1.2 V電平來為DSP和FLASH供電。電源轉換芯片TPS5430輸出電流上門限為3A,可滿足系統(tǒng)要求。

該系統(tǒng)輸入中頻信號為3~10 mV的微小差頻信號,因此需將它們放大到可滿足A/D轉換芯片的輸入電平2Vpp左右,需放大40~60 dB。該系統(tǒng)所采用的AD2613為四級放大器,增益分別為25dB、40dB、25 dB、40dB,其中第一級和第三級采用硬件控制其放大倍數(shù),可利用三個放大倍數(shù)控制管腳LNP1、LNP2、LNP3,通過不同的相互連通方式,來控制這兩級放大器的放大倍數(shù)。而第二級和第四級則采用軟件控制其放大倍數(shù)的方式,通過三個增益控制管腳MGS1、MGS2、MGS3分別與DSP的PF4、PF5、PF6相連,利用軟件來控制PF4、PF5、PF6,從而使這兩級放大器可以實現(xiàn)8個不同的放大倍數(shù)??紤]到放大器實際增益的損耗,文中該系統(tǒng)選用其中的第一級、第二級和第四級,而第三級懸空,這樣的放大倍數(shù)(25 dB+40 dB+40 dB=105 dB)可充分滿足系統(tǒng)要求。另外,因為輸入中頻信號幅度太小,很容易被淹沒在噪聲中,因此,放大器每級之間都應加入濾波電路,以保證信號的準確性。

本系統(tǒng)采用的A/D、D/A轉換芯片,均為12位高速芯片,可保證系統(tǒng)的實時性和精度。

該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理選用Blackfin533,處理器內核包括2個16位乘法器,2個40位的累加器,2個40位的ALU,4個視頻ALU和1個40位移位器。處理器內核時鐘最高可達600 MHz,片上存儲容量為148 kB。本系統(tǒng)采用10 M的晶振,可將內核時鐘倍頻至400 MHz,其系統(tǒng)時鐘為100 MHz。

系統(tǒng)中ADSP-BF533所使用的資源包括2個定時器、DMA控制器、PPI端口和PF端口。系統(tǒng)初始化后,ADSP-BF533首先設置PLL、倍頻輸入時鐘、產生內核時鐘和系統(tǒng)外設時鐘。然后初始化內部總線和各個需要的端口,其中定時器TIMER0為D/A轉換芯片AD9762提供工作時鐘,定時器TIMER1為A/D轉換芯片AD9223提供工作時鐘。

ADSP-BF533處理器可實現(xiàn)以下功能:

(1)中頻信號放大:通過PF4、PF5、PF6端口來控制AD2613第二級和第四級的放大倍數(shù)。

(2)收發(fā)時間控制:產生收發(fā)開關控制信號,其寬度為3 ms,重復周期為80~120 ms隨機變化;
(3)調制信號產生:通過PPI端口產生三角調制信號,并將其放大到特定幅度及偏置然后做為脈內調制信號傳送給天線。

(4)測高處理:完成調頻信號差頻信號的頻譜分析、雜波抑制和輸出測高指示信號。

兩片AD746為運算放大器,一片用來將D/A產生的三角波放大至7 V,一片用來將預報警開關信號放大至9 V。

4系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)DSP軟件使用C語言編寫,采用3個中斷來完成系統(tǒng)功能。系統(tǒng)初始化后,由PF2端口響應系統(tǒng)發(fā)出的收發(fā)控制信號,觸發(fā)PF2中斷,在PF2的中斷服務程序EX_INTERRUPT_HAN-DLER(PF2_Isr)中使能PPI端口發(fā)數(shù),并使能DMA控制3 ms發(fā)數(shù)時間。其中PPI所發(fā)的數(shù)是由MATLAB產生兩個周期的三角波數(shù)據(jù),并歸一化使之成為0-4096之間的無符號整數(shù),然后放人提前聲明的緩存sPPI_TxBuffer中。一旦DSP接收到了數(shù)據(jù)就觸發(fā)TIMER1中斷,在TIMER1的中斷服務程序EX_INTERRUPT_HANDLER(TIMER1_Isr)中將所接收到的數(shù)據(jù)寫入TIMER1_RxBuffer1,當接收滿1024個點時,就觸發(fā)軟中斷,然后在軟中斷的中斷服務程序EX_INTERRUFT_HANDLER(FFT_Isr對該1024個點的數(shù)據(jù)進行FFT運算,估計其頻譜,最后由頻譜估算出距離。若測算出的距離小于200 m,則將PF3至高,信號再經放大后,可作為輸出預報警開關電平。圖4所示是發(fā)送連續(xù)波時的DSP軟件流程圖。
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5  結束語

本系統(tǒng)以處理器ADSP-BF533為中心,結合外部電源轉換芯片、放大器芯片、A/D、DSP、驅動及放大器等外圍電路,來實現(xiàn)調頻法測距用以跟蹤空中炮彈的飛行軌跡,同時可完成對地面的預報警功能。本系統(tǒng)的測試數(shù)據(jù)及報告分析準確,測試精度達±15 m,可應用于實際測繪。

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