针对目前我军侦察分队和射击指挥分队野外训练时,各种目标设置、显示费时费力、安全隐患大等诸多问题,本文提出基于MSP430F149单片机设计目标指示器,以满足部队野外训练时快速设置目标,并能根据不同的战术需要灵活显示目标和根据不同的射击法则显示炸点等,较好地解决部队野外训练的急需。

 

目标指示器的功能
根据需要,目标指示器以灯光、烟火等方式显示目标或炸点。每个指示器可以模拟显示如机枪火力点、坦克火力点、炮阵地等n类性质的目标,同时带有m个炸点显示器。目标指示器主要完成GPS模块的数据采集、执行灯光显示和烟火显示等任务。

 

目标指示器硬件设计

硬件设计方案

目标指示器的设计是以单片机为核心的,集灯光显示、烟火显示、目标位置显示等功能于一体的显控装置。设计的关键点包括:①要保证所设计的装置能适应环境的要求;②尽量降低单片机系统的功耗,使系统能长时间正常运行;③所设计出的软硬件必须能实现强大的功能,稳定可靠地运行,准确地完成控制命令的执行以及通讯等功能;④装置必须具备可操作和可维护性;⑤在此基础上还要考虑实现此装置的经济成本。

 

目标指示器主要用于实现目标显示功能,其显示形式包括灯光、烟火或爆音,它由控制芯片、带有自组网的无线模块、GPS定位模块、灯光显示模块、烟火显示模块及电源模块等组成,如图1所示。

 

图1 目标指示器硬件组成图

 

目标指示器的核心是一个MSP430F149微处理器,利用处理器自身带有的丰富的外围模块以及少量的外部芯片实现各种功能,它通过无线传输模块接收来自主控站发射的控制指令,经过控制电路转化为相应的控制信号。灯光显示模块由来自主控站的控制信号实施多种模式的灯光显示方式(包括等时间间隔显示、不同颜色灯光轮流显示等),烟火显示模块则通过高低电平信号点燃或爆炸进行显示,GPS定位模块则实时向主控站提供各个目标的地理坐标和高程。电源模块则提供目标指示器所需的电压。

 

微处理器简介

目标指示器硬件部分的控制核心使用TI公司的16位高性能的MSP430F149单片机,用来控制指示器各个部分的工作。MSP430F149是超低功耗Flash型16位单片机,特别适合于电池供电场合或手持设备,具有如下特点:

①功耗低:2.2V时钟频率1MHz时,活动模式为200µA;关闭模式时仅为0.1µA,且具有5种节能工作方式;

②高效16位RISC-CPU:27条指令、8MHz时钟频率时,指令周期时间为125ns,绝大多数指令在一个时钟周期完成;32kHz时钟频率时,16位MSP430单片机的执行速度高于典型的8位单片机20MHz时钟频率时的执行速度;

③低电压供电、宽工作电压范围:1.8V~3.6V;

④灵活的时钟系统:两个外部时钟和一个内部时钟;

⑤低时钟频率可实现高速通信;

⑥具有串行在线编程能力;

⑦强大的中断功能;

⑧唤醒时间短,从低功耗模式下唤醒仅需6µs;

⑨ESD保护,抗干扰力强;

⑩运行环境温度范围为-40℃~+85ºC,适用于工业环境。

 

目标指示器电路设计

电源电路设计

(1)技术要求

• MSP430F149单片机电源电压范围:3.3V;

• GPS定位模块的电源电压范围:1.8V;

• 发光二极管驱动芯片MC1413电源电压:12V;

• 无线数传模块的电源电压范围:9V。

 

(2)设计要点

①便于携带,供电方便。该指示器是为了满足部队在野战条件下作战和训练的使用,必须要能方便携带,因此采用单节锂电池供电,电压为12V。

 

②同时为主芯片和外围器件供电。主芯片供电电压为3.3V,GPS供电为1.8V,发射机供电为9V,因此电源电路应能同时输出3.3V和1.8V、9V电压。

 

③满足低功耗需要。指示器采用电池供电,在野战条件下使用,必须要能够满足使用的时间要求,因此指示器的功耗就要很低。

 

(3)电路设计

根据指示器对电源的要求,MSP430F149单片机采用Alpha公司的AS1117-3.3三端稳压模块,GPS采用AS1117-1.8三端稳压模块。AS1117系列芯片是常用的电压转换芯片,其特点是:外形小巧,价格便宜;电流驱动能力强,AS1117的最大输出电流为800mA,能够满足指示器要求。发射机采用7809三端稳压模块,电源电路如图2所示。

 

图2 电源电路图

 

复位电路设计

指示器复位电路的设计一定要使指示器能够充分复位,在各种复杂情况下稳定可靠地工作。MSP430F149有一RST复位管脚,它与不可屏蔽中断功能管脚复用,可由软件选择其功能,正常情况下为复位功能。指示器采用外接芯片复位的方法,在复位脚上连接复位芯片STM811,具体电路见图5目标指示器核心电路中的STM811电路所示。MSP430F149单片机要求在复位管脚上获得1.1V~1.5V的复位电压(系统电源电压为3.3V),复位电压持续的时间最小为2µs。当管脚RST/NMI上的电压到达Vmin(1.1V)时,系统进入复位状态。当电压上升到VPOR (1.5V)后系统退出复位状态。

 

晶振电路设计

对于一个高可靠性的系统设计,晶体的选择非常重要,尤其是设计带有睡眠唤醒(往往用低电压以求低功耗)的系统,这是因为低供电电压提供给晶体的激励功率减少,造成晶体起振很慢或根本就不能起振。这一现象在上电复位时并不特别明显,原因是上电时电路有足够的扰动,很容易建立振荡。在睡眠唤醒时,电路的扰动要比上电时小得多,起振变得很不容易。在振荡回路中,晶体既不能过激励(容易振到高次谐波上),也不能欠激励(不容易起振)。

 

MSP430F149可接入2个外部振荡器,一个为低速晶体振荡器,经过XIN和XOUT两个引脚相连,另一个为高速晶体振荡器,经过XT2IN和XT2OUT两个引脚,根据需要外接电容,范围可以为450KHz~8MHz。

 

系统频率的选择与系统的工作电压密切相关,需要较高的工作电压,就需要为系统提供较高的频率,系统频率和工作电压之间的关系如图3所示。

 

根据系统频率与工作电压的关系,系统选择了4M的晶振,晶振电路如图4所示。

 

图3 工作频率与工作电压关系曲线图

 

图4 晶振电路原理图

 

JTAG接口电路设计

MSP430F149单片机的优点之一是可以通过JTAG控制器实现程序代码的下载,并利用它完成软件的在线调试。JATG是一种所谓的边界扫描技术标准,即IEEE1149.1,它是一种能够对芯片进行在线测试的接口技术,JATG接口在实际应用中只用到了少量的几个引脚,主要包括:TDO(测试数据输出)、TDI(测试数据输入)、TMS(测试模式选择)、TCK(测试时钟输入)、RST(复位)和TCLK/XOUT等。

 

图5中的SIPL8电路接口为ProgPort可编程接口。将其与MSP430F149对应的引脚相接,接口另一端接JTAG仿真器,就可以实现在线编程,向电路板上MSP430F149下载程序。

 

控制核心电路设计

指示器的主控电路控制信号采集电路的开始采样及采样结束后的数据保存与提取;作为下位机与PC机通信,负责将保存在存储器中的采集数据传递给信号处理电路;控制信号调理电路,使调理后的信号不超过采集电路的阈值;协调其他外围电路。

 

MSP430F149的P3.4、P3.5脚用于与RS232通信接口电路连接,实现在线编程和与计算机及其他设备的通信功能。A/D转换器接收的模拟电压的输入范围为0~+VREF 。在目标指示器中, +VREF由外部引入+3.3V的电压基准, CREF引脚用0.1pF的电容耦合到地。其电路原理图如图5所示。

 

图5 目标指示器核心电路原理图

 

GPS定位模块电路设计

GPS定位模块主要是向主控站返回目标指示器所处的位置,包括纵坐标、横坐标和高程,通过无线通信传输给主控站。

 

(1)GPS定位系统的特点

GPS即全球卫星定位系统,它由太空部分、监控部分和用户部分组成,GPS系统的特点具体体现为:①定位精度高;②观测时间短;③可提供三维坐标;④操作简单;⑤功能多、应用广;⑥全天候作业。

 

(2)GPS定位模块电路实现

由于GPS输出的是RS-232信号,因此,GPS模块通过信号转换芯片MAX3232与单片机相连,实现RS232电平与TTL电平的转换,电路串口连接图如图6所示,其中35引脚为单片机的数据接收引脚,34引脚为单片机的数据发送引脚。

 

图6 GPS定位模块电路接口图

 

MAX3232是MAXIM公司生产的低功耗、单电源双RS232发送/接收器,现选用MAX3232的其中一路进行发送/接收。因为MAX232具有驱动能力,所以不需外加驱动电路。MAX232芯片内部含有一个电容性电压发生器,可将输入的+5V电源变换成为RS232所需的±10V电压,所以采用此芯片接口的串行通讯系统只要单一的+5V电源即可。

 

接口电路设计时,采用3线制(RXD、TXD、GND)软握手方式。即将GPS接收机和单片机“发送数据线(TXD)”与“接收数据线(RXD)”交叉连接,二者的地线(GND)直接相连,其他信号线都可不用,握手信号采用软件方法产生。这样既能实现预定的目标,又能简化电路设计,节约成本。

 

MAX3232外围需要5个电容,其中4个电容C1、C2、C3和C4是内部电源转换所需要的电容,其取值均为1µF,另外还需1个C5为去耦电容,取值为0.1µF。

 

灯光显示模块电路设计

灯光显示模块用于模拟显示各种不同类型的发光目标,其基本任务为当接收主控站发送来的目标显示命令后,单片机进行命令处理,灯光显示模块能够按指示器要求的显示方式显示灯光。

 

灯光显示驱动电路如图7所示,驱动芯片采用MC1413芯片,工作电源为12V,电路输出电流高达500mA。

 

图7 灯光显示驱动电路图

 

烟火显示模块电路设计

烟火显示模块主要用于模拟显示各种类型的发烟目标,其基本任务为当接收主控站发送来的目标显示命令后,单片机进行处理命令,烟火显示电路能够按指示器要求的显示方式显示烟雾。模块采用通用的电子点火发烟管进行显示。

 

烟火显示模块电路设计应满足以下要求:①发烟管应能可靠稳定的控制;②电路设计应简单,元器件数量尽量少,尽可能利用原执行级电路。因此,烟火显示模块与灯光显示模块采用同一驱动电路,综合使用。

 

无线通信模块电路设计

目标指示器对无线通信模块的要求:①较远的通信距离,以适应部队野外射击时场地范围大和不同训练科目的要求;②较强的抗干扰能力;③较低的功耗,对于应用于野外的、无固定供电电源的、只能靠电池维持系统运行的无线数据传输模块,芯片的功耗参数非常重要。

 

根据上述要求,指示器选择ZT-TR43C无线数传模块,它是深圳振通公司推出的一款无线收发为一体的通信模块。TR43C的技术指标:①载波频率433MHz,工作频率428MHz~435MHz;②最大发射功率20mW,开阔地的最大传输距离为3km;③采用FSK调制,采用前向信道纠错编码,抗干扰能力强;④有八个工作信道可供选择;⑤传输速率20kbps;⑥降低噪声放大器LNA、功率放大器PA、压空振荡器VCO等大部分功能集成于芯片内,外围电路简单,易于开发。

 

无线通信模块与单片机接口TR43C提供RS232/TTL/RS485共三种接口方式,指示器采用TTL接口方式,方便与MSP430F149单片机的接口,电路接口如图8所示。其中MSP430单片机的RXD、TXD口分别与无线模块的TXD、RXD口相连,地线相连。

 

图8 TR43C与单片机接口示意图

 

无线模块可用于组网,TR43C系列模块最适合点对多点的通信方式,特别符合目标指示器的需求。这种方式首先设置一个主控站,相当于一个主机;设置多个目标指示器,相当于从机,主机和从机都设置地址码。通信的协调完全由主机控制,从机接收信号后,将接收到的地址码与本机地址码相比较,不同则将数据完全丢掉,不作响应;如果地址码相同,则从机接收到数据或命令,按照命令作出响应。

 

目标指示器软件设计

目标指示器的软件设计采用模块化的设计思路。模块化设计的优点为:①令复杂系统化大为小,化繁为简;②修改容易,便于维护;③可以提高系统软件的设计效率。

 

目标指示器软件设计的主要任务有:初始化、灯光显示、烟火显示、GPS定位和无线通信以及一些小任务。首先按照目标指示器将要完成的主要任务将软件分为几个大的功能模块,它们分别是初始化模块、灯光显示模块、烟火显示模块、GPS定位模块、无线通信模块。在主程序中主要完成初始化模块的工作,然后循环检测各个功能模块的状态标志,根据各种状态标志的指示来判断是否进入各个功能模块,执行相应操作。如果执行了相应的操作,则在执行完操作后就跳出主程序继续往下执行。目标指示器软件功能如图9所示。

 

图9 目标指示器软件功能框图

 

目标指示器的主程序流程如图10所示。在系统软件设计中,为了减轻CPU的负担,使CPU有更多的时间来处理有用的运算,同时为了减小电路的功率损耗,全部功能都使用中断方式实现,主程序不做过多的工作。图10中,首先对目标指示器的各个功能模块进行初始化。初始化完成后,然后开中断,CPU从低功耗模式唤醒,进行中断处理,中断结束后再次返回低功耗循环。

 

图10 主程序流程图

 

结束语

本文基于MSP430F149单片机设计了目标指示器,该目标指示器工作稳定可靠,能够满足系统要求,它具有如下特点:

 

①通过目标归类、灯光和烟火等的科学布局及组合控制,有效解决了野外条件下目标设置和动态显示等技术问题,极大提高了部队目标捕捉和射击指挥的训练效益。

 

②运用超低功耗器件和电源关断功能相结合,大幅度降低了系统的整体功耗,延长了系统的工作时间,一次充电系统可连续工作30小时以上。

 

③采用成熟技术和模块化设计等,有效解决了电源波动等问题,提高了系统稳定性和可靠性。

④优化结构设计,使整体结构小巧,设置目标灵活、方便,适合野战条件下使用。