基于TIDSP5402的炮弹声源定位系统的硬件设计及算法设计.doc

基于 TIDSP5402 的炮弹声源定位系统的硬件设计及算法设计对地攻击检测评估系统技术说明书对地攻击检测评估系统技术说明书11 系统功能概述《对地攻击检测评估系统》用于航空炸弹、航空火箭弹、空对地导弹等对地面目标攻击的弹着点进行自动检测系统可对单点、多点连续对地打击时的弹着点进行自动检测实时报靶，并能显示各种弹着点检测的技战术参数自动向阵地指挥部传送命中结果，为修改射击诸元提供校验参数，便于各级指挥员对整个实弹射击训练过程进行科学、准确地评估2 系统主要战技指标1) 适用范围：航空炸弹 、 航空火箭弹 、空对地导弹及触地爆炸后引起声波的各种炸弹；对单点、多点投射时弹着点进行实时检测报靶2) 检测精度：测量范围（500m*500m 阵） ，误差小于5m；测量范围（70m*70m 阵） ，误差小于 0.5m；3) 系统响应时间：小于 15 秒；4) 两弹、多弹连投最小间隔时间：大于 30 毫秒；5) 无线传输：中心工作频率：2.483G6) 发射功率：前置处理器 100mW，接收灵敏度：-80dB；7) 误码率：多重校验，差错重发，趋向于 08) 无线传输波特率：1，2 ，5，11Mbps ；对地攻击检测评估系统技术说明书29) 与指挥系统接口：标准接口； 10) 使用环境：35℃常温下相对湿度小于 95%， -40℃—+55℃，承受温度为-45℃—+60℃，抗电磁干扰、抗振、防潮；11)最大功耗：单机 10W ；12)供电方式：前置处理器 12V 蓄电池，中心主机交流 220 伏；13)系统连续工作时间：大于 24 小时；14)设备尺寸(mm)：210×150×330；15)单机重量：8kg；3 系统构成对地攻击检测评估系统集声学、数学、电子技术、无线传输、数字信号处理及计算机应用等学科于一体，完成炸弹爆炸后声波的采集、数据无线传输、信号分析处理，通过合理的数学模型计算弹着点的精确位置，同时对打击的结果进行效能评估。

本系统由前置处理子系统、前置环境补偿子系统、无线传输子系统、信号处理子系统、数据处理评估决策子系统组成, 系统结构如图 3.1 所示对地攻击检测评估系统技术说明书3图 3.1 对地攻击检测评估系统结构图前置处理子系统：它将声学传感器接收的声信号转换成电信号，经远程控制放大器放大、A/D 转换器转换成数字信号，由 DSP 芯片进行初步处理、鉴别, 并保存数据，最后通过无线以太网传输给中心主机进行处理前置环境补偿子系统:本子系统主要是检测环境参数，即温度、对地攻击检测评估系统技术说明书4风速和风向，并将测量值通过无线传输子系统传给中心主机，由中心主机评估软件对声速进行修正补偿，以提高系统检测精度无线传输子系统: 本子系统将前置处理子系统采集并处理过的数字信号, 实时地传送给中心主机, 进行信号处理和评估数字信号处理子系统: 通过采用波谱分析和小波分析对信号进行有效的处理分析, 实现了信号波形的转换, 干扰及噪声剔除, 获得真实的爆炸声信号.系统根据这些真实的爆炸声信号按一定的鉴别规则提取出炸弹爆炸声波传播到声学传感器的时间, 并提供给评估决策子系统评估决策子系统: 用适当的软件开发工具, 由信号处理子系统得到的每个传感器接收到的炸弹爆炸声的时间, 按合理的数学模型计算出弹着点坐标，并用图形方式显示出来。

可实时计算出炸弹的命中率，并将结果存入数据库，供以后查询4 前置处理子系统前置处理子系统由声学传感器、可编程信号放大器、A/D 转换器、DSP 系统、数据存贮器、以太网组件及系统电源部分组成如图 4.1声学传感器可编程信号放大器模数转换器D S P处 理器网络组件R J 4 5接口电源图 4.1 前置处理子系统结构图对地攻击检测评估系统技术说明书54.1 声学传感器声学传感器是将弹着点产生的爆炸声信号转换成同频率的电信号为了能从各个角度接收不同弹种的爆炸声信号，研制了全向宽带压电换能器，其主要参数为带宽 500Hz-28kHz，介电常数ε≈1700，机电耦合系数 Kt≈0.5，接收灵敏度 g33≈500×10-3伏·米 2/牛顿，居里温度为 365℃4.2 可编程信号放大器增益可编程信号放大器是将声学传感器接收到的微弱电信号（μV-mV 级）放大到 0-5V其原理见图 4.2，电路中采用两级低噪声高输入阻抗放大器 TLC2272，电路中 2 片 9c102 数字电位器用来改变放大器的增益，由 DSP 芯片根据中心主机的指令改变增益大小，达到远程控制增益的目的，如图 4.2对地攻击检测评估系统技术说明书6图 4.2 可编程信号放大器原理图4.3 高速 A/D 转换器A/D 转换器采用 16 位高速 A/D 转换器 ADS8322，采样频率可达500kHz，它将信号放大器输出的 0-5V 音频信号转换成 0-65535 的数字量。

其原理见图 4.34.4 DSP 处理控制系统的核心器件 DSP 采用 TMS320-5402 芯片 ，它具有高速高精度运算能力、强大的数据通信能力、灵活的可编程性及低功耗设计等特点原理如图 4.4时钟电路采用外部时钟方式，时钟频率对地攻击检测评估系统技术说明书710MHz，经 DSP 芯片内部锁相环 PLL 及软件设定，系统时钟可达100MHz扩展 16×32k 的 Flash 程序存贮器 29LV400 和 16×32k 高速 DRAM CY7C1021，系统的地址译码使能信号由可编程逻辑器件(CPLD) ATF 22LVPC 产生图 4.3 中的 74HC244 缓冲器用来输入子系统的通信地址信号灯用来指识电源电压和信号等图 4.3 高速 A/D 转换器原理图对地攻击检测评估系统技术说明书8图 4.4 DSP 系统原理图4.5 前置数据存贮器数据存贮器如图 4.5 所示图中 4 片 16×256k 高速 DRAM 构成16×1M 数据存贮器74HC273 锁存器的输出端和译码器的地址译码信号共同作为各 CY7C1041 的片选控制信号对地攻击检测评估系统技术说明书9图 4.5 数据存贮器原理图4.6 网络组件以太网接口电路如图 4.6 所示。

图中 RTL8019 为以太网接口芯片，它完成 DSP 系统与中心站主机间的数据传输图中芯片 93C46 为串行 EEROM，用来存放物理层的通信参数，10L8 为隔离线圈，输出端口为 RJ45 标准4.7 系统电源如图 4.7，系统中前置处理器主要由 12v 电池供电，其电源分为有 4 种：（１）+9V 电源:供给信号放大器 （２）+5V 电源：提供给A/D 转换、以太网接口等 3 )+3.3V：提供给予 TMS320—5402 的 I/O 口 （4）+1.8V：提供给 TMS320—5402 的内核电源采用的芯片分别为稳压芯片 7809,7805 及 TI 公司生产的双电源输出芯片对地攻击检测评估系统技术说明书10TPS73HD318图 4.6 以太网接口电路原理图对地攻击检测评估系统技术说明书11图 4.7 系统电源原理图5 环境补偿系统环境补偿子系统用来测量现场环境温度、风速和风向，以补偿这些参数对声速的影响 声波在空气中传播速度与温度间的关系为 : C = 20.06 ( 273.15+T )1/2从公式中可看出，当温度 T 改变时，声速发生变化，为减少测量误差，必须采用温度对声速补偿。

风速和风向对声波传波时间的影响如下图所示：当声源产生的声波从 O 点以速度 C 向 A 点探头方向传播时，如风向与 OA 夹角为 θ ，风速为 V，则声波从 O 点传播到 A 点所需时间为：对地攻击检测评估系统技术说明书12L0At= C+VCosθ 当声波方向与风向夹角为 0 度时，对传播时间影响最大如 C=340米/秒，V=10 米/秒, 将产生很大的误差，所以系统必须通过风速和风向补偿, 减少测量误差该子系统以 philipu 公司 51 系列单片机 80c552 芯片为核心，配置温度传感器,风速传感器,风向传感器,RS-232 接口和无线电台组成,其原理框图如图 5.180C520温 度传感器风 向传感器风 速传感器整 形缓 冲器光 电隔 离E P R O MR S 2 3 2电台图 5.1 环境补偿原理框图温度传感器采用 AD590 半导体温度传感器,其线形度为 0.3%,精度 0.5 摄氏度, 温度每变化 1 摄氏度,输出电流变化 1 微安, 如串联 10K 欧电阻, 则输出电压变化 10mV, 此电压经 80c552 单片机中的 10 位 A/D 转换器转换成数字量, 再计算出温度值. 温度为:声源 风向 探头L0 A对地攻击检测评估系统技术说明书1327310)(mvVoutt风速传感器采用光电式传感器, 输入电压 12V, 输出信号为脉冲信号,风速与其频率成正比, 脉冲信号经光电隔离、整形, 由单片机测量其频率,并转换成环境风速。

风向传感器采用格雷码盘光电式传感器,其输出 7 位数字量位格雷码, 格雷码值与风向传感器叶片的转角有一一对应的关系，风向传感器输出的数字量经缓冲器输入到单片机 80c552 中, 并转换成风向与基准方向间的夹角, 存储到 RAM 中单片机 80c552 内含 8 路 10 位 A/D 转换,最高转换速率为100Kbps,内部 RAM 为 256 字节,具有 2 个 16 位定时计数器, 高速捕捉比较器,看门狗电路等,单片机将采集计算机的环境参数存储,并根据中心站主机的指令,通过 RS-232 接口及无线电电台将数据传输到中心站主机.系统的软件流程图如图 5.2对地攻击检测评估系统技术说明书14复位初始化采集计算温度计算风速计算风向？传输数据 上传数据YN图 5.2 环境补偿数据流程图对地攻击检测评估系统技术说明书156 无线通信子系统信 号 处 理C P U上 位 机收 发 站信 号 处 理C P U收 发 站信 号 处 理C P U收 发 站TR信 号 处 理C P U收 发 站TRTR中 转 基 站中 转 基 站中 心 站以 太 网前 置 处 理 子 系 统数 据 无 线 传 输数 据 分 析 计 算 管 理以 太 网以 太 网以 太 网以 太 网图 6.1 无线通信子系统无线通信子系统作用：将前置处理子系统经过初步处理的数字信号实时地传送到中心主机的评估软件系统，同时也将中心主机的控制信息发送给前置处理器。

该子系统采用先进扩展频谱技术的无线数据传输设备，实现了数据高速无线传输，并具有较高稳定性和抗干扰性能、保密性能无线通信子系统组成：前置通信单元：双向高速微波单元 、110°板天线天线 10 dBi 板状定向天线、 馈线中继通信单元：双向高速微波单元、14 dBi 抛物面天线、馈线中心通信单元：双向高速微波单元、90°板天线天线 18 dBi、双向功率放大器、馈线对地攻击检测评估系统技术说明书166.1 扩展频谱技术扩展频谱技术它用来进行保密传输从一开始它就设计成抗噪音、干扰、阻塞和未授权检测扩展频储发送器用一个非常弱的功率信号在一个很宽的频率范围内发射出去，与窄带射频相反，它将所有的能量集中到一个单一的频点扩展濒谱的实现方式有多种，最常用的两种是直接序列和跳频序列原理无线高速数据传输网络采用了微波扩频技术、无线全双工高速数据传输技术，使用 2.4 GHz 微波传输频率该技术打破了传统无线电传输理论中的信噪比概念和专用频道概念，采用宽频即扩展频率，其所有有效信号转变成数字信号后，全部湮没在噪音基带之中，而不是在以往要求的噪音基带之上进行检波在传送信号时，使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信息数据的基带信号的频率进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射，2.4Ghz 直序扩频位数为 。