基于TRF6900芯片的红外线矩阵坐标式自动报靶装置

0 引 言
    实弹射击训练的报靶方式由人工改为自动方式，自电子技术应用以来，一直都是军警相关部门的研究课题。自动报靶装置的优点和预期效益是不言而喻的。目前的各种自动报靶产品还不能令人满意，如何实时、精准地获得子弹穿过靶面时的位置信息是其关键技术，其中以坐标点位置(X，Y)信息最为理想。现在半导体激光技术做到光束直径φ3 mm以下的器件已是非常普遍，一对这样的激光收发器十分便宜，用200多对构成50 cm×50 cm的激光束矩阵靶面并不昂贵。成熟的集成电路、计算机和通信等技术的应用，更能为各种实弹射击训练模式提供即时快捷、直观以及智能化控制的自动报靶系统。

l 系统工作原理
1．1 系统框图
    红外线矩阵坐标式自动报靶装置由报靶系统和显示系统组成，系统方框图如图1所示。

    在报靶系统中，矩阵式坐标靶实现了弹着点的坐标定位。坐标传感器输出对应于弹着点位置的电压信号，微控制器完成对坐标信号的采样、保持、A／D转换，并计算出实际弹着点的X-Y坐标值，最后由TRF6900芯片无线发射到一定距离以外的接收端。
    在显示系统中，对接收到的无线载波信号经过解调处理存储，在微控制器的控制下，在点阵式液晶显示屏呈现胸环靶图案并标出弹着点的位置。显示部分亦可由便携式个人计算机完成，处理功能更多，使系统更加完善。
1．2 TRF6900芯片介绍
    本装置无线收发采用射频无线，收发芯片TRF6900，该芯片是TI公司最新推出的单片无线收发一体芯片，它在一个器件上包括了高频发射、高频接收、PLL合成、FSK调制解调、FM调制解调、直接数字频率合成(DDS)、接收信号强度指示(RSSI)等多种功能。
    TRF6900使用ISM频段，无需申请，而且采用低发射功率和高接收灵敏度，设备之间干扰小，可广泛应用于无线数据采集系统、无线监控系统、智能卡、设备遥控场合，应用前景十分广阔。
    TRF6900主要性能如下：
    (1)工作频率为868～870 MHz(西欧)／902～928 MHz(北美)；
    (2)有效数据传输距离为1 000 m；
    (3)典型输出功率为4．5 dBm；
    (4)典型输出信号频差为230 Hz；
    (5)工作电压为2．2～3．6 V；
    (6)待机电流为5μA，工作电流为50 mA；
    (7)内置2个可编程模式。
    TRF6900内部结构如图2所示。

    TRF6900内部电路可分为发射模块和接收模块。接收模块包括低噪音放大器、混频器、中放、FM／FSK解调器、接收信号强度指示和低通滤波放大器等几部分。发射模块包括串行控制接口、直接数字频率生成器、压控振荡器、锁相环等几部分。
1．3 TRF6900工作原理
1．3．1 接收机工作原理
    从天线接收到信号由LNA IN引入TRF6900，首先经过低噪音放大器。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两种模式。当TRF6900接收的信号较强时，应该选择低增益模式，这样可以最大程度地减少信号非线性失真。放大后的信号被送入混频器，混频器将信号变频到中频，再通过第一和第二级中频放大。第一级中频放大可获得7 dB的增益，用以补偿滤波器带来的损耗；第二级中频放大包括多个放大器，总共可获得80 dB的增益。经过两级放大后的信号，如果采用的是FM／FSK调制方式就被送入FM／FSK解调器，解调出数据信号从DATA OUT引出。如果是频移键控(ASK)或开关键控(OOK)则送入接收信号强度指示器(RSSI)解调，解调后的基带数据由RSSIOUT输出。
1．3．2 发射机工作原理
    数字基带信号从TX DATA引入TRF6900片内，经过直接数字频率合成器(DDS)调制到中频，再通过锁相环(PLL)倍频到射频，最后通过功率放大器放大信号后，由PA OUT导出射频信号，通过天线发射出去。
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，控制着TRF6900内部所有的寄存器，包括DDS参数设定寄存器和其他的控制寄存器。在CLOCK的每一个上升沿，DATA管脚的逻辑值送入24-bit的移位寄存器，当STOBE电平被抬高时，设定的参数被送入选定的锁存器。
    TRF6900有4个可编程的24 b控制字(A，B，C，D)；
    控制字A和B分别控制DDS模式0和模式1状态下输出信号频率。
    控制字C负责锁相环和DDS模式O的设定。
    空制数据控制字D负责调制和DDS模式1的设定。
1．3．4 直接数字频率合成器(DDS)的工作原理
    直接数字频率合成器是基于数字域，直接产生相应频率的正弦波。它具有频率范围宽，频率分辨率高，可用软件方便地控制输出频率、频率切换速度快且切换频率时相位保持连续等优点，从而在线性调频、扩频和跳频系统、多普勒响应模拟等领域得到了广泛应用。但DDS由于受参考频率的限制，输出频率通常较低，一般为100～400 MHz，而这一频段的频率资源相当紧张。如果直接采用DDS产生射频信号，将会对DDS的实际应用造成很大限制。所以在实际应用中往往是采用DDS／PLL混合方式，该方法将DDS输出的中频信号作为PLL倍频器的参考频率，利用PLL将信号变换到所需的频率。这种方式既保留了DDS的频率分辨率高和频率切换速度快的特性，又弥补了DDS输出频率较低的不足，从而得到广泛的应用。TRF6900也是采用DDS／PLL这种方式。
    TRF6900的直接数字频率合成器包括一个24 b的相位累加器．相位码一幅度码转换表，ll b的数字一模拟转换(DAc)和低通滤波器(LPF)。相位累加器在时钟的触发下，对频率控制字进行累加，相位累加器输出的相位序列作为地址来寻址正弦检索表，得到正弦波的离散幅度数字即抽样数字信号。DAC再将抽样的数字信号恢复为模拟信号，最后通过一个低通滤波滤得到基波分量。
    24 b的累加器可通过TRF6900内部的两个22 b的控制寄存器控制。DDS结构如图3所示。

    如图4所示，控制字A和控制字B的高两位为0，因此最大的比特权重为1／8。

   
    式中：DDS_x为控制字A或B的值。参考频率fref就是DDS的取样频率，它从根本上决定着DDS的输出频率和频偏。TRF6900采用的参考频率为15～26 MHz。由上式可得，DDs的最大输出频率为90～156 MHz，最小频偏为21～37 Hz。
    TRF6900的控制字A确定模式0对应的频率，控制字B确定模式1所对应的频率，DDS可以在模式0和模式1之间快速切换，从而可以实现输出频率由一个频率跳变到另一个频率，而这一切都由软件实现。所以只需给控制字A和控制字B赋相应的值，并在两个模式之间进行切换就可以实现跳频。TRF6900最高可达1 360跳／s，每一跳最多可携带22 b数据，因此，TRF6900的最大数据传输速率为30 Kb／s。TRF6900采用跳频的调制方式，极大地增加了通信的抗干扰能力。这一特点为在恶劣环境下进行数据传输，保证传输质量提供了很大的保障。
    TRF6900可以选择传统的FSK调制，方便了与现有设备进行通信。TRF6900由控制字C在DDS和FSK之间选择。当TRF6900选择FSK调制时，空号与传号的输出频率完全由控制字D确定，可以用软件方便地进行设置。如图5所示。

2 报靶装置技术指标及设计方案
2.1 技术指标

    (1)子弹参数
    步枪弹头直径ψ=8．2 mm，有效长度L=18 mm，出口速度为700 m／s，连发速度为600～900发／s。
    手枪弹头直径ψ=8．2 mm，有效长度L=12 mm，出口速度为500 m／s。
    (2)坐标靶面定位区为500 mm×500 mm，分辨率为5 mm。
2.2 总体方案设计
    (1)靶子部分的系统原理如图6所示。

    子弹射中坐标靶面，阻挡了垂直、水平的红外激光光速，从而检测出弹着点的坐标位置，通过传感器输出响应的模拟脉冲信号电压，X(VX1，VX2)和Y(VY1，VY2)，脉冲电压宽度等于子弹穿过靶面的瞬间时间，与此同时进行四路同时采样并保持，供A／D转换。
    经A／D转换得到的数据按照前面给出的公式计算坐标值(X，Y)，再经过编码处理，形成串行代码，这里采用简单的脉冲幅度调制，然后通过无线发射，完成数据的传递。
    (2)显示部分由无线接收、解调、纠错处理、存储，最后把弹着点显示在以胸环靶为背景图案的点阵式液晶显示屏上。另外，显示部分还完成其他附加的必要功能。如果采用笔记本电脑作为显示器，其实现的功能更多，使系统更加完善。
2．3 红外线矩阵坐标靶及传感器
2．3．1 红外线矩阵坐标靶
    红外线矩阵坐标靶如图7所示。

    图7中，上面和右侧是激光发射二极管，下面和左侧是由光电二极管控制的光电开关。在设计上，使得光电开关在有光束照射时断开，无光束照射时闭合。相邻光束之间的距离为5 mm，小于弹头的直径ψ=8．2mm，当弹头垂直穿过靶面时，水平和垂直方向上都至少有一条光束被阻断，设相应被阻断光束的光电开关为X1，Y1，则开关X1，Y1闭合，而其余开关仍断开。(X1，Y1)就表示了弹着点的坐标位置。
2．3．2 坐标传感器
    X方向和Y方向坐标传感器完全相同，是由光电开关与电阻组成的网络。如图8所示。

    图8中Ko，K1，K-1，…，Kn为光电开关，R0，R1，R-1,…，Rn为定位电阻，阻值相同，R。为取样电阻，在无子弹穿过靶面时，V1=V2=0 V；弹头穿过靶面时，V1，V2都有电压信号输出。X和Y两坐标传感器分别输出(VX1，VX2)和(VY1，VY2)，根据电路原理，子弹中靶的坐标点(XI，YJ)由下列公式给出：

   
2.4 硬件电路设计方案
    系统微控制器采用8098单片机，它含有四路10位A／D转换器。该控制电路的输入信号来自坐标传感器，由8098完成A／D转换、存储、计算、编码、输出串行脉冲码至无线发射模块TRF96001。显示控制单元由单片机8751、点阵式液晶显示专用的大规模集成电路T6963及液晶显示屏(LCD 256×128点阵)组成。
2．5 软件部分
    软件也是分为两部分，并且实现两机的异步串行通信，软件比较复杂，限于篇幅，在此不再赘述。

3 结 语
    本文介绍的是一个靶位的自动报靶器，功能单一，使用灵活方便。如果在专门靶场，可以组成由中心控制的多靶位组网的智能报靶系统。具体技术方面，由于子弹穿过靶面的时间很短(20μs左右)，故采用扫描方式解决101×101矩阵坐标不现实，而本系统采取的方法具有创新性。子弹穿过靶面形成的电脉冲信号和采样脉冲的同步问题至关重要，已在实际中得到解决。