摘要：針對(duì)光電搜索偵察系統(tǒng)報(bào)告搜索到的空中目標(biāo)當(dāng)前方位、俯仰位置給后端武器打擊系統(tǒng)的需要，在光電搜索系統(tǒng)與后端武器打擊系統(tǒng)之間建立大地坐標(biāo)系是解決此類(lèi)問(wèn)題的較好方法，以便后端武器打擊系統(tǒng)指向搜索到的空中目標(biāo)。介紹了數(shù)字電子羅盤(pán)HMR3000的接口特性，給出了HMR3000的控制編程以及與DSP的接口電路，同時(shí)也給出了HMR3000電子羅盤(pán)獲取光電搜索系統(tǒng)平臺(tái)方位軸系相對(duì)地理正北的獲取流程和編程實(shí)現(xiàn)方法以及DSP端相關(guān)程序。結(jié)果表明系統(tǒng)坐標(biāo)系建立精度達(dá)到±0．5°，重復(fù)精度達(dá)到±0．1°，且能穩(wěn)定運(yùn)行。
關(guān)鍵詞：RS422；數(shù)字電子羅盤(pán)；光電搜索偵察系統(tǒng)；DSP；NMEA標(biāo)準(zhǔn)；微處理器
美國(guó)Honeywell公司生產(chǎn)的數(shù)字羅盤(pán)模塊HMR3000使用磁阻傳感器和兩軸傾斜傳感器來(lái)提供航向信息，帶有電子常平架的羅盤(pán)即使傾斜40°也能給出精確的航向。該電子羅盤(pán)廣泛應(yīng)用于航海、航天、測(cè)量系統(tǒng)等領(lǐng)域。HMR3000內(nèi)部全部使用表面貼裝元件，不含有任何的移動(dòng)元件，所以非常可靠和堅(jiān)固。這個(gè)低功耗、小體積的裝置帶有非鐵磁性金屬外殼，便于安裝固定在任何一個(gè)平臺(tái)上。允許用戶(hù)對(duì)羅盤(pán)的輸出進(jìn)行組態(tài)，包括3類(lèi)NMEA標(biāo)準(zhǔn)信息(HDG、 HDT和XDR)，3類(lèi)專(zhuān)用語(yǔ)句(HPR、RCD和CCD)。該模塊內(nèi)置微處理器控制傳感器的測(cè)量順序，控制器操作的參數(shù)存儲(chǔ)在EEPROM中，輸出的語(yǔ)句滿足NMEA0813標(biāo)準(zhǔn)。
光電搜索偵察系統(tǒng)與后端武器打擊系統(tǒng)通過(guò)有線或無(wú)線連接時(shí)，兩個(gè)系統(tǒng)往往處于地球上不同的位置，如何將光電搜索系統(tǒng)搜索到的空中目標(biāo)方位、俯仰位置傳遞到后端武器打擊系統(tǒng)，成為后端武器打擊系統(tǒng)有效打擊目標(biāo)的關(guān)鍵。一般而言，兩個(gè)系統(tǒng)安裝處于地球的水平面且有機(jī)械或電子調(diào)平裝置，這樣空中目標(biāo)的俯仰位置對(duì)兩個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)而言是相同的。但空中目標(biāo)對(duì)于兩個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)方位而言卻存在不同，基于地理正北固定不變?cè)?，通過(guò)獲取系統(tǒng)相對(duì)地理正北順時(shí)針夾角，即可將光電搜索偵察系統(tǒng)指向目標(biāo)的方位值報(bào)告給后端武器打擊系統(tǒng)。
電子羅盤(pán)在工程中獲得了廣泛的應(yīng)用，文獻(xiàn)給出了基于單片機(jī)高級(jí)語(yǔ)言HMR3000編程的探討，文獻(xiàn)給出了電子羅盤(pán)在載體上實(shí)時(shí)跟蹤地球同步衛(wèi)星的案例。安裝于光電偵察搜索系統(tǒng)平臺(tái)上的電子羅盤(pán)HMP3000具備航向輸出信息，根據(jù)文獻(xiàn)給出的航向輸出語(yǔ)句的格式及校正方法對(duì)電子羅盤(pán)進(jìn)行有效編程及校正，可以獲取系統(tǒng)相對(duì)地理正北順時(shí)針夾角。通過(guò)考慮不同地區(qū)磁北的差異設(shè)計(jì)計(jì)算正北夾角的方法去完整實(shí)現(xiàn)地理正北沿順時(shí)針相對(duì)系統(tǒng)指向夾角的獲取。
1 HMR3000的硬件接口設(shè)計(jì)
1．1 功能特性
數(shù)字電子羅盤(pán)HMR3000可以為導(dǎo)航定位系統(tǒng)提供航向、俯仰、橫滾等數(shù)據(jù)。其中航向的精度為±0．5°，分辨率為±O．10°。HMR3000有4種工作模式：連續(xù)、選通、睡眠和校準(zhǔn)。HMR3000可在連續(xù)和選通模式下工作。在連續(xù)模式下，HMR3000以可組態(tài)的速率輸出羅盤(pán)主動(dòng)提供的NMEA標(biāo)準(zhǔn)信息，而在選通模式下，則根據(jù)用戶(hù)控制電路的申請(qǐng)輸出。
1．2 控制特性
HMR3000電子羅盤(pán)控制特性如表1所示。
1．3 通信協(xié)議
對(duì)于HMR3000有兩類(lèi)輸入：對(duì)于輸出語(yǔ)句的請(qǐng)求，或設(shè)定一個(gè)組態(tài)參數(shù)；對(duì)于所有有效的輸入，HMR3000都送出一個(gè)響應(yīng)，帶有正確的檢查總數(shù)的值。 HMR3000輸出語(yǔ)句有3種標(biāo)準(zhǔn)的和3種專(zhuān)用的NMEA信息，以連續(xù)模式從HMR3000發(fā)送出來(lái)。HMR3000的串行通信是根據(jù)NMEA0813標(biāo)準(zhǔn)制定的簡(jiǎn)單的、異步ASCII協(xié)議?？梢允褂肦S232或RS485接口電路。ASCII碼的傳輸和接收使用1位停止位，8位數(shù)據(jù)位(低位在先)、無(wú)奇偶校驗(yàn)位(MSB永遠(yuǎn)為0)和1位停止位。每一個(gè)碼有10位。波特率可以選擇1200，2 400，4800．9 600或19 200。HMR3000支持NMEA0183和專(zhuān)用的信息。
1．4 接口硬件設(shè)計(jì)
1．4．1 電子羅盤(pán)信號(hào)接口定義
HMR3000采用標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，其信號(hào)定義如表2所示。
1．4．2 硬件接口設(shè)計(jì)
電子羅盤(pán)與DSP接口電路如圖1所示。電子羅盤(pán)有兩個(gè)電源輸入端，硬件設(shè)計(jì)時(shí)選擇第9腳未穩(wěn)壓的電源作為輸入，通過(guò)7812穩(wěn)壓電源模塊把+15 V電源變?yōu)?12 V從第9腳輸入。若選擇穩(wěn)壓的第8腳+5 V電源作為輸入的話，對(duì)電源的紋波、精度、穩(wěn)定度都有很高的要求，稍有不慎就可能燒掉電子羅盤(pán)。
電子羅盤(pán)RS232接口的RXD、TXD信號(hào)通過(guò)專(zhuān)門(mén)的RS232接口轉(zhuǎn)換器MAX3243EAI來(lái)實(shí)現(xiàn)與DSP的RS232(DSP有A口、B口，這里選B口)接口的連接。
MAX3243EAI在33 V電源能穩(wěn)健工作，這樣就兼顧了DSP的33V信號(hào)電平。MAX3243EAI引腳FORCEIN，F(xiàn)ORCEOFF，INVALID分別接高、低、低電平。在試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)這3個(gè)引腳不連接，DSP與羅盤(pán)的通信存在極大的不可靠性，并有死機(jī)現(xiàn)象。
電子羅盤(pán)標(biāo)定時(shí)用到的信號(hào)要經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換以實(shí)現(xiàn)與DSP的I／O信號(hào)的連接。DSP的信號(hào)電平為3．3 V，電子羅盤(pán)的信號(hào)是5 V，故選用SN74LS245實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，其電路連接如圖2所示。
2 接口軟件設(shè)計(jì)
2．1 具體應(yīng)用
開(kāi)發(fā)的便攜式紅外搜索跟蹤儀主要用來(lái)向指揮控制系統(tǒng)或后端武器打擊系統(tǒng)報(bào)告空中來(lái)襲目標(biāo)(如飛機(jī)、導(dǎo)彈等)，從而對(duì)來(lái)襲目標(biāo)實(shí)施有效打擊。便攜式紅外跟蹤儀與后端武器打擊系統(tǒng)及前端指揮系統(tǒng)針對(duì)來(lái)襲目標(biāo)位置的融合需要依賴(lài)統(tǒng)一的大地地理坐標(biāo)系，安裝于系統(tǒng)的羅盤(pán)指向與系統(tǒng)的方位軸系存在固有的關(guān)系，依據(jù)電子羅盤(pán)的特性，可以有效獲取大地地理正北指向沿順時(shí)針相對(duì)電子羅盤(pán)指向的夾角。
2．2 DSP初始化
TI公司DSP TMS320F2812的RS232接口有2個(gè)：A、B接口。利用B接口作為羅盤(pán)通信用。B接口被I／O接口與RS232接口復(fù)用，故DSP初始化時(shí)需將該接口設(shè)置為RS232接口。根據(jù)文獻(xiàn)，DSP初始化(該口波特率、數(shù)據(jù)傳輸格式初始化略)該接口部分代碼如下：
GpioMuxRegs．GPGMUX．a(chǎn)ll=0x0030；／／設(shè)置G4／SCITXDB，G5／SCIRXDB為第二功能接口
2．3 電子羅盤(pán)接口軟件在DSP端的實(shí)現(xiàn)
電子羅盤(pán)正向與地理正北夾角獲取流程如圖3所示。
通過(guò)DSP的SCI-B接口與電子羅盤(pán)通信，遵循標(biāo)準(zhǔn)RS232協(xié)議，1個(gè)起始位，8個(gè)數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。設(shè)定通信波特率為19 200 b／s。DSP首先發(fā)送“#FA0．4=1*21
2．4 獲取平臺(tái)相對(duì)地理正北夾角計(jì)算
為了獲得羅盤(pán)正向與地理北的夾角值，存在一定的換算關(guān)系。機(jī)械安裝保證羅盤(pán)正向與光軸指向一致，如存在偏向角，則還需疊加偏向角。我國(guó)除烏魯木齊、南沙群島、曾母暗沙群島磁偏角位于磁北偏東以外，其他地區(qū)均處于磁北偏西。系統(tǒng)歸零時(shí)，假定磁北(圖4指示磁北在地理北以西，也可能在地理北以東)、地理北、光軸指向如圖4所示。同時(shí)假定磁偏角為ζ，羅盤(pán)正向與磁北夾角為ψ(角度以磁北順時(shí)針命名，即磁航向)，獲取的羅盤(pán)正向與地理正北夾角為θ(相對(duì)地理北順時(shí)針命名，即真航向)。根據(jù)每個(gè)地區(qū)ζ值的不同采用上位軟件命令輸入方式。磁北偏在地理北以西時(shí)，ζ為正值，磁北偏在地理北以東時(shí)，ζ為負(fù)值。設(shè)計(jì)時(shí)ζ始終取為正，但以標(biāo)志作為正、負(fù)判斷，則存在以下判據(jù)：
3 結(jié)論
HMR3000與外界通信若采用通常的匯編語(yǔ)言，其控制處理的靈活性差，而且語(yǔ)言本身的可移植性差。采用DSP高級(jí)語(yǔ)言處理克服了以上的缺點(diǎn)。以上利用高級(jí)語(yǔ)言處理的HMR3000部分接口程序在CCS 2．21環(huán)境下編譯通過(guò)，其獲取平臺(tái)相對(duì)地理正北重復(fù)精度達(dá)±0．1°，且速度快，并在開(kāi)發(fā)的項(xiàng)目中穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行需要注意磁場(chǎng)對(duì)電子羅盤(pán)的干擾。