針對目前我軍偵察分隊和射擊指揮分隊野外訓練時，各種目標設置、顯示費時費力、安全隱患大等諸多問題，本文提出基于MSP430F149單片機設計目標指示器，以滿足部隊野外訓練時快速設置目標，并能根據不同的戰術需要靈活顯示目標和根據不同的射擊法則顯示炸點等，較好地解決部隊野外訓練的急需。

目標指示器的功能

根據需要，目標指示器以燈光、煙火等方式顯示目標或炸點。每個指示器可以模擬顯示如機槍火力點、坦克火力點、炮陣地等n類性質的目標，同時帶有m個炸點顯示器。目標指示器主要完成GPS模塊的數據采集、執行燈光顯示和煙火顯示等任務。

目標指示器硬件設計

硬件設計方案

目標指示器的設計是以單片機為核心的，集燈光顯示、煙火顯示、目標位置顯示等功能于一體的顯控裝置。設計的關鍵點包括：①要保證所設計的裝置能適應環境的要求；②盡量降低單片機系統的功耗，使系統能長時間正常運行；③所設計出的軟硬件必須能實現強大的功能，穩定可靠地運行，準確地完成控制命令的執行以及通訊等功能；④裝置必須具備可操作和可維護性；⑤在此基礎上還要考慮實現此裝置的經濟成本。

目標指示器主要用于實現目標顯示功能，其顯示形式包括燈光、煙火或爆音，它由控制芯片、帶有自組網的無線模塊、GPS定位模塊、燈光顯示模塊、煙火顯示模塊及電源模塊等組成，如圖1所示。

圖1 目標指示器硬件組成圖

目標指示器的核心是一個MSP430F149微處理器，利用處理器自身帶有的豐富的外圍模塊以及少量的外部芯片實現各種功能，它通過無線傳輸模塊接收來自主控站發射的控制指令，經過控制電路轉化為相應的控制信號。燈光顯示模塊由來自主控站的控制信號實施多種模式的燈光顯示方式（包括等時間間隔顯示、不同顏色燈光輪流顯示等），煙火顯示模塊則通過高低電平信號點燃或爆炸進行顯示，GPS定位模塊則實時向主控站提供各個目標的地理坐標和高程。電源模塊則提供目標指示器所需的電壓。

微處理器簡介

目標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單片機，用來控制指示器各個部分的工作。MSP430F149是超低功耗Flash型16位單片機，特別適合于電池供電場合或手持設備，具有如下特點：

①功耗低：2.2V時鐘頻率1MHz時，活動模式為200µA；關閉模式時僅為0.1µA，且具有5種節能工作方式；

②高效16位RISC-CPU：27條指令、8MHz時鐘頻率時，指令周期時間為125ns，絕大多數指令在一個時鐘周期完成；32kHz時鐘頻率時，16位MSP430單片機的執行速度高于典型的8位單片機20MHz時鐘頻率時的執行速度；

③低電壓供電、寬工作電壓范圍：1.8V～3.6V；

④靈活的時鐘系統：兩個外部時鐘和一個內部時鐘；

⑤低時鐘頻率可實現高速通信；

⑥具有串行在線編程能力；

⑦強大的中斷功能；

⑧喚醒時間短，從低功耗模式下喚醒僅需6µs；

⑨ESD保護，抗干擾力強；

⑩運行環境溫度范圍為-40℃～+85ºC，適用于工業環境。

目標指示器電路設計

電源電路設計

（1）技術要求

• MSP430F149單片機電源電壓范圍：3.3V；

• GPS定位模塊的電源電壓范圍：1.8V；

• 發光二極管驅動芯片MC1413電源電壓：12V；

• 無線數傳模塊的電源電壓范圍：9V。

（2）設計要點

①便于攜帶，供電方便。該指示器是為了滿足部隊在野戰條件下作戰和訓練的使用，必須要能方便攜帶，因此采用單節鋰電池供電，電壓為12V。

②同時為主芯片和外圍器件供電。主芯片供電電壓為3.3V，GPS供電為1.8V，發射機供電為9V，因此電源電路應能同時輸出3.3V和1.8V、9V電壓。

③滿足低功耗需要。指示器采用電池供電，在野戰條件下使用，必須要能夠滿足使用的時間要求，因此指示器的功耗就要很低。

（3）電路設計

根據指示器對電源的要求，MSP430F149單片機采用Alpha公司的AS1117-3.3三端穩壓模塊，GPS采用AS1117-1.8三端穩壓模塊。AS1117系列芯片是常用的電壓轉換芯片，其特點是：外形小巧，價格便宜；電流驅動能力強，AS1117的最大輸出電流為800mA，能夠滿足指示器要求。發射機采用7809三端穩壓模塊，電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路圖

復位電路設計

指示器復位電路的設計一定要使指示器能夠充分復位，在各種復雜情況下穩定可靠地工作。MSP430F149有一RST復位管腳，它與不可屏蔽中斷功能管腳復用，可由軟件選擇其功能，正常情況下為復位功能。指示器采用外接芯片復位的方法，在復位腳上連接復位芯片STM811，具體電路見圖5目標指示器核心電路中的STM811電路所示。MSP430F149單片機要求在復位管腳上獲得1.1V～1.5V的復位電壓（系統電源電壓為3.3V），復位電壓持續的時間最小為2µs。當管腳RST/NMI上的電壓到達Vmin（1.1V）時，系統進入復位狀態。當電壓上升到VPOR （1.5V）后系統退出復位狀態。

晶振電路設計

對于一個高可靠性的系統設計，晶體的選擇非常重要，尤其是設計帶有睡眠喚醒（往往用低電壓以求低功耗）的系統，這是因為低供電電壓提供給晶體的激勵功率減少，造成晶體起振很慢或根本就不能起振。這一現象在上電復位時并不特別明顯，原因是上電時電路有足夠的擾動，很容易建立振蕩。在睡眠喚醒時，電路的擾動要比上電時小得多，起振變得很不容易。在振蕩回路中，晶體既不能過激勵（容易振到高次諧波上），也不能欠激勵（不容易起振）。

MSP430F149可接入2個外部振蕩器，一個為低速晶體振蕩器，經過XIN和XOUT兩個引腳相連，另一個為高速晶體振蕩器，經過XT2IN和XT2OUT兩個引腳，根據需要外接電容，范圍可以為450KHz～8MHz。

系統頻率的選擇與系統的工作電壓密切相關，需要較高的工作電壓，就需要為系統提供較高的頻率，系統頻率和工作電壓之間的關系如圖3所示。

根據系統頻率與工作電壓的關系，系統選擇了4M的晶振，晶振電路如圖4所示。

圖3 工作頻率與工作電壓關系曲線圖

圖4 晶振電路原理圖

JTAG接口電路設計

MSP430F149單片機的優點之一是可以通過JTAG控制器實現程序代碼的下載，并利用它完成軟件的在線調試。JATG是一種所謂的邊界掃描技術標準，即IEEE1149.1，它是一種能夠對芯片進行在線測試的接口技術，JATG接口在實際應用中只用到了少量的幾個引腳，主要包括：TDO（測試數據輸出）、TDI（測試數據輸入）、TMS（測試模式選擇）、TCK（測試時鐘輸入）、RST（復位）和TCLK/XOUT等。

圖5中的SIPL8電路接口為ProgPort可編程接口。將其與MSP430F149對應的引腳相接，接口另一端接JTAG仿真器，就可以實現在線編程，向電路板上MSP430F149下載程序。

控制核心電路設計

指示器的主控電路控制信號采集電路的開始采樣及采樣結束后的數據保存與提??；作為下位機與PC機通信，負責將保存在存儲器中的采集數據傳遞給信號處理電路；控制信號調理電路，使調理后的信號不超過采集電路的閾值；協調其他外圍電路。

MSP430F149的P1、P2、P3、P4口可以用做普通的I/O口，它的供電系統由一片AS1117產生+3.3V提供，MSP430采用標準的4M晶振產生脈沖時序。

MSP430F149的P3.4、P3.5腳用于與RS232通信接口電路連接，實現在線編程和與計算機及其他設備的通信功能。A/D轉換器接收的模擬電壓的輸入范圍為0~+VREF 。在目標指示器中， +VREF由外部引入+3.3V的電壓基準， CREF引腳用0.1pF的電容耦合到地。其電路原理圖如圖5所示。

圖5 目標指示器核心電路原理圖

GPS定位模塊電路設計

GPS定位模塊主要是向主控站返回目標指示器所處的位置，包括縱坐標、橫坐標和高程，通過無線通信傳輸給主控站。

（1）GPS定位系統的特點

GPS即全球衛星定位系統，它由太空部分、監控部分和用戶部分組成，GPS系統的特點具體體現為：①定位精度高；②觀測時間短；③可提供三維坐標；④操作簡單；⑤功能多、應用廣；⑥全天候作業。

（2）GPS定位模塊電路實現

由于GPS輸出的是RS-232信號，因此，GPS模塊通過信號轉換芯片MAX3232與單片機相連，實現RS232電平與TTL電平的轉換，電路串口連接圖如圖6所示，其中35引腳為單片機的數據接收引腳，34引腳為單片機的數據發送引腳。

圖6 GPS定位模塊電路接口圖

MAX3232是MAXIM公司生產的低功耗、單電源雙RS232發送/接收器，現選用MAX3232的其中一路進行發送/接收。因為MAX232具有驅動能力，所以不需外加驅動電路。MAX232芯片內部含有一個電容性電壓發生器，可將輸入的＋5V電源變換成為RS232所需的±10V電壓，所以采用此芯片接口的串行通訊系統只要單一的＋5V電源即可。

接口電路設計時，采用3線制（RXD、TXD、GND）軟握手方式。即將GPS接收機和單片機“發送數據線（TXD）”與“接收數據線（RXD）”交叉連接，二者的地線（GND）直接相連，其他信號線都可不用，握手信號采用軟件方法產生。這樣既能實現預定的目標，又能簡化電路設計，節約成本。

MAX3232外圍需要5個電容，其中4個電容C1、C2、C3和C4是內部電源轉換所需要的電容，其取值均為1µF，另外還需1個C5為去耦電容，取值為0.1µF。

燈光顯示模塊電路設計

燈光顯示模塊用于模擬顯示各種不同類型的發光目標，其基本任務為當接收主控站發送來的目標顯示命令后，單片機進行命令處理，燈光顯示模塊能夠按指示器要求的顯示方式顯示燈光。

燈光顯示驅動電路如圖7所示，驅動芯片采用MC1413芯片，工作電源為12V，電路輸出電流高達500mA。

圖7 燈光顯示驅動電路圖

煙火顯示模塊電路設計

煙火顯示模塊主要用于模擬顯示各種類型的發煙目標，其基本任務為當接收主控站發送來的目標顯示命令后，單片機進行處理命令，煙火顯示電路能夠按指示器要求的顯示方式顯示煙霧。模塊采用通用的電子點火發煙管進行顯示。

煙火顯示模塊電路設計應滿足以下要求：①發煙管應能可靠穩定的控制；②電路設計應簡單，元器件數量盡量少，盡可能利用原執行級電路。因此，煙火顯示模塊與燈光顯示模塊采用同一驅動電路，綜合使用。

無線通信模塊電路設計

目標指示器對無線通信模塊的要求：①較遠的通信距離，以適應部隊野外射擊時場地范圍大和不同訓練科目的要求；②較強的抗干擾能力；③較低的功耗，對于應用于野外的、無固定供電電源的、只能靠電池維持系統運行的無線數據傳輸模塊，芯片的功耗參數非常重要。

根據上述要求，指示器選擇ZT-TR43C無線數傳模塊，它是深圳振通公司推出的一款無線收發為一體的通信模塊。TR43C的技術指標：①載波頻率433MHz，工作頻率428MHz～435MHz；②最大發射功率20mW，開闊地的最大傳輸距離為3km；③采用FSK調制，采用前向信道糾錯編碼，抗干擾能力強；④有八個工作信道可供選擇；⑤傳輸速率20kbps；⑥降低噪聲放大器LNA、功率放大器PA、壓空振蕩器VCO等大部分功能集成于芯片內，外圍電路簡單，易于開發。

無線通信模塊與單片機接口TR43C提供RS232/TTL/RS485共三種接口方式，指示器采用TTL接口方式，方便與MSP430F149單片機的接口，電路接口如圖8所示。其中MSP430單片機的RXD、TXD口分別與無線模塊的TXD、RXD口相連，地線相連。

圖8 TR43C與單片機接口示意圖

無線模塊可用于組網，TR43C系列模塊最適合點對多點的通信方式，特別符合目標指示器的需求。這種方式首先設置一個主控站，相當于一個主機；設置多個目標指示器，相當于從機，主機和從機都設置地址碼。通信的協調完全由主機控制，從機接收信號后，將接收到的地址碼與本機地址碼相比較，不同則將數據完全丟掉，不作響應；如果地址碼相同，則從機接收到數據或命令，按照命令作出響應。

目標指示器軟件設計

目標指示器的軟件設計采用模塊化的設計思路。模塊化設計的優點為：①令復雜系統化大為小，化繁為簡；②修改容易，便于維護；③可以提高系統軟件的設計效率。

目標指示器軟件設計的主要任務有：初始化、燈光顯示、煙火顯示、GPS定位和無線通信以及一些小任務。首先按照目標指示器將要完成的主要任務將軟件分為幾個大的功能模塊，它們分別是初始化模塊、燈光顯示模塊、煙火顯示模塊、GPS定位模塊、無線通信模塊。在主程序中主要完成初始化模塊的工作，然后循環檢測各個功能模塊的狀態標志，根據各種狀態標志的指示來判斷是否進入各個功能模塊，執行相應操作。如果執行了相應的操作，則在執行完操作后就跳出主程序繼續往下執行。目標指示器軟件功能如圖9所示。

圖9 目標指示器軟件功能框圖

目標指示器的主程序流程如圖10所示。在系統軟件設計中，為了減輕CPU的負擔，使CPU有更多的時間來處理有用的運算，同時為了減小電路的功率損耗，全部功能都使用中斷方式實現，主程序不做過多的工作。圖10中，首先對目標指示器的各個功能模塊進行初始化。初始化完成后，然后開中斷，CPU從低功耗模式喚醒，進行中斷處理，中斷結束后再次返回低功耗循環。

圖10 主程序流程圖

結束語

本文基于MSP430F149單片機設計了目標指示器，該目標指示器工作穩定可靠，能夠滿足系統要求，它具有如下特點：

①通過目標歸類、燈光和煙火等的科學布局及組合控制，有效解決了野外條件下目標設置和動態顯示等技術問題，極大提高了部隊目標捕捉和射擊指揮的訓練效益。

②運用超低功耗器件和電源關斷功能相結合，大幅度降低了系統的整體功耗，延長了系統的工作時間，一次充電系統可連續工作30小時以上。

③采用成熟技術和模塊化設計等，有效解決了電源波動等問題，提高了系統穩定性和可靠性。

④優化結構設計，使整體結構小巧，設置目標靈活、方便，適合野戰條件下使用。