基于單總線的彈載裝訂系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊國(guó)歡，張曉明，2*，賴正喜，趙代弟

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

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基于單總線的彈載裝訂系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

楊國(guó)歡1，張曉明1，2*，賴正喜1，趙代弟1

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051; 2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原030051)

摘要:針對(duì)常規(guī)彈在制導(dǎo)化改造中導(dǎo)航系統(tǒng)初始參數(shù)射前裝訂難題，提出了一種利用單總線通信存儲(chǔ)技術(shù)的射前初始參數(shù)裝訂方案。為了實(shí)現(xiàn)裝訂數(shù)據(jù)目的，首先設(shè)計(jì)彈載裝訂總體方案，然后搭建了硬件電路及設(shè)計(jì)了相應(yīng)軟件，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可靠性和傳輸速度。實(shí)驗(yàn)表明該方案通訊可靠性高，通訊速率高，其寫入和讀取8 byte只分別需要22 ms和10 ms。該設(shè)計(jì)為彈藥射前參數(shù)裝訂提供了一種可靠的解決方案，在常規(guī)彈藥的智能化改造和智能引信中具有較好的工程應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞:常規(guī)彈制導(dǎo)化;數(shù)據(jù)裝訂;單總線;可靠性;傳輸速率

對(duì)于常規(guī)彈制導(dǎo)化而言，無論是用磁導(dǎo)航還是慣性導(dǎo)航，都需要在炮彈發(fā)射之前裝訂初始參數(shù)和其他一些狀態(tài)信息，因此裝訂系統(tǒng)設(shè)計(jì)至關(guān)重要。通常情況下彈載模塊需要存儲(chǔ)裝訂系統(tǒng)發(fā)送的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)射后由彈體計(jì)算機(jī)讀取信息，進(jìn)行導(dǎo)航解算［1］。對(duì)于射前裝訂信息時(shí)不但要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、彈體改造少、彈外供電，而且要求必須保證傳輸數(shù)據(jù)的速度快和可靠性高［2－3］。傳統(tǒng)的裝訂模塊采用多線總線方式進(jìn)行通信，如IC總線，SPI，RS232等總線。這些總線通信時(shí)需要彈外電源供電后彈載模塊計(jì)算機(jī)工作才能通信，造成對(duì)彈體的結(jié)構(gòu)改造大，使裝訂系統(tǒng)變的復(fù)雜。為了避免傳統(tǒng)多線傳輸方式帶來的不便，單線傳輸方式運(yùn)用而生。所謂單線傳輸就是以彈體尾部觸點(diǎn)作為信號(hào)線，彈體外殼為地線，只利用地線和一個(gè)觸點(diǎn)就可以傳輸數(shù)據(jù)［4－5］。單線傳輸只用一根數(shù)據(jù)線和一根地線即可傳輸數(shù)據(jù)，又給存儲(chǔ)模塊提供能量驅(qū)動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單特點(diǎn)［6－8］。現(xiàn)有的單線傳輸大多采用電力載波的方式進(jìn)行信號(hào)傳輸，容易受到干擾，使得裝訂系統(tǒng)不穩(wěn)定，無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

針對(duì)上述存在的裝訂難問題，提出了利用達(dá)拉斯生產(chǎn)EEPROM芯片，采用單總線方式傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)裝訂。該系統(tǒng)具有該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、通訊可靠、通訊速率高的優(yōu)點(diǎn)，為彈藥射前參數(shù)裝訂提供了一種可靠的解決方案。

1　總體方案設(shè)計(jì)

對(duì)于常規(guī)彈裝訂模塊存在的問題，運(yùn)用單總線傳輸特性設(shè)計(jì)的裝訂系統(tǒng)方案如圖1所示。彈載模塊中將數(shù)據(jù)傳輸線做成觸點(diǎn)的方式置于彈尾，彈殼接地，彈載模塊與裝訂系統(tǒng)共地，將觸點(diǎn)與數(shù)據(jù)線相連就可以在接收裝訂模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。彈載模塊中的EEPROM芯片用于存儲(chǔ)裝訂數(shù)據(jù)，彈載計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收裝訂數(shù)據(jù)并作姿態(tài)運(yùn)算等工作。過載電源是在發(fā)射后觸發(fā)才開始工作，這就要求在裝訂數(shù)據(jù)必須外供電。彈載計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)接收裝訂數(shù)據(jù)并作姿態(tài)運(yùn)算等工作。

圖1　系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計(jì)中的EEPROM是單總線存儲(chǔ)芯片。單總線及相應(yīng)的芯片是由美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司推出的一項(xiàng)新技術(shù)。所謂單總線通信就是運(yùn)用一根信號(hào)線實(shí)現(xiàn)既可以進(jìn)行PC機(jī)或單片機(jī)跟單總線專用芯片進(jìn)行雙向通信，又可以為芯片提供電源驅(qū)動(dòng)。因此，EEPROM芯片即可以使裝訂系統(tǒng)與彈載模塊作雙向通信，又可以避免外供電造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜的麻煩。

對(duì)于該裝訂系統(tǒng)的工作流程為:(1)斷開觸點(diǎn)，給裝訂系統(tǒng)上電，采集存儲(chǔ)需要裝訂的初始姿態(tài)等信息; (2)將觸點(diǎn)連接上單總線EEPROM芯片，運(yùn)用裝訂模塊數(shù)據(jù)線發(fā)送需要裝訂的信息，EEPROM芯片存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，確定信息無誤后斷開觸點(diǎn); (3)確定數(shù)據(jù)傳輸完畢后，炮彈發(fā)射，過載電源開始工作，彈載模塊運(yùn)用單總線讀取EEPROM芯片數(shù)據(jù)后作姿態(tài)解算。

2　硬件設(shè)計(jì)

硬件電路設(shè)計(jì)如圖2所示。硬件電路包括裝訂系統(tǒng)和彈載模塊。裝訂系統(tǒng)負(fù)責(zé)從其他設(shè)備獲取需要裝訂的初始參數(shù)，然后將參數(shù)發(fā)送至彈載模塊中的EEPROM芯片DS2431。而彈載模塊是從DS2431讀取初始參數(shù)進(jìn)行姿態(tài)解算。

圖2　硬件電路

2.1裝訂系統(tǒng)設(shè)計(jì)

裝訂系統(tǒng)硬件包括單片機(jī)與一個(gè)上拉電阻。裝訂系統(tǒng)中采用STM32F4系列單片機(jī)作為單片機(jī)的主控芯片，該系列基于ARM CortexTM－M4內(nèi)核集成了單周器DSP指令和浮點(diǎn)單元FPU(Floating Point Unit)，提升了計(jì)算能力，可以進(jìn)行一些復(fù)雜的計(jì)算和控制。單片機(jī)通過一個(gè)漏極開路或三態(tài)端口連接至EEPROM數(shù)據(jù)線。單總線端口為漏極開路，要求外接一個(gè)上拉電阻Rpup。這樣，單總線的閑置狀態(tài)為高電平。位傳輸之間的恢復(fù)時(shí)間沒有限制，只要總線在恢復(fù)時(shí)間處于空閑狀態(tài)(高電平)。

2.2彈載模塊硬件電路

彈載硬件電路包括DS2431，Stm32單片機(jī)和過載電源。彈載模塊硬件電路中存儲(chǔ)芯片采用的是由達(dá)拉斯生產(chǎn)的DS2431，是一款1024位單總線EEPROM芯片，由4個(gè)存儲(chǔ)器組成，每頁(yè)256位，數(shù)據(jù)先被寫入一個(gè)8 byte暫存器中，經(jīng)校驗(yàn)無誤后復(fù)制到EEPROM存儲(chǔ)器。4個(gè)存儲(chǔ)頁(yè)相互獨(dú)立，可以單獨(dú)設(shè)置寫保護(hù)。由于能夠在過載電源不工作時(shí)裝訂系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)線接口既可以為傳送數(shù)據(jù)又可為DS2431提供能量驅(qū)動(dòng)，使得裝訂系統(tǒng)具有硬件電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1單總線時(shí)序

單總線簡(jiǎn)潔的硬件電路是需要相對(duì)復(fù)雜的軟件配合使用的。對(duì)于單總線典型的單總線命令順序?yàn)槌跏蓟睢OM命令和功能命令，其中功能命令包括讀、寫命令。單總線的這些命令是通過時(shí)序?qū)崿F(xiàn)。裝訂系統(tǒng)只需跟一個(gè)單總線芯片通信，因此在復(fù)位后可跳過ROM命令直接對(duì)EEPROM進(jìn)行讀寫操作，可以節(jié)省通信時(shí)間。命令時(shí)序包括初始化信號(hào)、寫0、寫1和讀信號(hào)如圖3所示。

圖3　單總線時(shí)序圖

3.2裝訂系統(tǒng)裝訂流程實(shí)現(xiàn)

對(duì)于裝訂系統(tǒng)設(shè)計(jì)從裝訂系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)至EEPROM的流程如圖4所示，單片機(jī)發(fā)送復(fù)位信號(hào)，EEPROM復(fù)位完畢發(fā)送復(fù)位成功信號(hào)，跳過ROM命令后，直接往EEPROM寫入需要的數(shù)據(jù)，單片機(jī)再?gòu)腅EPROM讀出數(shù)據(jù)判斷寫入數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，如準(zhǔn)確則結(jié)束，否則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。對(duì)于彈載模塊從EEPROM中讀取數(shù)據(jù)時(shí)可參考寫入流程中讀EEPROM過程。

圖4　軟件流程圖

4　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

組裝的測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示，Stm32單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板作為系統(tǒng)的裝訂模塊。彈載模塊封裝跟單片機(jī)之間只用一根地線和數(shù)據(jù)線相連即進(jìn)行通信實(shí)驗(yàn)。

圖5　彈載裝訂系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路

4.1可靠性驗(yàn)證

為了測(cè)試驗(yàn)證裝訂系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，作系統(tǒng)誤碼率的驗(yàn)證。用單片機(jī)將DS2431寫滿128byte，然后讀出來，將讀回來的數(shù)據(jù)跟寫進(jìn)去的數(shù)據(jù)作對(duì)比統(tǒng)計(jì)讀錯(cuò)的個(gè)數(shù)。將此操作循環(huán)1 000次發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)1次錯(cuò)誤。

4.2傳輸速度測(cè)試

為了驗(yàn)證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋謩e測(cè)試了裝訂系統(tǒng)寫入彈載模塊的時(shí)間和彈載模塊從EPPROM的讀取數(shù)據(jù)時(shí)間。實(shí)驗(yàn)時(shí)執(zhí)行完一次操作后設(shè)置其中一個(gè)I/O口電平反轉(zhuǎn)，將此操作置于死循環(huán)內(nèi)，然后用示波器探測(cè)I/O口，可得到方波，該方波時(shí)間周期的一半就是所執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間。經(jīng)過測(cè)試，裝訂系統(tǒng)寫入EEPROM 8 byte或?qū)憹M128 byte時(shí)與彈載模塊讀取EEPROM 8 byte和128 byte。I/O輸出的波形如圖6所示，測(cè)試結(jié)果如表1所示。

圖6　傳輸速度測(cè)試

表　1時(shí)間測(cè)試圖

從表1可以看出從運(yùn)用單總線從裝訂系統(tǒng)寫入8 byte需要22 ms，而彈載模塊EEPROM讀取8 byte所需時(shí)間為10 ms，寫滿EEPROM內(nèi)存也只需要260 ms，而讀出整塊內(nèi)存只要90 ms，符合設(shè)計(jì)要求。

5　結(jié)論

針對(duì)常規(guī)彈藥制導(dǎo)化改造中導(dǎo)航系統(tǒng)初始參數(shù)射前裝訂難題，提出了一種利用單總線通信存儲(chǔ)技術(shù)的射前初始參數(shù)裝訂方案。在彈載系統(tǒng)未上電情況下，裝訂系統(tǒng)發(fā)送初始姿態(tài)信息，利用單總線存儲(chǔ)芯片存儲(chǔ)裝訂模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，炮彈發(fā)射后讀取存儲(chǔ)芯片數(shù)據(jù)，進(jìn)行后續(xù)的姿態(tài)解算。裝訂系統(tǒng)反復(fù)做讀出、寫入操作未出現(xiàn)過一次數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，表明該系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可靠的;測(cè)試該系統(tǒng)寫入和讀出8 byte數(shù)據(jù)分別只需22 ms和10 ms，表明傳輸速率較快。通過實(shí)驗(yàn)表明裝訂系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、通訊可靠、通訊速率高的優(yōu)點(diǎn)，為彈藥射前參數(shù)裝訂提供了一種可靠的解決方案，在常規(guī)彈藥的智能化改造和智能引信中具有較好的工程應(yīng)用前景。

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楊國(guó)歡(1988－)男，漢族，廣東省興寧市人，現(xiàn)為中北大學(xué)在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榈卮艑?dǎo)航，ygh881130 @163.com;

張曉明(1976－)男，漢族，山西新絳人，碩士生導(dǎo)師，現(xiàn)在中北大學(xué)“儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室工作，目前的主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試及組合導(dǎo)航，zxm_auto@nuc.edu.cn。

Controllable Multi-Channel Signal Generator Based on DDS*

YU Yong，YAO Zhicheng*，YANG Jian，XI Jianxiang
(Department of Control Engineering，The Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China)

Abstract:Accurate control parameters of phase，frequency and scope are needed in multi-signal synthesis，so a controllable multi-channel signal generator is designed and the highest frequency is up to 400 MHz based on the coordinate function of AD9910 and the controllable clock signal of clock group.Measured results show that the generator possesses the capacity of generating controllable multi-signal，after the adjustment by using the oscillograph.This design establishes a foundation of multi-channel signal synthesizing.

Key words:signal generator; controllable multi-signal; DDS technology; AD9910

doi:EEACC:721010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.028

收稿日期:2014－09－19修改日期:2014－10－14

中圖分類號(hào):TJ760.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1005－9490(2015)04－0849－04

項(xiàng)目來源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61004127)