STM32的遠距離觸發系統的設計

孫倩華++王偉++宋師軍

摘 要針對武器系統研制過程中測試系統的觸發需求，以微控制器STM32和超短波無線數傳電臺為核心部件，提出了一種遠距離觸發系統的設計，給出了系統的網絡構成、通信協議、工作原理及實現方式。試驗結果表明，該系統具有通信距離遠、安全性可靠性高、實時性好，能夠全天候操作等優點，并且具有很強的擴展性。

【關鍵詞】STM32 遠距離觸發 主從站 數據鏈路

1 引言

在武器系統的研制中，為了記錄武器發射、飛行、攻擊的整個過程以及準確獲取外彈道和終點彈道參數，高速攝像是一種必不可少的測試手段，起到了舉足輕重的作用。由于彈丸的飛行速度快，高速攝像的觸發控制就成為重中之重。目前，多數的觸發控制主要采用“通-斷”或“斷-通”的長線觸發的方式，這需要參測人員鋪設很長的電纜，并且無法實現多組測試系統的同步測試以及彈道分段接力測試，而在測試的過程中參測人員對于測試系統工作狀態的反饋更是一無所知，只有試驗完畢后到現場才能知道其是否正常工作，具有一定的不確定性。

隨著微電子技術、現代計算機技術和無線通信技術的迅猛發展，測控系統發展無線化、智能化已成為必然趨勢。超短波無線數傳電臺具有信號傳輸穩定、抗干擾能力強、通信距離遠、技術比較成熟等優點，適合工作于條件惡劣的靶場環境。

本文針對高速攝像測試系統中的觸發測控需求，提出了一種利用微控制器STM32和超短波無線數傳電臺實現測試系統遠距離同步/接力觸發以及遠程監控相機工作狀態的有效手段，對于提高測試系統的測量精度以及可靠性、安全性具有重要的意義。

2 總體結構

觸發系統由主站和從站組成（包括一個主站和N個從站），主站為操作人員控制端，從站為高速攝像機控制端，如圖1所示。

2.1 網絡構成

該系統網絡設計為主/從站網絡，通信線路上主站與從站的通信按照主從方式進行，主站具有網絡訪問控制權，可以主動發出請求信號或接收其他主站命令信號并反饋相關信息，從站處于被動工作狀態，只能應答主站的請求。構成網絡的主要設備如下：

2.1.1 主站

由微控制器STM32、數傳電臺以及輸入輸出設備組成。主要功能是對網絡通信進行控制和管理，在預定的周期內與從站循環地交換數據，傳遞主站的請求信號，并將從站采集的相機工作參數進行處理并在輸出設備上予以顯示。

2.1.2 從站

由微控制器STM32、數傳電臺以及相應的輸入輸出設備組成。其功能是對主站給予的輸出信號驅動相機動作和采集現場設備的必要參數回饋給主站。特定的從站可以作為二類主站，暫代主站的功能與其他從站進行數據通信。

2.2 通信協議的構成

該系統的通信協議根據國際標準化組織（ISO）的開放系統互聯（OSI）七層參考模型制定，將其簡化后只使用了第一層物理層、第二層數據鏈路層以及用戶層，如表1所示。

2.2.1 物理層

該系統的物理層協議采用超短波無線數傳通信和RS485串口通信，采用半雙工、異步的傳輸方式，1個字符幀由8個數據位、一個起始位、一個停止位和一個奇偶校驗位組成。

2.2.2 數據鏈路層協議

數據鏈路層協議主要包括主站和從站間的主從通信機制以及主站的廣播通信機制。在主從通信中，主站獲得控制權后在一定的時間周期內與多個從站交換數據，主站下傳命令，從站給出響應，配合主站完成對數據鏈路的控制，一個主站應與多個從站中的每一個從站建立一條數據鏈路。主站和某從站間的通信過程可具體分為三個階段：

a.數據鏈路的建立，即主站向某從站發送狀態請求幀，該從站發送一確認幀響應主站的請求。

b.數據幀的傳輸，即主站向某從站發送數據信息幀，與該從站進行數據通信。

c.數據鏈路的釋放，即主站與某從站沒有信息幀要發送，或者主站將與其他從站建立鏈路連接時，主站向該從站發送狀態請求幀，請求釋放鏈路連接，從站發送一確認幀應答主站，釋放數據鏈路。

為了滿足數據通信中的需要，數據鏈路層協議采用了兩種幀格式。其中，數據信息幀的結構如圖2所示。

為了滿足測試系統同步觸發的實時性要求，用到了主站的廣播通信機制，這樣的數據幀省去源地址和目的地址，在特殊的幀頭指引下把任務傳達給每一個從站，即相當于在這一時刻主站與所有從站同時進行數據通信。幀結構如圖3所示。

3 工作原理

該系統基本工作原理如下：在正式數據通信之前，主站對所有從站進行通信測試和信號強度測試，當從站相機需要動作時，主站將相應的數據打包成從站能夠識別的數據幀，通過無線數傳模塊按照從站相應的地址發送到需要動作的從站，從站接收數據后進入相應任務的處理。處理完成返回主站確認數據幀，處理過程結束。若從站有誤動作，則從站將記錄事件向主站報警，主站進行相應處理。

主站作為通信的發起方，是整個系統的中央控制器，其工作流程如圖4所示。

其中，任務指的是觸發請求，分為同步觸發和接力觸發。同步觸發即主站把觸發任務在同一時間發給所有從站；接力觸發指的是主站在下發任務的時候按觸發時間不同設置定時時間分別對不同的從站作延時觸發。

從站作為通信的應答方，時刻準備接受來自主站的任務，其工作流程如圖5所示。

4 通信協議的實現

本系統設計的關鍵是完成物理層的比特數據流和用戶層數據的轉換，維護對物理層和數據鏈路層的參數管理，并向上層協議提供數據傳輸服務，主要由STM32微控制器完成。

協議處理模塊包括物理層接口和數據鏈路層處理。前者利用STM32自帶的UART負責數據鏈路層與物理層之間的連接，完成物理層的比特數據流與數據幀之間的轉換。后者是系統的核心功能模塊，其主要工作為對UART收發器接收的數據根據協議規范進行具體分析和處理。該模塊的工作過程說明如下：

模塊由幀檢查和幀處理狀態機兩個同步狀態機組成。其中，幀檢查狀態機實時監測UART收發器的工作狀態，若發現收發器接收到有效的幀字節數據，則根據該字節在接收數據幀中的位置，以及該數據幀的幀類型進行幀格式檢查：若不符合幀格式，則復位狀態機，丟棄該幀；若為幀數據單元，則將其存入接收緩沖區中；若為其它幀字符，則從中提取相關狀態信息，如是否存在地址擴展、使用的服務存取點等，為幀處理狀態機的工作做好準備。同時，該狀態機還負責控制校驗和計算模塊的工作，將最終校驗和與接收到的校驗和進行比對，若不一致則認為幀數據接收錯誤，將該幀丟棄。待接收的字節數達到長度字節規定的長度后，則認為接收完畢，啟動幀處理狀態機。隨后幀處理狀態機對功能字節進行分析：若為數據傳輸服務，則根據協議規定的服務規程進行處理，并映射為相應的服務通知上層協議；若為狀態請求，則進行狀態應答。

由于狀態機比較復雜，在此處將其工作流程圖簡單示意如圖6所示。

5 試驗驗證

該系統已經在多次試驗中進行驗證，試驗中觸發有效可靠，工作狀態反饋及時準確，大大減少了誤觸發的概率。試驗時，將一臺主站通過兩臺從站分別控制位于5km處的兩臺Photron SA1型高速攝像機。主站的液晶屏可以進行功能選擇及操作，例如：網絡檢測、信號強度檢測、高速觸發、系統幫助等。高速攝像系統操作界面如圖7所示。

通過液晶屏上按鈕可以實現遠距離的“待觸發”和“觸發”設置，并能實時監視高速攝像機的工作狀態。

6 結束語

本文提出了一種遠距離觸發系統的設計，實現了對高速攝像機遠距離的無線觸發、狀態監控、觸發復位，使得操作人員既可以在遠距離監控高速攝像機的工作狀態，又能夠控制高速攝像機的觸發復位，很大程度上避免了高速攝像機的誤觸發，提高了高速攝像機的觸發可靠性，提高了高速攝像系統的自動化程度和試驗的成功率。該設計也為要求高安全性和高可靠性的遠距離遙控觸發的測試系統及軍民用遠程起爆控制提供了一種解決方案。

參考文獻

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作者簡介

孫倩華（1984-），男，山西省晉城市人。碩士研究生。現為北京航天長征飛行器研究所工程師。研究方向為引信技術。

作者單位

北京航天長征飛行器研究所 北京市 100076