電氣控制組合嵌入式處理技術(shù)*

張自強(qiáng)，薛健，陳光信，劉芳，王艷輝，李碩

(1.北京航天新風(fēng)機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100854；2.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

電氣控制組合嵌入式處理技術(shù)*

張自強(qiáng)1，薛健2，陳光信1，劉芳1，王艷輝1，李碩1

(1.北京航天新風(fēng)機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100854；2.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

傳統(tǒng)導(dǎo)彈電氣控制組合以模擬電路和分立器件為主，體積大，與地面?zhèn)鬏旊娎|復(fù)雜，控制精度低。采用嵌入式處理技術(shù)，利用嵌入式系統(tǒng)體積小、軟件固化的優(yōu)點(diǎn)，通過電氣控制組合與地面系統(tǒng)數(shù)字通訊，實(shí)現(xiàn)功能控制和信號(hào)采集。處理電路體積小，控制精度高，可靠性與集成度高，為后續(xù)型號(hào)電氣控制產(chǎn)品的研制提供了參考和借鑒。

電氣控制組合；嵌入式；數(shù)字通訊；控制精度；可靠性；導(dǎo)彈

0 引言

目前，世界主要國(guó)家導(dǎo)彈技術(shù)的發(fā)展已形成多代產(chǎn)品并存的局面，研制新型高可靠性、高集成度的導(dǎo)彈產(chǎn)品成為發(fā)展的主流[1]。電氣控制組合是彈上電氣系統(tǒng)的重要控制組件，在導(dǎo)彈設(shè)計(jì)中其作用有2部分：一是完成發(fā)射與飛行中必要的點(diǎn)火、空中轉(zhuǎn)電等控制過程；二是對(duì)彈地通信與測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，使之滿足測(cè)發(fā)控任務(wù)要求。因此，長(zhǎng)期以來任務(wù)驅(qū)動(dòng)為設(shè)計(jì)目的，以可靠性為第一要?jiǎng)?wù)，造成以模擬器件和分立器件為主要實(shí)現(xiàn)手段的局面[2]。

傳統(tǒng)的電氣控制組合處理電路采用模擬電路實(shí)現(xiàn)彈上負(fù)載的功能控制和信號(hào)檢測(cè)。隨著導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的發(fā)展，在當(dāng)前的以綜合射頻為先進(jìn)航電技術(shù)帶動(dòng)下，導(dǎo)彈彈上設(shè)備的實(shí)現(xiàn)手段已從以往單一的任務(wù)驅(qū)動(dòng)，逐漸向體系化和資源共享的技術(shù)走向上發(fā)展。采用傳統(tǒng)模擬電路實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)對(duì)彈上設(shè)備的控制和檢測(cè)，具有控制精度低、彈上傳輸電纜復(fù)雜、可靠性和穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)；同時(shí)，對(duì)多個(gè)彈上設(shè)備進(jìn)行同步控制和狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)，以模擬器件和分立器件為主的電氣控制組合體積、重量較大，研發(fā)成本較高[3]。

隨著數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式處理器逐步應(yīng)用在控制系統(tǒng)和組合裝置中，其優(yōu)點(diǎn)在于：控制參數(shù)修改便捷，通過編程控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的控制功能，控制軟件固化在嵌入式系統(tǒng)中，控制和采集精度高。同時(shí)，嵌入式控制系統(tǒng)可進(jìn)行集成化、模塊化設(shè)計(jì)，系統(tǒng)體積小[4]。將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到電氣控制組合產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，一方面將彈上設(shè)備返回的模擬量檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量[5]，通過與地面系統(tǒng)數(shù)字通信，送地面解碼分析；另一方面將地面系統(tǒng)發(fā)出的數(shù)字控制命令經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成模擬量輸出，控制彈上設(shè)備各種電氣功能的實(shí)現(xiàn)。采用嵌入式處理電路的電氣控制組合相對(duì)于傳統(tǒng)模擬電路而言，可以解決產(chǎn)品體積和重量大、控制和檢測(cè)精度低、信號(hào)傳輸電纜復(fù)雜[6]、研發(fā)成本高等問題，具有小體積、軟件固化、高可靠性和高集成度等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。由此可見，將嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用到電氣控制組合研制中，存在諸多優(yōu)點(diǎn)，是武器系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)功能概述

將嵌入式處理技術(shù)用于電氣控制組合的設(shè)計(jì)中，用數(shù)字量傳輸實(shí)現(xiàn)地面系統(tǒng)對(duì)彈上設(shè)備進(jìn)行相關(guān)功能控制和狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)。采用嵌入式處理方式，避免了傳統(tǒng)分立器件和模擬器件為主的電氣控制組合體積大、控制和檢測(cè)精度低、信號(hào)傳輸電纜復(fù)雜等問題。同時(shí)，嵌入式處理技術(shù)使軟件固化在數(shù)字芯片里，系統(tǒng)可靠性提高。嵌入式處理電路設(shè)計(jì)分硬件電路設(shè)計(jì)和嵌入式軟件設(shè)計(jì)2部分。

2 硬件電路設(shè)計(jì)[9]

電氣控制組合作為獨(dú)立的彈上電氣控制產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈發(fā)射與飛行中的電氣控制及彈上設(shè)備反饋信號(hào)采集，還實(shí)現(xiàn)設(shè)備二次電源與地面電源隔離轉(zhuǎn)換、內(nèi)部信號(hào)自檢、與地面系統(tǒng)的通訊功能。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

根據(jù)電氣控制組合實(shí)現(xiàn)功能要求和輸入、輸出信號(hào)的特征，提出一種嵌入式彈上電氣系統(tǒng)控制組件設(shè)計(jì)思路。本文將電路設(shè)計(jì)分模塊化進(jìn)行分析，主要有：模擬信號(hào)檢測(cè)電路、狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)電路、嵌入式控制處理電路、RS- 422通訊電路、二次電源轉(zhuǎn)換電路。

圖1 系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Block diagram of the system

2.1 模擬信號(hào)檢測(cè)電路

電氣控制組合需要檢測(cè)的彈上設(shè)備模擬信號(hào)有：彈上設(shè)備供電電壓信號(hào)、彈上電池開路電壓信號(hào)，信號(hào)特征為一次電源供電輸出的模擬量，幅值為27 V。模擬信號(hào)檢測(cè)電路原理框圖如圖2所示。

彈上設(shè)備輸入的信號(hào)由一次電源供電，電氣控制組合先將輸入信號(hào)按比例分壓，采用隔離運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)一次電源與二次電源的隔離，信號(hào)在DSP(digital signal processing)內(nèi)部AD(analog to digital)轉(zhuǎn)換后經(jīng)隔離通訊芯片與地面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。隔離運(yùn)算放大器內(nèi)部原理框圖如圖3所示。

隔離運(yùn)算放大器具有精度高、功耗低、共模性能好、體積小等特點(diǎn)，且通過片內(nèi)變壓器耦合，對(duì)浮地信號(hào)的輸入和輸出進(jìn)行電氣隔離，使其信號(hào)在輸出端轉(zhuǎn)換為共地信號(hào)[10]。運(yùn)算放大器輸入端為同向比例放大器，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的增益可調(diào)，輸入和輸出電壓滿足[11]：

(1)

式中：VSIG為隔離運(yùn)放輸入電壓；VO為隔離運(yùn)放輸出電壓；反饋電阻RF≥20 kΩ。通過調(diào)節(jié)電阻RF和RG的阻值來調(diào)整輸出電壓。

電氣控制組合硬件電路內(nèi)部嵌入式處理器具有AD轉(zhuǎn)換模塊，內(nèi)置采樣/保持電路[11]。n位AD轉(zhuǎn)換的數(shù)字結(jié)果可以近似表示為

(2)

式中：VA_IN為ADC輸入模擬電壓值；VREFHI為ADC模擬參考電壓高電平電壓值；VREFLO為ADC模擬參考電壓低電平電壓值。

2.2 狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)電路

電氣控制組合檢測(cè)彈上設(shè)備反饋的狀態(tài)信號(hào)，信號(hào)特征為彈上設(shè)備光電耦合器輸出開關(guān)量。狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)電路框圖如圖4所示。

電氣控制組合內(nèi)將彈上設(shè)備光耦輸出端集電極接二次電源電壓+5 V，光耦輸出端發(fā)射極與16位總線電平轉(zhuǎn)換電路相連。電平轉(zhuǎn)換電路采用+5 V和+3.3 V供電的雙電源工作模式，將+5 V的TTL(transistor- transistor logic)電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為DSP的I/O端口電平信號(hào)，DSP處理器對(duì)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，再通過RS- 422轉(zhuǎn)換芯片將測(cè)量數(shù)據(jù)送地面系統(tǒng)進(jìn)行解碼和分析。

圖2 模擬信號(hào)檢測(cè)電路框圖Fig.2 Diagram of analogy signal detecting circuit

圖3 隔離運(yùn)算放大器應(yīng)用及內(nèi)部功能框圖Fig.3 Schematic diagram of isolated operational amplifier

2.3 嵌入式控制處理電路

地面系統(tǒng)與電氣控制組合采用RS- 422平衡通訊，電控內(nèi)嵌入式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換，信號(hào)經(jīng)調(diào)理后對(duì)彈上設(shè)備進(jìn)行供/斷電、空中轉(zhuǎn)電、火工品點(diǎn)火等控制，對(duì)信號(hào)的控制精度和抗干擾能力具有較高的要求，嵌入式控制系統(tǒng)處理電路框圖如圖5所示。

嵌入式處理器DSP芯片輸出低電平有效，由于DSP的IO口采用3.3 V電壓供電，輸出電壓較低，易受干擾，導(dǎo)彈發(fā)射飛行試驗(yàn)中，彈上電磁環(huán)境復(fù)雜，采用嵌入式處理器直接控制負(fù)載繼電器會(huì)引起負(fù)載誤動(dòng)作，為試驗(yàn)留下隱患。為解決嵌入式芯片直接驅(qū)動(dòng)信號(hào)抗干擾能力弱的問題，采用平轉(zhuǎn)換電路將I/O輸出信號(hào)升壓，使之可靠驅(qū)動(dòng)負(fù)載光MOS繼電器工作。光MOS繼電器輸入端光電二極管工作電流為8～12 mA，輸出端MOS管單向電流0.5 A，可實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)隔離保護(hù)，同時(shí)具有功耗低、驅(qū)動(dòng)電流大的特點(diǎn)。

光MOS繼電器輸入端為發(fā)光二極管，陽(yáng)極經(jīng)限流電阻與+5 V二次電源電壓連接，陰極與電平轉(zhuǎn)換電路輸出管腳相連；繼電器輸出端為MOS器件，MOS管的源極與一次電源相連，漏級(jí)接負(fù)載電路控制信號(hào)輸入正，控制信號(hào)輸入負(fù)與一次電源負(fù)連接。采用此方法，嵌入式處理器輸出的控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力提高。

2.4 RS- 422通訊電路

地面系統(tǒng)與電氣控制組合通過RS- 422總線進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為115 200 bps，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、高速率數(shù)據(jù)通訊。地面系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)PCI插槽內(nèi)RS- 422通訊板卡與控制組合進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，信息發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)采用命令幀格式(a))和數(shù)據(jù)幀格式(b))，如圖6所示。

DSP控制器SCI單元輸出的TTL電平信號(hào)經(jīng)隔離通訊芯片轉(zhuǎn)換后傳送給地面系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的隔離通訊，電路原理如圖7[12]所示。

圖4 狀態(tài)信號(hào)檢測(cè)電路框圖Fig.4 Diagram of operational signal detecting circuit

圖5 嵌入式控制系統(tǒng)處理電路框圖Fig.5 Diagram of embedded controlling circuit

圖6 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of data package

圖7中，A為信號(hào)接收正，B為信號(hào)接收負(fù)，Y為信號(hào)發(fā)送正，Z為信號(hào)發(fā)送負(fù)。在接收信號(hào)正(A)與負(fù)(B)兩端并聯(lián)120 Ω匹配電阻，消除末端反射，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.5 二次電源轉(zhuǎn)換電路

選用DC/DC模塊將地面一次電源+27 V轉(zhuǎn)換為+15 V和+5 V 2路二次電源，同時(shí)實(shí)現(xiàn)二次電源與一次電源地線間的隔離。嵌入式處理器DSP內(nèi)核電壓為1.8 V，I/O電壓為3.3 V。采用DSP電源芯片，實(shí)現(xiàn)+5 V電源轉(zhuǎn)換輸出+3.3 V和+1.8 V 2種直流電壓。為保證DSP內(nèi)核在電源未達(dá)到工作電壓之前，不存在非受控狀態(tài)，需要在內(nèi)核電壓+1.8 V到來之前對(duì)DSP進(jìn)行復(fù)位。相關(guān)電源電路、復(fù)位電路原理如圖8所示。

嵌入式處理器DSP2812上電次序是先外圍I/O上電再內(nèi)核上電，即3.3 V先上電，1.8 V后上電[13]。在I/O口3.3 V上電而內(nèi)核1.8 V尚未上電的瞬間，I/O口處于不確定狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致電氣控制組合內(nèi)部邏輯混亂。選用電源轉(zhuǎn)換芯片，通過對(duì)DSP芯片的延時(shí)復(fù)位來解決這一問題。電源轉(zhuǎn)換芯片2OUT管腳先輸出3.3 V電源電壓，此時(shí)1.8 V電壓管腳1OUT和1RESET管腳為低電平，將1RESET管腳與DSP2812的復(fù)位管腳相連，DSP進(jìn)行復(fù)位；200 ms后，1OUT有1.8 V電壓輸出，1RESET管腳輸出電平置高，DSP內(nèi)核上電，停止復(fù)位。DSP復(fù)位期間，所有管腳輸出電平置低，3.3 V電源電壓降到0.5 V，該電壓值不能直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載端光-MOS繼電器工作，因此DSP上電復(fù)位期間電氣控制組合內(nèi)控制繼電器不會(huì)誤動(dòng)作。其中，0.1 μF電容C4，C5為去耦電容，100 μF鉭電容Ct4，Ct5增加輸出電壓穩(wěn)定性。250 kΩ電阻R5，R6為復(fù)位信號(hào)上拉電阻，當(dāng)1OUT管腳有1.8V電壓輸出時(shí)，1RESET管腳復(fù)位信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖健?/p>

圖7 RS- 422通訊電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of RS- 422 communicating circuit

圖8 DSP電源電路、復(fù)位電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of power and reset circuit for DSP

3 軟件模塊設(shè)計(jì)

電氣控制組合嵌入式軟件存儲(chǔ)在DSP內(nèi)部FLASH中，DSP主頻為100 MHz。軟件實(shí)現(xiàn)功能：接收地面或運(yùn)載器發(fā)出的數(shù)字量控制命令，輸出相應(yīng)控制信號(hào)；采集彈上設(shè)備反饋信號(hào)和組合的內(nèi)部自檢參數(shù)并通過422端口發(fā)送至地面[14-15]。

3.1 功能模塊

電氣控制組合上電或復(fù)位后自動(dòng)加載程序，在完成軟硬件初始化后進(jìn)入等待命令狀態(tài)，根據(jù)地面發(fā)送的命令執(zhí)行操作，功能模塊流程圖如圖9所示。3.2 定時(shí)中斷模塊

電氣控制組合采集彈上設(shè)備輸入的主要功能參數(shù)和內(nèi)部特征參數(shù)，通過串口發(fā)送到地面系統(tǒng)進(jìn)行分析處理，根據(jù)地面系統(tǒng)功能時(shí)序要求，軟件上采用5 ms定時(shí)中斷完成內(nèi)部I/O口和AD的采樣功能。定時(shí)中斷模塊流程如圖10所示。

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

根據(jù)電氣控制組合的輸入輸出關(guān)系，開發(fā)了半自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備，包括數(shù)字萬用表、直流穩(wěn)壓電源、測(cè)試電纜、測(cè)控臺(tái)及上位機(jī)，對(duì)電氣控制組合的電性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。圖11為隨機(jī)振動(dòng)篩選試驗(yàn)圖。

圖中，電氣控制組合測(cè)試臺(tái)模擬彈上設(shè)備不同功能輸入、輸出電壓信號(hào)，直流穩(wěn)壓電源模擬地面一次電源為系統(tǒng)供電，上位機(jī)軟件與電氣控制組合通訊，向電氣控制組合發(fā)送控制命令，接收電氣控制組合傳送的測(cè)量數(shù)據(jù)、進(jìn)行解碼處理并實(shí)時(shí)顯示。

4.1 模擬信號(hào)檢測(cè)電路

電氣控制組合上電后，由測(cè)試臺(tái)輸入不同的彈上設(shè)備供電電壓信號(hào)、彈上電池開路電壓信號(hào)，上位機(jī)與控制組合RS- 422平衡通訊，將電控內(nèi)采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)字量的形式傳送給上位機(jī)軟件，輸入信號(hào)由0 V變化到32 V，得到的數(shù)據(jù)曲線如圖12所示。

圖9 軟件功能模塊流程圖Fig.9 Flow diagram of software functional module

圖10 定時(shí)中斷模塊流程圖Fig.10 Flow diagram of timer interruption module

圖11 隨機(jī)振動(dòng)篩選試驗(yàn)圖Fig.11 Test diagram of random vibration screening

圖12 模擬信號(hào)檢測(cè)電路數(shù)據(jù)曲線Fig.12 Analogy signal detection circuit data curve

由圖12可以看出，經(jīng)電氣控制組合采集并處理后的數(shù)字信號(hào)與輸入模擬電壓信號(hào)呈線性關(guān)系，且線性度良好。彈上設(shè)備供電電壓信號(hào)滿足：

(3)

彈上電池開路電壓信號(hào)滿足：

(4)

式中：VIn為嵌入式處理器AD轉(zhuǎn)換后數(shù)值。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模擬信號(hào)檢測(cè)電路可以對(duì)多發(fā)彈上設(shè)備返回信號(hào)進(jìn)行隔離檢測(cè)，檢測(cè)精度為0.01 V，電氣控制組合傳送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)真實(shí)有效，可靠地反映了輸入信號(hào)的特征。

4.2 通訊可靠性測(cè)試

使用測(cè)試設(shè)備對(duì)電氣控制組合的電性能進(jìn)行測(cè)試，采用測(cè)控臺(tái)模擬不同功能信號(hào)輸入數(shù)據(jù)，通過Labview軟件編寫數(shù)據(jù)處理機(jī)顯示界面。

通過對(duì)上位機(jī)軟件采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在20 m內(nèi)無數(shù)據(jù)丟失、無誤碼數(shù)據(jù)；上位機(jī)軟件發(fā)送控制命令，電氣控制組合在10 ms內(nèi)完成相應(yīng)繼電器動(dòng)作，控制命令實(shí)時(shí)性良好。

5 結(jié)束語

本文采用RS- 422通訊，通過地面系統(tǒng)與電氣控制組合數(shù)據(jù)交互，將彈上設(shè)備返回的模擬量檢測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，發(fā)送地面解碼分析，測(cè)量數(shù)據(jù)具有較高的精度和可靠性；將地面發(fā)出的數(shù)字量控制信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出，產(chǎn)生彈上設(shè)備控制信號(hào)，具有較高的實(shí)時(shí)性和可靠性。將嵌入式技術(shù)應(yīng)用到彈上電氣控制組合的電路設(shè)計(jì)中，利用嵌入式系統(tǒng)體積小、軟件固化的優(yōu)點(diǎn)，減少了彈上信號(hào)傳輸電纜的數(shù)量，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)接口，提高了系統(tǒng)的集成度和可靠性，具有很好的推廣價(jià)值。

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Embedded Processing Technique for the Electric Control Box

ZHANG Zi- qiang1，XUE Jian2，CHEN Guang- xin1，LIU Fang1，WANG Yan- hui1，LI Shuo1

(1.Beijing Aerospace Xinfeng Mechanical Equipment Co.，LTD，Beijing 100854，China； 2.Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

Traditional missile electric box using analog circuit and discrete device has drawbacks of huge volume, complex transmission cables and low control precision. An embedded processing technology which uses digital communication between the electric control box and ground test- launch- control system is proposed. The circuit possesses characteristics as small volume, higher control accuracy, higher reliability and integration level, which provides a useful reference for future development of missile electric control equipment.

electric control box；embedded；digital communication；control accuracy；reliability；missile

2016-07-27；

2016-12-12 基金項(xiàng)目：有 作者簡(jiǎn)介：張自強(qiáng)(1988-)，男，河北唐山人。工程師，碩士，主要從事航天電氣系統(tǒng)理論研究與相關(guān)設(shè)計(jì)。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.027

TJ765.4； TJ768.3

A

1009- 086X(2017)- 04- 0172- 08

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