基于RS-485總線的智能起爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王靜雅，李黎明，任 西，尹國(guó)福

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安，710061）

可尋址集成式智能起爆系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱智能起爆系統(tǒng)）將起爆方式從中心式發(fā)火控制轉(zhuǎn)變?yōu)榧锌刂品植际狡鸨?，從根本上改變了起爆系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，極大優(yōu)化了起爆系統(tǒng)的性能[1]。智能起爆系統(tǒng)在戰(zhàn)略導(dǎo)彈突防誘餌和多用途電子引信等點(diǎn)火引爆系統(tǒng)方面具有軍事需求，可用于導(dǎo)彈、火箭彈的起爆與點(diǎn)火、末制導(dǎo)導(dǎo)彈姿態(tài)調(diào)整[2]。美國(guó)Ensign Bickford航天防務(wù)公司研發(fā)的“Wizord TM”起爆系統(tǒng)是智能起爆系統(tǒng)的一個(gè)典范，其融合了半導(dǎo)體橋技術(shù)、微型電子器件及數(shù)字通信技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)武器系統(tǒng)的多點(diǎn)可尋址點(diǎn)火起爆[1-3]。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外智能點(diǎn)火起爆的發(fā)展現(xiàn)狀，本文研制了一款基于RS-485總線的智能起爆系統(tǒng)，其具備可靠性好、通信效率高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小及重量輕的特性，通過(guò)采用總線尋址技術(shù)，可安全可靠地實(shí)現(xiàn)多種模式起爆，并且具有狀態(tài)自檢、解除保險(xiǎn)、精確延時(shí)控制等功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該起爆系統(tǒng)由一個(gè)總線控制器、一條多接頭電纜和多個(gè)智能起爆器組成，如圖1所示，所有起爆器通過(guò)電纜與總線控制器相連，以多路復(fù)用的方式共享同一信道[4-6]。

圖1 智能起爆系統(tǒng)原理樣機(jī)Fig.1 Photo of intelligent initiation system

1.1 總線控制器

總線控制器作為起爆系統(tǒng)中的唯一主設(shè)備，集中控制整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)作。其接收來(lái)自制導(dǎo)與控制單元的指令，并控制該指令與能量到達(dá)指定的起爆器；同時(shí)接收起爆器的響應(yīng)信息，并將該指令的執(zhí)行結(jié)果上報(bào)給制導(dǎo)與控制單元。

1.2 智能起爆器

智能起爆器接收總線控制器的命令，執(zhí)行相關(guān)的輸出操作，并將執(zhí)行結(jié)果反饋給總線控制器。采用微電子集成設(shè)計(jì)，如圖2所示，將通信電路、控制電路、安保機(jī)構(gòu)、發(fā)火電路及半導(dǎo)體橋芯片集成為一體，形成直徑Ф≤20mm的智能火工品。

圖2 智能起爆器硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of intelligent initiator

每個(gè)起爆器都帶有唯一可識(shí)別的地址編碼，在指令信號(hào)識(shí)別過(guò)程中，起爆器只有接收到地址碼吻合的指令信號(hào)，才會(huì)發(fā)生作用，其他雜散信號(hào)都會(huì)被信息識(shí)別模塊拒絕。在總線控制器的指令控制下，通過(guò)快速總線尋址，智能起爆器可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)自檢、解除保險(xiǎn)、多模式發(fā)火、精確延時(shí)等操作。

1.3 傳輸電纜

傳輸電纜起著電能傳輸與信號(hào)傳輸?shù)淖饔?，為起爆器提供低電壓、低電流及控制信?hào)。采用5芯屏蔽雙絞線電纜，包括2根電源線（1根操作能量線、1根自檢或發(fā)火能量線）、2根差分信號(hào)通信線和1根地線。通信線路采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)平衡傳輸差分信號(hào)，RS-485總線接口芯片選用帶隔離、多負(fù)載驅(qū)動(dòng)的增強(qiáng)型ADM2483，磁隔離可有效抑制各種噪聲干擾，大大提高傳輸信噪比；1/8單位負(fù)載的輸入阻抗可允許多達(dá)256個(gè)收發(fā)器接入總線；最高傳輸速率可達(dá)500kbps[7]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

為了保證總線控制器與起爆器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，除了使用抗干擾能力強(qiáng)的RS-485總線，還要設(shè)計(jì)一個(gè)高效可靠的通信協(xié)議。

通信采用指令/響應(yīng)式主從結(jié)構(gòu)，總線控制器將含有地址字段的指令幀傳送到總線上，地址吻合的起爆器執(zhí)行指令，并將響應(yīng)幀反饋給總線控制器；地址不吻合的起爆器因識(shí)別出該指令幀不是發(fā)給自己的，不會(huì)有任何動(dòng)作。數(shù)據(jù)幀是單片機(jī)之間或單片機(jī)與PC機(jī)通信過(guò)程中傳送信息的基本單元，分為指令幀和響應(yīng)幀，包括地址字段、指令字段或響應(yīng)字段、檢錯(cuò)字段，如圖3所示[1,8-10]。

圖3 數(shù)據(jù)幀基本格式Fig.3 Basic format of data frame

地址字段：被尋訪的起爆器地址，1個(gè)字節(jié)，0x00～0xEF作為0～254號(hào)起爆器唯一可識(shí)別的地址碼，0xFF作為所有起爆器共用的廣播地址。而在PC機(jī)與起爆器一對(duì)一的通信過(guò)程中，該字節(jié)固定為0xFF。指令字段：被尋訪起爆器需完成的動(dòng)作，1個(gè)或多個(gè)字節(jié)，共設(shè)定了7個(gè)指令，分別為狀態(tài)檢測(cè)、地址編碼、單址充電、單址發(fā)火、系統(tǒng)自檢、廣播充電、廣播發(fā)火；其中前4個(gè)屬于單址命令，只有地址吻合的某個(gè)起爆器執(zhí)行該指令；后3個(gè)屬于廣播指令，所有起爆器同時(shí)執(zhí)行該指令。響應(yīng)字段：被尋訪起爆器反饋的執(zhí)行結(jié)果，1個(gè)字節(jié)。檢錯(cuò)字段：采用校驗(yàn)和的方法對(duì)傳送的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，1個(gè)字節(jié)，值為地址字段與指令或響應(yīng)字段所有字節(jié)的二進(jìn)制算術(shù)和。和校驗(yàn)差錯(cuò)控制編碼，雖然只能檢測(cè)出存在錯(cuò)碼而無(wú)法糾正錯(cuò)碼，但是對(duì)于單片機(jī)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，程序處理簡(jiǎn)單、速度快，而且RS-485通信可靠，發(fā)生誤碼的概率很小，即使發(fā)生了只需重發(fā)一遍即可。

2.2 程序設(shè)計(jì)

智能起爆系統(tǒng)軟件分為總線控制器軟件和智能起爆器軟件兩部分?？偩€控制器和智能起爆器的主控芯片采用C8051Fxxx系列單片機(jī)，具有高模擬集成度、體積小、抗干擾能力好、低功耗、集成FLASH存儲(chǔ)器等特點(diǎn)[10]。

2.2.1 總線控制器程序設(shè)計(jì)

C8051F340具有兩個(gè)通用異步收發(fā)器：UART0和UART1，分別實(shí)現(xiàn)與制導(dǎo)、與控制單元和智能起爆器的通信。程序主要分為主函數(shù)、UART0中斷接收函數(shù)、UART0查詢發(fā)送函數(shù)、UART1中斷接收函數(shù)、UART1查詢發(fā)送函數(shù)。主函數(shù)流程如圖4所示。

圖4 總線控制器主函數(shù)流程圖Fig.4 Flow chart of main function for bus controller

首先，UART0以中斷方式接收來(lái)自制導(dǎo)與控制單元的指令信號(hào)，并判斷指令是否有效，若指令無(wú)效，則向制導(dǎo)與控制單元發(fā)送錯(cuò)誤代碼55H，要求重發(fā)該指令，直到接收到正確指令；若指令有效，則按幀格式組裝成標(biāo)準(zhǔn)指令幀，通過(guò)UART1下發(fā)給指定起爆器，對(duì)于自檢指令或解除保險(xiǎn)指令，還需閉合自檢能量開(kāi)關(guān)或發(fā)火能量開(kāi)關(guān)，使自檢能量或發(fā)火能量通過(guò)總線傳送到起爆器。然后，UART1以中斷方式接收起爆器反饋的響應(yīng)幀，并將指令的執(zhí)行結(jié)果通過(guò)UART0上傳給制導(dǎo)與控制單元。

2.2.2 智能起爆器程序設(shè)計(jì)

起爆器程序主要分為主函數(shù)、指令幀接收函數(shù)、響應(yīng)幀發(fā)送函數(shù)及指令執(zhí)行函數(shù)，其中指令執(zhí)行函數(shù)包括狀態(tài)檢測(cè)子函數(shù)、地址編碼子函數(shù)、系統(tǒng)自檢子函數(shù)、單址充電子函數(shù)、廣播充電子函數(shù)、發(fā)火子函數(shù)。主函數(shù)流程如圖5所示。

圖5 智能起爆器主函數(shù)流程圖Fig.5 Flow chart of main function for intelligent initiator

當(dāng)指令幀傳送到總線上，起爆器以中斷方式接收并判斷數(shù)據(jù)格式是否正確，若出現(xiàn)地址不匹配、無(wú)效命令或校驗(yàn)錯(cuò)誤，則直接丟棄該幀。只有3個(gè)條件同時(shí)滿足，該起爆器才會(huì)判定這是發(fā)給自己的正確指令幀，根據(jù)指令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作：狀態(tài)檢測(cè)、地址編碼、系統(tǒng)自檢、單址充電、廣播充電、單址發(fā)火、廣播發(fā)火，并將執(zhí)行結(jié)果以響應(yīng)幀的形式反饋給總線控制器。

3 起爆系統(tǒng)功能測(cè)試

最小起爆測(cè)試系統(tǒng)包括上位機(jī)PC、總線控制器和2個(gè)智能起爆器，如圖6所示。PC機(jī)用于模擬制導(dǎo)與控制單元向起爆系統(tǒng)輸入指令信號(hào)，因?yàn)镻C機(jī)不具備RS-485總線接口，所以必須通過(guò)RS-232/485轉(zhuǎn)換器接入485總線網(wǎng)絡(luò)。起爆器以磁隔離的方式接入總線網(wǎng)絡(luò)。

圖6 最小起爆測(cè)試系統(tǒng)框圖Fig.6 Structure diagram of initiating test system

3.1 狀態(tài)檢測(cè)與地址編碼

系統(tǒng)組裝前，利用“微電子火工品自檢及編碼控制軟件”[11]對(duì)每個(gè)起爆器進(jìn)行狀態(tài)檢測(cè)，并為狀態(tài)正常者寫(xiě)入一個(gè)可擦寫(xiě)的地址編碼。狀態(tài)檢測(cè)與地址編碼指令保證了接入系統(tǒng)的起爆器都是合格且具有身份標(biāo)識(shí)符ID。如圖7所示，該起爆器硬件電路正常，并被成功寫(xiě)入地址編碼1。

圖7 狀態(tài)檢測(cè)與地址編碼結(jié)果Fig.7 Test result of state inspection and address coding

3.2 系統(tǒng)自檢測(cè)試

總線控制器接收到來(lái)自制導(dǎo)與控制單元的自檢信號(hào)，立即閉合自檢能量開(kāi)關(guān)，將自檢能量通過(guò)總線傳送到起爆器單元；同時(shí)將自檢信號(hào)按幀格式組裝成標(biāo)準(zhǔn)指令幀，廣播下發(fā)給所有起爆器。每個(gè)起爆器識(shí)別廣播地址與自檢指令，快速檢測(cè)充電電路、泄放電路及發(fā)火電路的工作狀態(tài)，并將自檢結(jié)果分時(shí)反饋給總線控制器。自檢指令再次確認(rèn)了系統(tǒng)上的起爆器都能正常工作。

2號(hào)起爆器5V自檢電壓測(cè)試波形如圖8所示，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，儲(chǔ)能電容上的電壓均能達(dá)到規(guī)定閾值，說(shuō)明充電電路、泄放電路及發(fā)火電路正常。

圖8 5V自檢電壓測(cè)試波形Fig.8 Test waveform of self-check voltage 5V

而且，總線控制器的液晶屏上顯示出“2號(hào)起爆器自檢正?！保鐖D9所示。自檢的充電時(shí)間稍長(zhǎng)，有利于安全性的提高。

圖9 2號(hào)起爆器自檢結(jié)果Fig.9 Test result of self-inspection

3.3 解除保險(xiǎn)測(cè)試

總線控制器接收到來(lái)自制導(dǎo)與控制單元的解保信號(hào)，立即閉合發(fā)火能量開(kāi)關(guān)，將發(fā)火能量通過(guò)總線傳送到起爆器單元；同時(shí)將解保信號(hào)按幀格式組裝成標(biāo)準(zhǔn)指令幀，轉(zhuǎn)發(fā)給指定起爆器。若是單址充電指令，則地址吻合的起爆器識(shí)別ID與解保指令，然后閉合充電開(kāi)關(guān)，儲(chǔ)能電容迅速充電，待充電完成后，將充電結(jié)果反饋給總線控制器；若是廣播充電指令，則每個(gè)起爆器識(shí)別廣播地址與解保指令，并將充電結(jié)果分時(shí)反饋給總線控制器。解除保險(xiǎn)指令保證了待發(fā)火的起爆器充上電，處于發(fā)火狀態(tài)的準(zhǔn)備。

2號(hào)起爆器27V發(fā)火電壓測(cè)試波形如圖10所示，經(jīng)過(guò)約180ms儲(chǔ)能電容上的電壓達(dá)26.75V，說(shuō)明充電成功。而且，總線控制器的液晶屏上顯示出“2號(hào)起爆器充電成功”，如圖11所示。

圖11 2號(hào)起爆器解保結(jié)果Fig.11 Test result of arming

3.4 發(fā)火

總線控制器接收到來(lái)自制導(dǎo)與控制單元的發(fā)火信號(hào)，將發(fā)火信號(hào)按幀格式組裝成標(biāo)準(zhǔn)指令幀，轉(zhuǎn)發(fā)給指定起爆器。若是單址發(fā)火指令，則地址吻合的起爆器識(shí)別ID與發(fā)火指令，然后閉合發(fā)火開(kāi)關(guān)，儲(chǔ)能電容上的能量通過(guò)半導(dǎo)體橋換能元SCB起爆火工藥劑；若是廣播發(fā)火指令，則所有起爆器幾乎在同一時(shí)間發(fā)火。為了提高系統(tǒng)的安全性，未能正常發(fā)火的起爆器閉合泄放開(kāi)關(guān)，將電容存儲(chǔ)的能量通過(guò)泄放電阻釋放掉。

圖12 單點(diǎn)與雙點(diǎn)起爆測(cè)試Fig.12 Test result of single-point and two-point initiation

由圖10可知，發(fā)火時(shí)間約為10μs。單點(diǎn)、雙點(diǎn)起爆測(cè)試如圖12所示，在單點(diǎn)起爆測(cè)試中，1號(hào)起爆器在規(guī)定參數(shù)范圍內(nèi)正常發(fā)火；在雙點(diǎn)同步起爆測(cè)試中，1號(hào)和2號(hào)起爆器幾乎在同一時(shí)間內(nèi)發(fā)火，無(wú)瞎火現(xiàn)象。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于RS-485總線的智能起爆系統(tǒng)是融合了微電子技術(shù)、通信技術(shù)、自控技術(shù)及火工技術(shù)而形成的結(jié)構(gòu)微型化、換能信息化的分布式智能火工系統(tǒng)，使武器系統(tǒng)中所有火工品網(wǎng)絡(luò)化，通過(guò)總線尋址，安全可靠地實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)起爆、多點(diǎn)順序起爆、多點(diǎn)同步起爆、延時(shí)起爆等多種起爆模式，最多可尋址255個(gè)起爆器。系統(tǒng)通信采用RS-485串行總線標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格按照通信協(xié)議規(guī)范，進(jìn)行數(shù)據(jù)高效可靠的雙向傳輸。經(jīng)通信和功能測(cè)試，驗(yàn)證了該起爆系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確無(wú)誤且實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠穩(wěn)定可靠地執(zhí)行地址編碼、狀態(tài)自檢、解除保險(xiǎn)、尋址發(fā)火及精確延時(shí)等功能。但由于起爆系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，有很多不定的干擾源存在，故還需對(duì)該智能起爆系統(tǒng)進(jìn)行電磁干擾測(cè)試，進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。

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