基于高檔精簡指令集單片機(jī)的彈上記錄儀

駱海濤，鄭小燕，唐 強(qiáng)，鄭 松，孟會(huì)玲

（1.西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2.西安外事學(xué)院，陜西 西安 710077）

0 引言

當(dāng)前武器已向多用途、通用化、智能化和高精度的方向發(fā)展，以實(shí)現(xiàn)武器彈藥的最大效能和對(duì)目標(biāo)的最佳毀傷。因此，掌握彈的飛行環(huán)境信息和動(dòng)態(tài)特性規(guī)律對(duì)于武器的研制至關(guān)重要［1］。彈載存儲(chǔ)測(cè)試是以動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合當(dāng)前較先進(jìn)和可靠的技術(shù)研制的隨彈飛行撞擊和侵徹目標(biāo)，測(cè)試和記錄整個(gè)飛行過程參數(shù)，回收后讀取數(shù)據(jù)的測(cè)試裝置［2］。傳統(tǒng)遙測(cè)在飛行彈道末端受到地面、多徑傳輸?shù)母蓴_，遙測(cè)通信容易出現(xiàn)中斷的問題［3］。傳統(tǒng)的基于FPGA或51單片機(jī)與SRAM或FIFO實(shí)現(xiàn)的數(shù)據(jù)記錄儀存在復(fù)雜度高、體積過大等特點(diǎn)［4－6］，在高速碰目標(biāo)或著陸過程的高沖擊過載環(huán)境使用中，存在實(shí)際測(cè)試回收成功率較低的問題。針對(duì)此問題，本文提出基于高檔精簡指令集（RISC）單片機(jī)與閃存實(shí)現(xiàn)彈上記錄儀。

1 彈載存儲(chǔ)測(cè)試現(xiàn)狀

彈載存儲(chǔ)技術(shù)作為遙測(cè)技術(shù)的一個(gè)重要分支，是一種獲取飛行環(huán)境和動(dòng)態(tài)特性參數(shù)的有效方法。它是將整個(gè)存儲(chǔ)裝置安裝在可回收的固件內(nèi)，實(shí)時(shí)記錄飛行的環(huán)境信息和著陸的動(dòng)態(tài)特性參數(shù)，回收測(cè)試裝置后通過計(jì)算機(jī)接口回放數(shù)據(jù)。這一技術(shù)以微計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)還具備以下的技術(shù)：彈上電源技術(shù)；可靠的抗干擾技術(shù)；電子器件二次封裝技術(shù)；加固與緩沖技術(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配工藝技術(shù)。

傳統(tǒng)的彈載存儲(chǔ)硬件主要由以下幾個(gè)部分組成：信號(hào)調(diào)理及A／D轉(zhuǎn)換器、CPU（51單片機(jī)或FPGA）、FIFO或SDRAM、存儲(chǔ)器、電源和讀數(shù)接口，其原理框圖如圖1所示。這是相當(dāng)流行的一種方案，CPU普遍采用傳統(tǒng)的51單片機(jī)或高集成度的FPGA。但存在著明顯的缺點(diǎn)：51單片機(jī)和FPGA都引入了SDRAM或FIFO芯片作為緩存，增加了電路的復(fù)雜性，增大了工作電流，擴(kuò)展了測(cè)試裝置體積。工程經(jīng)驗(yàn)表明：復(fù)雜度過高、體積過大、操作笨拙的彈載存儲(chǔ)裝置在高沖擊的彈載存儲(chǔ)環(huán)境中具有潛在的高風(fēng)險(xiǎn)特性。

圖1 傳統(tǒng)的彈載存儲(chǔ)硬件框圖Fig.1 The traditional missile data reorder hardware block diagram

1.1 51單片機(jī)及基于RISC的高檔AVR單片機(jī)簡介

精簡指令集計(jì)算機(jī)RISC（Reduced Instruction Set Computer）是一種設(shè)計(jì)思想，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)出一套能在高時(shí)鐘頻率下單周期執(zhí)行，簡單而有效的指令集。RISC的設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于降低由硬件執(zhí)行的指令的復(fù)雜度，這是因?yàn)檐浖扔布菀滋峁└蟮撵`活性和更高的智能，因此，RISC設(shè)計(jì)對(duì)編譯器有更高的要求；傳統(tǒng)51單片機(jī)采用了復(fù)雜指令集的計(jì)算機(jī)CISC（Complex Instruction Set Computer），其馮.諾依曼結(jié)構(gòu)限制了單片機(jī)工作速度的提高，CPU與其內(nèi)部FLASH存儲(chǔ)器不能并行工作，以致執(zhí)行一條指令至少需要一個(gè)機(jī)器周期，并且只有一個(gè)累加器A，造成累加器A與SRAM間數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，其指令變得更復(fù)雜。

高檔AVR（AdVanced RISC）單片機(jī)是一款性能更加完善、使用更加方便和功能更加強(qiáng)大的新型單片機(jī)。其關(guān)鍵技術(shù)在于采用了流水線操作和等長指令的體系結(jié)構(gòu)，這種MCU對(duì)SRAM和FLASH存儲(chǔ)器分別進(jìn)行尋址的哈佛（HarVard）結(jié)構(gòu)極大地提高了MCU工作速度，而且片內(nèi)還集成了32個(gè)通用工作寄存器，每個(gè)工作寄存器都可以在指令執(zhí)行前存放一個(gè)操作數(shù)和指令執(zhí)行后存放操作結(jié)果（相當(dāng)于51單片機(jī)的累加器A），這就有效地避免了CISC結(jié)構(gòu)中累加器A與SRAM存儲(chǔ)器間實(shí)際存在的數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。

2 基于高檔AVR單片機(jī)與閃存的彈上記錄儀

2.1 主要的硬件構(gòu)成

針對(duì)遙測(cè)PCM碼流的特點(diǎn)，本文以ATMEL公司的高檔單片機(jī)ATMEGA128為核心架構(gòu)的通用化彈上記錄儀的原理框圖如圖2所示。

圖2 基于AVR單片機(jī)高速彈上記錄儀硬件框圖Fig.2 Based on AVR microcontroller missile data reorder hardware block diagram

彈上記錄儀主要由AVR單片機(jī)ATMEGA128、串并轉(zhuǎn)換接口、存儲(chǔ)器模塊和電源組成?；诟邫nAVR單片機(jī)與閃存實(shí)現(xiàn)彈上記錄儀與傳統(tǒng)的彈載存儲(chǔ)裝置相比有兩點(diǎn)最大的區(qū)別：一是在擯棄繁雜的緩存外設(shè)之后卻額外地增加一個(gè)備份存儲(chǔ)器，并且安裝時(shí)存儲(chǔ)器1垂直于存儲(chǔ)器2，這樣的布局有利于提高著陸過程中隨機(jī)碰撞后裝置核心器件的生存概率；二是把彈載存儲(chǔ)裝置的檢測(cè)和讀數(shù)功能由繁化簡地留給地面控制平臺(tái)和PC機(jī)來控制ATMEGA128的操作及事后數(shù)據(jù)的讀取。

設(shè)計(jì)采用的ATMEGA128是一種高性能的微控制器：內(nèi)含128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、4KB的EEPROM、4KB的SRAM、53個(gè)通用I／O口線、其內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的通用工作寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種哈佛結(jié)構(gòu)（指令流水線）大大地提高了代碼效率，與傳統(tǒng)的微控制器相比高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率；豐富的中斷源極大地方便了對(duì)外設(shè)的快速配置；6種可以通過軟件選擇的省電模式，簡捷地實(shí)現(xiàn)了低功耗?？v觀上述功能都是傳統(tǒng)51單片機(jī)和FPGA無法比擬的。

串并轉(zhuǎn)換接口采用了TOSHIBA公司的高速COMS的8位并行輸出的串行移位寄存器和計(jì)數(shù)器組成，配合單片機(jī)完成遙測(cè)碼流的串并轉(zhuǎn)換。SAMSUNG公司64MB的NAND FLASH用于遙測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

2.2 軟件

傳統(tǒng)的彈載存儲(chǔ)裝置由于采用了復(fù)雜的硬件構(gòu)成，造成裝置的功耗較大，導(dǎo)致大量檢測(cè)工作必須在發(fā)射陣地現(xiàn)場(chǎng)完成，啟動(dòng)方式依靠發(fā)射過載開關(guān)或預(yù)先采集判斷。這樣不僅增加了技術(shù)工程人員的危險(xiǎn)性，而且現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境不可抗拒的突發(fā)因素也不能排除，額外增加了彈載存儲(chǔ)裝置能否成功記錄數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)。

通過遠(yuǎn)距離的RS422控制總線由地面控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)彈上記錄儀的所有功能。設(shè)置了多級(jí)的指令模式，分為4種指令和6種工作狀態(tài)。6種工作狀態(tài)分別是上電初始化狀態(tài)、數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)、準(zhǔn)備好狀態(tài)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)、數(shù)據(jù)擦除狀態(tài)和中斷狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。

開始時(shí)，彈上記錄儀上電復(fù)位后立即進(jìn)行閃存的初始化，并將初始化的信息反饋給地面控制平臺(tái)。設(shè)置的四種指令分別是數(shù)據(jù)讀取指令、準(zhǔn)備好指令、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)指令和數(shù)據(jù)擦除指令，并且只有按照設(shè)定的指令操作程序執(zhí)行，裝置才能正常工作。為確保彈上記錄儀存儲(chǔ)啟動(dòng)的可靠性，增加了對(duì)中斷有效的判斷門閥，防止意外中斷的發(fā)生。根據(jù)設(shè)計(jì)的需求，采取了以下措施提高系統(tǒng)的抗干擾能力：

1）對(duì)指令進(jìn)行加密，長度達(dá)64位；

2）采用多級(jí)指令方式，防止誤操作觸發(fā)擦除或存儲(chǔ)程序運(yùn)行；對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次判斷，只有真實(shí)信號(hào)才能可靠地啟動(dòng)存儲(chǔ)程序；

3）利用軟件陷阱和軟件冗余技術(shù)。程序一旦“跳飛”進(jìn)入非程序區(qū)，通過軟件陷阱即可轉(zhuǎn)向錯(cuò)誤處理程序；

4）利用休眠抗干擾技術(shù)，在程序啟動(dòng)前和結(jié)束后使系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，關(guān)閉所有I／O口和中斷源，保證了裝置一次正常存儲(chǔ)啟動(dòng)后不易受到干擾。

3 彈上記錄儀在遙測(cè)中的應(yīng)用

彈上記錄儀可針對(duì)具體的遙測(cè)PCM碼流進(jìn)行相應(yīng)的參數(shù)和軟件的靈活配置，而不需要進(jìn)行硬件上的更改，，尺寸小（Φ36×27mm），具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，已先后成功地應(yīng)用于多次外場(chǎng)測(cè)試。裝置的各個(gè)模塊供電電壓均是3.3V，在采集、存儲(chǔ)時(shí)裝置的總電流小于25mA，在遙測(cè)PCM的碼流為1Mb／s時(shí)，裝置可以記錄時(shí)長可達(dá)512s，容量為512Mb。試驗(yàn)時(shí)將彈上記錄儀和遙測(cè)艙對(duì)接，由地面控制平臺(tái)完成檢測(cè)后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，裝置一旦檢測(cè)到發(fā)控中心的指令，自動(dòng)開始啟動(dòng)存儲(chǔ)。回收彈上記錄儀后回放數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。試驗(yàn)中，彈上記錄儀在1 200m／s速度下侵徹沙土、礫石深達(dá)12m，歷時(shí)7天挖出來后接口仍然不受破壞，在不用解剖的情況下正常工作讀取存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)。

在地面靜態(tài)聯(lián)試過程中的反復(fù)測(cè)試說明裝置具有可重復(fù)使用性。圖4是地面靜態(tài)聯(lián)試某型號(hào)內(nèi)壁溫度曲線，測(cè)試結(jié)果表明彈上記錄儀記錄的數(shù)據(jù)與理論值相符。圖5是遙測(cè)中斷時(shí)飛行內(nèi)壁溫度曲線，由于遙測(cè)接收過程中受到意外因素的影響，數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了大量的中斷。圖6是飛行的彈上記錄儀記錄的內(nèi)壁溫度曲線，動(dòng)態(tài)試驗(yàn)記錄的數(shù)據(jù)真實(shí)反映了其內(nèi)部環(huán)境信息，為設(shè)計(jì)過程參考提供了可靠的技術(shù)支撐手段。

在多次靜態(tài)、動(dòng)態(tài)試驗(yàn)測(cè)試中的可靠工作充分說明了彈上記錄儀具備較強(qiáng)的抗干擾能力和高可靠性。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)結(jié)果表明，基于AVR單片機(jī)彈載高速彈上記錄儀的性能滿足多種彈道環(huán)境參數(shù)測(cè)試的要求，具有較高的實(shí)用和推廣價(jià)值。

圖4 地面靜態(tài)聯(lián)試中彈內(nèi)壁溫度曲線Fig.4 Ground static testing a weapon wall temperature curve

圖5 遙測(cè)中斷時(shí)彈內(nèi)壁溫度曲線Fig.5 Telemetry was interrupted when a weapon wall temperature curve

圖6 彈上記錄儀記錄的彈內(nèi)壁溫度曲線Fig.6 Missile data reorder for recording a weapon wall temperature curve

4 結(jié)論

本文提出基于高檔AVR單片機(jī)與閃存實(shí)現(xiàn)彈上記錄儀，該裝置主要由單片機(jī)、閃存模塊和地面控制平臺(tái)構(gòu)成，存儲(chǔ)容量可編程最大為512MB；通過多級(jí)指令方式進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測(cè)，并采用了軟件抗干擾技術(shù)。測(cè)試表明：基于單片AVR單片機(jī)與閃存實(shí)現(xiàn)的彈上記錄儀能適應(yīng)惡劣的飛行環(huán)境和經(jīng)受高速（1 200m／s）著陸過程而不受損壞，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)遙測(cè)在近地端遙測(cè)數(shù)據(jù)丟失的缺點(diǎn)。該裝置具有體積小、操作簡便、可靠性高和抗高沖擊過載的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)各種沖擊、振動(dòng)環(huán)境下常規(guī)儀器無法實(shí)現(xiàn)的特殊現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，因此在兵器、航天及國民工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。

［1］范錦彪，徐鵬.硬目標(biāo)侵徹動(dòng)態(tài)參數(shù)記錄儀［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2004，25（4）：197－199.FAN Jinbiao，XU Peng.Miniature flight data recorder for hard target weapons［J］.2004，25（4）：197－199.

［2］文豐，張文棟.高過載記錄器的設(shè)計(jì)［J］.測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2006，20（6）：105－107.WEN Feng，ZHANG Wendong.High overload recorder design［J］.Journal of test and measurement technology，2006，20（6）：105－107.

［3］張楷生，劉勇.一種抗多徑遙測(cè)系統(tǒng)［J］.測(cè)控技術(shù)，2010，29（9）：20－23.ZHANG Kaisheng，LIU Yong.An anti－multipath telemetry system ［J］.Measurement ＆ control technology，2010，29（9）：20－23.

［4］張登峰，康興國.基于DS87C520的小型化彈上數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)［J］.電子工程師，2002，28（1）：17－20.ZHANG Dengfeng，KANG Xingguo.Based on the DS87C520small missile data acquisition system ［J］.Electronic Engineer，2002，28（1）：17－20.

［5］楊志勇，文豐，郝曉劍.基于Flash存儲(chǔ)器的抗高過載電子記錄器關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.國外電子測(cè)量技術(shù)，2009，28（7）：27－29.YANG Zhiyong，WEN Feng，HAO Xiaojian.Study on key technology of resisted high overloading electronical recorder based on flash memory［J］.2009，28（7）：27－29.

［6］聶飛，張榮，黃海瑩.基于FPGA的半硬回收裝置數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)［J］.航天環(huán)境工程，2009，28（7）：27－29.NIE Fei，ZHANG Rong，HUANG Haiying.Design of half－reclaimable data acquisition and storage system based on FPGA ［J］.Spacecraft environment Engineering，2010，27（1）：111－113.