基于單總線的彈載裝訂系統(tǒng)設(shè)計*

楊國歡，張曉明，2*，賴正喜，趙代弟

(1.中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051; 2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051)

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基于單總線的彈載裝訂系統(tǒng)設(shè)計*

楊國歡1，張曉明1，2*，賴正喜1，趙代弟1

(1.中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室，太原030051; 2.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051)

摘要:針對常規(guī)彈在制導化改造中導航系統(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技術(shù)的射前初始參數(shù)裝訂方案。為了實現(xiàn)裝訂數(shù)據(jù)目的，首先設(shè)計彈載裝訂總體方案，然后搭建了硬件電路及設(shè)計了相應軟件，最后通過實驗驗證了該系統(tǒng)的可靠性和傳輸速度。實驗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用前景。

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

對于常規(guī)彈制導化而言，無論是用磁導航還是慣性導航，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)計至關(guān)重要。通常情況下彈載模塊需要存儲裝訂系統(tǒng)發(fā)送的初始狀態(tài)數(shù)據(jù)，發(fā)射后由彈體計算機讀取信息，進行導航解算［1］。對于射前裝訂信息時不但要求系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、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行通信，如IC總線，SPI，RS232等總線。這些總線通信時需要彈外電源供電后彈載模塊計算機工作才能通信，造成對彈體的結(jié)構(gòu)改造大，使裝訂系統(tǒng)變的復雜。為了避免傳統(tǒng)多線傳輸方式帶來的不便，單線傳輸方式運用而生。所謂單線傳輸就是以彈體尾部觸點作為信號線，彈體外殼為地線，只利用地線和一個觸點就可以傳輸數(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)，又給存儲模塊提供能量驅(qū)動，具有結(jié)構(gòu)簡單特點［6－8］。現(xiàn)有的單線傳輸大多采用電力載波的方式進行信號傳輸，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>

針對上述存在的裝訂難問題，提出了利用達拉斯生產(chǎn)EEPROM芯片，采用單總線方式傳輸數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)裝訂。該系統(tǒng)具有該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、通訊可靠、通訊速率高的優(yōu)點，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

對于常規(guī)彈裝訂模塊存在的問題，運用單總線傳輸特性設(shè)計的裝訂系統(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芯片用于存儲裝訂數(shù)據(jù)，彈載計算機負責接收裝訂數(shù)據(jù)并作姿態(tài)運算等工作。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。彈載計算機負責接收裝訂數(shù)據(jù)并作姿態(tài)運算等工作。

圖1　系統(tǒng)總體方案

本設(shè)計中的EEPROM是單總線存儲芯片。單總線及相應的芯片是由美國達拉斯半導體公司推出的一項新技術(shù)。所謂單總線通信就是運用一根信號線實現(xiàn)既可以進行PC機或單片機跟單總線專用芯片進行雙向通信，又可以為芯片提供電源驅(qū)動。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)復雜的麻煩。

對于該裝訂系統(tǒng)的工作流程為:(1)斷開觸點，給裝訂系統(tǒng)上電，采集存儲需要裝訂的初始姿態(tài)等信息; (2)將觸點連接上單總線EEPROM芯片，運用裝訂模塊數(shù)據(jù)線發(fā)送需要裝訂的信息，EEPROM芯片存儲數(shù)據(jù)，確定信息無誤后斷開觸點; (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

硬件電路設(shè)計如圖2所示。硬件電路包括裝訂系統(tǒng)和彈載模塊。裝訂系統(tǒng)負責從其他設(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)進行姿態(tài)解算。

圖2　硬件電路

2.1裝訂系統(tǒng)設(shè)計

裝訂系統(tǒng)硬件包括單片機與一個上拉電阻。裝訂系統(tǒng)中采用STM32F4系列單片機作為單片機的主控芯片，該系列基于ARM CortexTM－M4內(nèi)核集成了單周器DSP指令和浮點單元FPU(Floating Point Unit)，提升了計算能力，可以進行一些復雜的計算和控制。單片機通過一個漏極開路或三態(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。位傳輸之間的恢復時間沒有限制，只要總線在恢復時間處于空閑狀態(tài)(高電平)。

2.2彈載模塊硬件電路

彈載硬件電路包括DS2431，Stm32單片機和過載電源。彈載模塊硬件電路中存儲芯片采用的是由達拉斯生產(chǎn)的DS2431，是一款1024位單總線EEPROM芯片，由4個存儲器組成，每頁256位，數(shù)據(jù)先被寫入一個8 byte暫存器中，經(jīng)校驗無誤后復制到EEPROM存儲器。4個存儲頁相互獨立，可以單獨設(shè)置寫保護。由于能夠在過載電源不工作時裝訂系統(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，使得裝訂系統(tǒng)具有硬件電路簡單的優(yōu)點。

3　軟件設(shè)計

3.1單總線時序

單總線簡潔的硬件電路是需要相對復雜的軟件配合使用的。對于單總線典型的單總線命令順序為初始化命令、ROM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序?qū)崿F(xiàn)。裝訂系統(tǒng)只需跟一個單總線芯片通信，因此在復位后可跳過ROM命令直接對EEPROM進行讀寫操作，可以節(jié)省通信時間。命令時序包括初始化信號、寫0、寫1和讀信號如圖3所示。

圖3　單總線時序圖

3.2裝訂系統(tǒng)裝訂流程實現(xiàn)

對于裝訂系統(tǒng)設(shè)計從裝訂系統(tǒng)寫入數(shù)據(jù)至EEPROM的流程如圖4所示，單片機發(fā)送復位信號，EEPROM復位完畢發(fā)送復位成功信號，跳過ROM命令后，直接往EEPROM寫入需要的數(shù)據(jù)，單片機再從EEPROM讀出數(shù)據(jù)判斷寫入數(shù)據(jù)是否準確，如準確則結(jié)束，否則重新發(fā)送數(shù)據(jù)。對于彈載模塊從EEPROM中讀取數(shù)據(jù)時可參考寫入流程中讀EEPROM過程。

圖4　軟件流程圖

4　實驗驗證

組裝的測試系統(tǒng)如圖5所示，Stm32單片機實驗板作為系統(tǒng)的裝訂模塊。彈載模塊封裝跟單片機之間只用一根地線和數(shù)據(jù)線相連即進行通信實驗。

圖5　彈載裝訂系統(tǒng)實驗電路

4.1可靠性驗證

為了測試驗證裝訂系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，作系統(tǒng)誤碼率的驗證。用單片機將DS2431寫滿128byte，然后讀出來，將讀回來的數(shù)據(jù)跟寫進去的數(shù)據(jù)作對比統(tǒng)計讀錯的個數(shù)。將此操作循環(huán)1 000次發(fā)現(xiàn)并未出現(xiàn)1次錯誤。

4.2傳輸速度測試

為了驗證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣?，分別測試了裝訂系統(tǒng)寫入彈載模塊的時間和彈載模塊從EPPROM的讀取數(shù)據(jù)時間。實驗時執(zhí)行完一次操作后設(shè)置其中一個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I/O口，可得到方波，該方波時間周期的一半就是所執(zhí)行任務的時間。經(jīng)過測試，裝訂系統(tǒng)寫入EEPROM 8 byte或?qū)憹M128 byte時與彈載模塊讀取EEPROM 8 byte和128 byte。I/O輸出的波形如圖6所示，測試結(jié)果如表1所示。

圖6　傳輸速度測試

表　1時間測試圖

從表1可以看出從運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)計要求。

5　結(jié)論

針對常規(guī)彈藥制導化改造中導航系統(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，利用單總線存儲芯片存儲裝訂模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，炮彈發(fā)射后讀取存儲芯片數(shù)據(jù)，進行后續(xù)的姿態(tài)解算。裝訂系統(tǒng)反復做讀出、寫入操作未出現(xiàn)過一次數(shù)據(jù)錯誤，表明該系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)時可靠的;測試該系統(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。通過實驗表明裝訂系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、通訊可靠、通訊速率高的優(yōu)點，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用前景。

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楊國歡(1988－)男，漢族，廣東省興寧市人，現(xiàn)為中北大學在讀碩士研究生，主要研究方向為地磁導航，ygh881130 @163.com;

張曉明(1976－)男，漢族，山西新絳人，碩士生導師，現(xiàn)在中北大學“儀器科學與動態(tài)測試”教育部重點實驗室工作，目前的主要研究方向為動態(tài)測試及組合導航，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:TJ760.6

文獻標識碼:A

文章編號:1005－9490(2015)04－0849－04

項目來源:國家自然科學基金項目(61004127)