安全型微控制器在彈上點火控制電路中的應(yīng)用研究

張國強

摘 要：隨著導(dǎo)彈型號的不斷豐富，彈上點火控制電路的功能、邏輯、接口越來越復(fù)雜，造成控制電路安全性、可靠性降低。專業(yè)工程的深入研究對點火控制電路的可測試性、自診斷性提出了更高要求。由此，本文通過采用TI公司生產(chǎn)的一種安全型微控制器TMS470MF06607作為處理核心，以某型導(dǎo)彈點火控制電路作為模型，完成彈上點火控制電路設(shè)計、測試，實現(xiàn)點火控制過程的邏輯判斷、點火信號輸出等功能，有效減少了元器件種類，降低了接口復(fù)雜度，提高了彈上點火控制電路的安全性和可靠性。

關(guān)鍵詞：安全型微控制器;點火控制電路;導(dǎo)彈

中圖分類號：TJ760.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）22-0075-04

Study on Ignition Control Circuit of Missile Using Safety Micro-controller

ZHANG Guoqiang

Abstract： With the continuous development of the missile project， the function、logic and interface become more and more complex which lowers the security and reliability of the Missile Ignition Control Circuit. In-depth study of professional engineering also puts forward higher requirements on the testability and self-diagnosis of the Ignition Control Circuit. In this paper， a safe microcontroller， TMS470MF06607， produced by TI Company， was used as the processing core， and the ignition control circuit of a missile was used as a model to complete the design and test of the ignition control circuit on the missile. The functions of logic judgment in the ignition control process and output of ignition signal were realized， which effectively reduced the components. The type reduced the interface complexity and improved the safety and reliability of the ignition control circuit on the missile.

Keywords： safety micro-controller;ignition control circuit;missile

當(dāng)前，隨著導(dǎo)彈型號不斷豐富，科學(xué)技術(shù)不斷進步，以及用戶需求不斷提高，使得彈上點火控制電路的功能、邏輯和接口越來越復(fù)雜。此外，隨著專業(yè)工程的不斷深入研究，對彈上點火控制電路的可測試性、自診斷性也提出了越來越高的要求[1]。因此，傳統(tǒng)的利用簡單模擬、數(shù)字器件搭建彈上點火控制電路的方式已經(jīng)無法滿足型號發(fā)展的需求，最終造成電路和接口越來越復(fù)雜，安全性、可靠性、測試性差，彈上點火控制電路的數(shù)字化迫在眉睫[2]。

點火控制功能作為導(dǎo)彈的重要功能，其安全性、可靠性的高低直接影響導(dǎo)彈的成敗甚至是載機和人員安全。彈上點火控制電路數(shù)字化必須采用可靠性高、安全性高的微控制器。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 TMS470MF06607芯片簡介

本文采用TI公司生產(chǎn)的一種安全型微控制器TMS470MF06607。該控制器采用最新的針對實時控制領(lǐng)域的Cortex-M3內(nèi)核，具備內(nèi)存ECC檢查、CPU和RAM自檢、內(nèi)存保護（MPU）、失效檢測、時鐘監(jiān)控、雙核監(jiān)控和備份等技術(shù)，大大提高了微控制器的安全性和可靠性。

該微控制器符合AEC-Q100規(guī)范要求，達到了IEC61508 SIL3標(biāo)準(zhǔn)認證，適合彈上點火控制等與安全攸關(guān)的應(yīng)用，具有很好的推廣意義。

1.2 總體方案

本文總體方案共包括五個模塊，分別為上位機模塊、指令接收模塊、邏輯判斷模塊、信號驅(qū)動模塊和繼電器執(zhí)行級模塊。

系統(tǒng)原理為：由上位機向點火控制電路發(fā)送控制指令;控制電路采用光電耦合器接收控制指令;控制指令經(jīng)過分壓和信號調(diào)理后送入微控制器進行邏輯組合與判斷，并輸出滿足寬度要求的控制信號;通過達林頓陣列對控制信號進行功率放大，驅(qū)動繼電器組完成點火信號輸出[3]。系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 電路設(shè)計

2.1 指令接收電路

控制指令為一對差分信號，采用光電耦合器進行接收，能夠有效避免內(nèi)部噪聲和點火信號對前級電路造成的干擾。接收電路使用電阻進行限流。由于所選光電耦合器導(dǎo)通電流較小，為提高控制門限，串聯(lián)一只二極管。在光電耦合器后級采用RC電路進行濾波，能夠有效消除一定寬度的脈沖信號干擾。經(jīng)過計算，驅(qū)動電流滿足光電耦合器導(dǎo)通要求，且導(dǎo)通電壓滿足指令輸出指標(biāo)，并留有一定裕度。指令接收電路原理如圖2所示。

控制指令接收后，經(jīng)過分壓和信號調(diào)理，變換為0～3.3V，滿足微控制器電平要求，并通過A/D轉(zhuǎn)換作為控制器的輸入，參與點火控制邏輯組合與判斷。

2.2 微控制器供電電路

為滿足微控制器電源要求，采用電源芯片TPS7333將外部提供的+5V電源轉(zhuǎn)換為+3.3V，經(jīng)濾波后作為微控制器的供電電源。同時，在微控制器的各供電端口就近并聯(lián)標(biāo)準(zhǔn)電容以消除干擾，提高供電品質(zhì)。微控制器供電電路原理如圖3所示。

2.3 時鐘及JTAG接口

依據(jù)芯片手冊，時鐘電路采用經(jīng)典的外接晶振方式，所選晶振為16MHz，電容為22pF。

經(jīng)過驗證，TMS470MF06607控制器的JTAG接口與TI公司傳統(tǒng)控制器的JTAG接口存在一定差異，必須去掉部分上拉電阻，才能實現(xiàn)正常連接。JTAG接口如圖4所示。其中，圖（a）為TI公司微控制器JTAG經(jīng)典接法，圖（b）為TMS470MF06607典型接法。

2.4 驅(qū)動電路

微控制器對控制指令進行邏輯組合與判斷后，輸出的控制信號最大驅(qū)動電流約為4mA，不足以驅(qū)動繼電器組完成點火功能，必須進行信號放大。本文采用ULN2004達林頓陣列對控制信號進行功率放大以驅(qū)動繼電器組。驅(qū)動電路、繼電器組輸出電路原理如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

本文的軟件開發(fā)環(huán)境基于CCS 5.5平臺，仿真器為XDS100-V2，USB 2.0。

軟件主要實現(xiàn)供電電壓采樣/轉(zhuǎn)換、控制信號邏輯組合與判斷、產(chǎn)生點火控制信號等功能。根據(jù)上述功能，對軟件進行模塊化設(shè)計，主要分為程序端口初始化模塊、A/D采樣/轉(zhuǎn)換模塊、定時器中斷模塊和點火控制模塊。

初始化模塊主要完成對各個端口、變量的初始化。初始化完成后，進入while循環(huán)等待，當(dāng)點火標(biāo)志為1時，進入點火判斷、輸出程序。

A/D采樣/轉(zhuǎn)換模塊每5ms執(zhí)行一次A/D采樣，并取連續(xù)5次轉(zhuǎn)換值進行判斷，當(dāng)存在歧義值時直接剔除，重新采樣連續(xù)5次轉(zhuǎn)換值求平均值，結(jié)果用變量作為記錄。

定時器中斷模塊設(shè)置為每1ms執(zhí)行一次，并進行計數(shù)，當(dāng)計數(shù)值達到5時，調(diào)用A/D采樣/轉(zhuǎn)換函數(shù)并對控制指令I(lǐng)_A進行判斷，當(dāng)滿足要求時，將點火標(biāo)志FIRE_FLAG置為1。

點火控制模塊，對點火控制指令進行邏輯組合、判斷，當(dāng)點火1控制指令滿足要求時，產(chǎn)生滿足寬度要求的點火信號1;當(dāng)點火2控制指令滿足要求時，產(chǎn)生滿足寬度要求的點火信號2。

軟件對控制指令進行采集時，均通過多次判斷以消除干擾和抖動，防止誤輸出點火控制信號。軟件工作時序如圖6所示。

4 系統(tǒng)仿真

采用英國Lab Center Electronics公司出版的EDA工具軟件Proteus進行系統(tǒng)仿真。該軟件不僅具有其他EDA工具軟件的仿真功能，還能對單片機、ARM、Cortex和DSP等系列處理器及外圍電路進行仿真，是目前較好的仿真微控制器及外圍電路工具。經(jīng)過仿真，該點火控制電路能夠產(chǎn)生滿足要求的點火控制信號，并驅(qū)動繼電器完成點火信號輸出。仿真結(jié)果如圖7所示。

5 測試結(jié)果

連接上位機和點火控制電路，上位機按圖8所示時序向點火控制電路發(fā)出控制指令。

通過上位機采集系統(tǒng)對控制指令、點火信號進行采集。試驗流程如下。

上位機向控制電路施加外注電源I_D，其他控制指令I(lǐng)_E、I_F、I_G設(shè)為高電平，I_H設(shè)為低電平。

上位機向控制電路發(fā)出I_A和I_B控制指令，當(dāng)兩個控制指令同時有效時，控制電路產(chǎn)生點火信號1。發(fā)送單一指令時不會輸出點火信號1，I_A、I_B、I_C三個控制指令同時有效時也不會產(chǎn)生點火信號1。上位機將I_E指令置為低電平，同時輸出1次I_A和I_B指令，此時不會輸出點火信號1。上位機將I_H信號置為高電平，同時輸出1次I_A和I_B指令，此時不會輸出點火信號1。上位機將I_G信號置為低電平，再次同時輸出2次I_A和I_B指令，此時輸出點火信號1。上位機將外注電源電壓置為V1，同時輸出1次I_A和I_B指令，此時不輸出點火信號1;上位機將外注電源電壓置為V2，同時輸出1次I_A和I_B指令，此時輸出點火信號1。

在滿足一定時間間隔后，上位機產(chǎn)生2次I_A和I_C指令，此時輸出點火信號2。若在點火信號1產(chǎn)生后，不滿足要求的時間間隔，也不會產(chǎn)生點火信號2。

如圖9所示，在[t1]、[t3]時刻，控制指令滿足點火信號1條件，輸出點火信號1;[t2]時刻控制指令滿足點火信號2條件，輸出點火信號2。

6 結(jié)論

本文采用TI公司生產(chǎn)的TMS470MF06607安全型微控制器設(shè)計了彈上點火控制電路，減少了元器件種類，降低了接口復(fù)雜度，實現(xiàn)了點火控制信號輸出，驗證了點火控制電路數(shù)字化研究的可行性和有效性，為后續(xù)彈上控制電路設(shè)計提供了參考解決方案，解決了原有電路邏輯復(fù)雜、可靠性和安全性不高的問題，對其他型號發(fā)展具有一定借鑒意義。

參考文獻：

[1]梁曉庚，王伯榮，余志峰，等.空空導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)設(shè)計[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[2]張春曉，劉仕偉.導(dǎo)彈電源系統(tǒng)設(shè)計及發(fā)展趨勢[J].電源技術(shù)，2010（7）：746-747.

[3]黃豐保，安德宇.基于PIC18F單片機的彈載電源控制系統(tǒng)設(shè)計[J].航空兵器，2014（4）：23-26.