基于數字化設計的空空導彈電源系統

黃豐保，安德宇

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471099）

基于數字化設計的空空導彈電源系統

黃豐保，安德宇

（中國空空導彈研究院 河南 洛陽 471099）

電源系統是空空導彈工作的動力源。隨著導彈系統的發展，電源系統承擔的控制功能越來越多，在原有體積和空間不變甚至有所減小的情況下，采用傳統的分立器件搭建模擬電路完成任務，產品的可靠性和抗干擾能力都將不堪重負。單片機以其體積小、功能強等優點已被成功應用到航空航天等軍工領域，其技術成熟度和可靠性已得到證實。本文擬采用成熟的單片機技術設計空空導彈電源控制系統，實現電源系統的數字化控制，以進一步提高電源的可靠性和抗干擾能力

電源；空空導彈；單片機；數字化

電源系統的主要功能是為導彈轉接載機電源，隨后為全彈提供各部件所需的電源，并完成相應的電源檢測和點火控制等功能[1]。彈上電源數字化設計不僅可以減小電源組件的體積，提高產品可靠性和工藝性，也可大大加強全彈能源系統的工作穩定性。由于單片機體積小、功能強，發展技術成熟[2]，因此用在電源控制系統較為合適。

1 系統總體方案

1.1 設計思路

本設計方案利用微控制器強大的功能及外設接口，對電源系統的控制電路進行數字化設計[3，5]，實現電池電壓檢測、電池激活控制以及發動機點火控制的數字化控制與自檢。

1.2 電路工作原理

該方案具體設計原理如下：采用經典的Atmega32單片機作為控制電路的核心處理器，與飛行控制組件的通訊采用數字通訊方式；考慮到載機與電源之間的數據傳輸存在信號電平高，干擾較強的特點，所以采用光耦進行濾波接收；供電采用電路中已有的+5 V電源（電路中的固態繼電器選擇使用+5 V電源的產品，便于統一供電），無需再進行電源轉換；通過單片機內部自帶的模數轉換器（ADC）采集所需電壓，實現電壓比較及電路自檢功能；單片機的I/O口可直接驅動固態繼電器，對于電磁繼電器需增加光耦或晶體管進行驅動信號的隔離放大，實現電池激活、發動機點火等功能；通過標準的JTAG接口進行PCB測試和片上調試。電源數字控制部分的工作原理如圖1所示。

圖1 電源數字控制系統工作原理框圖Fig.1 Principle of the digtal design power

2 電路的數字化實現

2.1 電源與飛行控制組件間的數據傳輸

電源系統與飛控之間采用異步串口通訊（UART）進行數據傳輸，數據傳輸采用RS-422通訊標準。電路選擇全雙工模式，采用平衡驅動和差分接收，可有效消除噪聲和干擾。

本方案選擇MAX3160EAP通訊芯片實現RS-422通訊功能。MAX3160EAP是一種可編程的多協議收發器，能支持RS232/RS485/RS422等多種傳輸方式，技術成熟。在接口電路中，芯片選擇全雙工模式，系統傳輸速率最大可達10 Mbps；通訊方式通過RS485 232腳接高電平設定，通過SCIRXD和SCITXD與ATmega32L進行數據傳輸，電路如圖2所示。

圖2 RS-422發送接收電路Fig.2 RS-422 receive and transmit circuit

2.2 載機模擬信號處理

電源除轉接載機電源外，還與載機之間存在數據交換。為避免載機對單片機的電氣影響，電源控制系統采用光耦器件接收來自載機的模擬控制信號，將高電壓的電平信號轉換為與單片機兼容的低電平信號，同時實現單片機與輸入信號的電氣隔離。在軟件上利用定時器對接收到的控制信號寬度進行判斷，將小于指定寬度（如3 ms以內）的信號作為干擾濾掉。具體電路如圖3所示。

圖3 載機模擬信號處理電路Fig.3 Voltage convert circuit for analog signal

2.3 數據采集與電壓檢測

ATmega32L的AD采樣范圍在0～Vref（參考電壓）之間，Vref可以采用單片機內部自帶的2.54 V基準源，也可以用外部參考源。由于內部參考源有一定的偏差，需要校準，因此本設計方案中使用單片機外部提供的+5 V電源，經阻容電路低通濾波后作為AD的參考源。為避免數字部分供電與AD轉換部分供電電源AVCC之間的干擾，采用AVCC與Vref分別供電的模式。

單片機電源控制系統需要完成對熱電池電壓（電池電壓1和電池電壓2）是否正常供電的檢測，因此需要對電池電壓進行采集。文章設計電源系統數據采集與單片機供電系統電路如圖4所示。

圖4 數據采集電路Fig.4 Data collection circuit of singlechip

ATmega32L有一個10位的逐次逼近型ADC（模數轉換器），ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，能對來自端口A的8路單端輸入電壓進行采樣。單端電壓輸入以0 V（GND）為基準，為降低采樣誤差，AD采樣的端口A在軟件里設置為高阻抗狀態，關閉上拉電阻，同時，A口的其他不用管腳也不驅動負載。ADC還支持16路差分電壓輸入組合，兩路差分輸入有可編程增益級，可得到10倍增益（8位分辨率）和200倍增益（7位分辨率）。ADC包括一個采樣保持電路，以確保在轉換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。

電池電壓檢測工作原理是：單片機ADC對采集端口的電壓進行采集并轉化為內部電壓，與程序設定的電壓值進行比較，當采集的電壓值大于程序設定的電壓值時，單片機輸出電壓正常信號，隨后采集端口保持采樣一定時間后關閉，以避免干擾。

2.4 單片機對繼電器的控制

多路火工品的點火是電源組件最重要的控制功能電路，影響到全彈任務是否完成，甚至載機的安全性，因此在設計過程中，對此處的功能電路做了冗余設計，以提高其工作可靠性，加強對軟件和硬件的篩選以保證電路工作的安全性。具體設計時，對可靠性不高的電磁繼電器和固態繼電器，采用相互搭配的設計方案，以提高可靠性和安全性，在軟件設計上增加看門狗程序，以防止程序跑飛造成安全性事故，具體電路設計如下。

單片機接收來自飛控的控制指令后，經過運算處理，輸出的控制信號可直接通過單片機的I/O口對固態繼電器進行控制，但不能對電磁繼電器進行直接驅動。這是因為固態繼電器所需的驅動電流較小，通常小于20 mA，而電磁繼電器需要的驅動電流一般都大于20 mA，且電磁繼電器在吸合、斷開瞬間會產生干擾，因此，單片機和電磁繼電器之間需通過光耦或晶體管等器件進行隔離或驅動信號放大。

盡管ATmega32L每個I/O口的驅動電流可以達到20 mA，但是當同時驅動多個負載時，噪聲容限會變差，使單片機端口輸入或輸出容易受到干擾，因此在設計時，將單片機總的輸出電流控制在總驅動電流的50％以內，保留單片機的可用功耗，以使單片機在長時間工作時保持穩定狀態。

電池激活控制電路的工作原理是：單片機接收來自載機指令，通過I/O口直接驅動兩路固態繼電器（OB2、OB3，低電平有效）。軟件中設置電池激活條件為：“TFYX”和“電池激活控制”指令均有效時，OB1、OB2、OB3才會輸出相應驅動繼電器工作的指令。如果沒有“電池激活控制”指令，即使單片機出錯也不會誤點火。OB1、OB2、OB3來自單片機的一個端口（PORTC），且有效電平不同。在設計時，固定PORTC專用于電池激活控制輸出，可以避免單片機初始化時端口出現不穩定狀態造成誤激活。繼電器控制電路如圖5所示。

圖5 單片機對繼電器的控制Fig.5 Singlechip's relay control circuit

從安全性、可靠性和工程實用經驗考察上述電路設計，證明該設計是有效可靠的，電路仿真結果也證明了電路的可靠性和安全性。因此，發動機點火也采用了該設計方案，在此不再贅述。

2.5 自檢功能

電源系統的熱電池是一次性使用的火工品，無法反復測試，因此對電路可靠性要求極高。本方案對載機發送的模擬指令及經過光耦進行隔離驅動的電路均增加了軟件自檢功能，以進一步提高電路整體可靠性。

自檢電路的工作原理如下：自檢時，將DHZJ端用ATmega32的I/O口拉為低電平，檢測DHJC端是否有控制信號輸入。若有則說明輸入電路正常，否則電路故障。自檢完成后，I/O口將DHZJ端置為高阻抗狀態，以免影響電池激活指令信號的正常輸入。電池激活控制電路的具體電路如圖6所示。

圖6 電池激活控制的自檢電路Fig.6 Inspect circuir of battery activation control

2.6 單片機整體電路設計

電源控制系統的供電及時鐘設計采用單片機手冊中的經典設計，整體電路如圖7所示。

圖7 ATmega32L單片機電路整體示意圖Fig.7 Full circuit of ATmega32L singlechip

2.7 軟件設計

彈上電源數字化設計方案涉及到的軟件程序不多，但需要在設計中充分考慮軟件的可靠性，通過以下設置，可有效提高軟件系統運行的穩定性。

1）上電自檢，對寄存器、RAM、堆棧、常用指令等進行檢查及校驗；

2）為防止SRAM內的數據受干擾發生改變，造成軟件誤動作，對關鍵變量采用冗余設計，對關鍵狀態采用多個變量記錄。變量分布在SRAM中的不同位置。并且在RAM設置若干標志，發現RAM中數據異常后，立即復位；

3）關鍵輸出信號，采用多條指令控制，形成互鎖。如打開一個繼電器，需模擬電壓指令和差分指令同時有效，任何一個無效即無控制輸出，繼電器無法打開；

4）為避免程序指針PC受到干擾發生改變，導致程序跑飛時錯誤輸出關鍵指令，對關鍵指令，如電池激活、點火控制等，用程序絕對定位語句將該段指令分配到Flash的一個指定區域，區域前面填充為NOP或者設計捕獲程序，使程序跑飛時不會跳到關鍵語句上；

5）采用看門狗（watchdog），使程序跑飛時能夠重新復位；

6）對開關量，如飛控指令的輸入，應當進行延時重復檢測，避免因出現干擾而誤判。

2.8 硬件設計

硬件電路可靠性包括單片機的應用設計和電路板抗干擾設計等。

ATmega32L和MAX3160EAP都是典型的內置CMOS電路器件，具有功耗低、噪聲抑制能力優良等特點。但CMOS電路也有比較明顯的缺陷：存在先天性寄生電路，在外界干擾的作用下，易形成閂鎖效應，導致電路工作不正常甚至損壞。因此，在硬件上做以下防范：

1）重要的芯片管腳即使已內置各種上拉、下拉保護電阻，仍需作合理處置；

2）對于控制電池激活或發動機解保、點火功能的繼電器需進行冗余設計，形成互鎖，以保障一只繼電器出現故障，在指令正確情況下，仍能正常打開輸出；

3）對重要的數據傳輸電路，如載機發送指令（包含模擬電壓信號和差分信號），設計光藕隔離變換及濾波電路；

4）設計印制板時，對流過大電流的回路走線加寬，或者大面積覆銅，提高散熱效果和抗電磁干擾能力。

3 結 論

彈上電源控制系統的數字化，不僅簡化了電源組件電路設計的復雜度，減小了控制系統體積，而且能夠有效提高電源組件的整體可靠性和設計的靈活性[6]，增強電源組件功能的擴展能力和彈上能源系統工作的穩定性，有利于全彈的數字化設計，將是未來彈上電源系統的一個主要發展方向。

[1] 梁曉庚，王伯榮，余志峰，等.空空導彈制導控制系統設計[M].北京：國防工業出版社，2006.

[2] 江海波，王卓然，耿德根.深入淺出AVR單片機—從Atmega 48/88/168開始[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3] 陳偉杰，張虹.基于混合最優算法的高精度數控直流電源設計[J].電力電子，2008，2：29-32.

CHEN Wei-jie，ZHANG Hong.Design of the high precision digital DC current source based on combined optimal algorithm[J].Power Electronics，2008（2）：29-32

[4] 肖衛初，郭寶龍.基于Atmega16的高精度數控直流電壓源的研制[J].電源技術，2012，136（10）：1542-1545.

XIAO Wei-chu，GUO Bao-long.Development of a high-precision and numerical-controlled direct current voltage source based on ATmega16 [J].Chinese Journal of Power Sources，2012，136（10）：1542-1545.

[5] 薛秀云，陳華寧，翟頌彬，等.基于ATMEGA16的開關電源設計與制作[J].電子設計工程，2011，19（10）：163-165.

XUE Xiu-yun，CHEN Hua-ning，ZHAI Song-bin et al.Switching power supply design and implement based on ATmega 16[J].Electronic Design Engineering，2011，19（10）：163-165.

[6] 張春曉，劉仕瑋.導彈電源系統設計及發展趨勢[J].電源技術，2010，134（7）：746-747.

ZHANG Chun-xiao，LIU Shi-wei.Designing and developing tendency of guided missile power source[J].Chinese Journal of Power Sources，2010，134（7）：746-747.

A digital design in enegery system of air-to-air missile

HUANG Feng-bao，AN De-yu
（China Aviation Missile Academy， Luoyang 471099，China ）

The electrical source is engergy system of the air-to-air missile，and have more work with the development of missile.Analog electrocircuit will complete task difficultly.The reliability and anti-jamming of the electrocircuit will be weakly for restricted capacity and analog component. Singlechip had been used abroad in aviation and spaceflight for small size and abundant function，for the reliability and maturity of Singlechip having been approved.In order to improve the reliability and anti-jamming of the electrical source，the papper applies Singlechip skill and implement digital control on power supply of the air-to-air missile.

electrical source；air-to-air missile；singlechip；digital

TN710

A

1674-6236（2014）11-0050-04

2014-03-11 稿件編號：201403129

國家航空基金資助（2013ZC12004）

黃豐保（1982—），男，河南鎮平人，碩士，工程師。研究方向：空空導彈電源系統設計。