引信RS422總線全雙工通訊裝定方法

任朋利，劉峰華，邵志豪

（西安機(jī)電信息技術(shù)研究所 陜西 西安 710065）

引信RS422總線全雙工通訊裝定方法

任朋利，劉峰華，邵志豪

（西安機(jī)電信息技術(shù)研究所 陜西 西安 710065）

針對(duì)引信RS485總線半雙工串行通訊裝定時(shí)，引信控制器需要不斷改變控制口線電平狀態(tài)使引信接收數(shù)據(jù)或發(fā)送數(shù)據(jù)，易出現(xiàn)總線沖突和遺漏數(shù)據(jù)現(xiàn)象，提出了引信RS422總線全雙工通訊裝定方法。該方法采用微控制器控制高速RS422接口芯片同彈載設(shè)備進(jìn)行全雙工異步通訊，接收武器平臺(tái)信息，返回引信狀態(tài)信息，收發(fā)獨(dú)立。通過滑窗式算法判斷和接收數(shù)據(jù)包；通過總線分時(shí)復(fù)用完成多引信裝定。測(cè)試驗(yàn)證表明：該方法裝定速度快、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高。

引信；RS422總線；彈載設(shè)備；裝定

為適應(yīng)武器平臺(tái)的需要，引信也向智能化、信息化發(fā)展，對(duì)引信與彈載設(shè)備之間接口（包括硬件接口和軟件接口）的要求也越來越高。引信通過裝定接口從武器平臺(tái)獲得更多的環(huán)境信息[1]、目標(biāo)信息、解保信息等，控制引信解除保險(xiǎn)、按照目標(biāo)特性給引信裝定不同的起爆模式和參數(shù)，控制起爆戰(zhàn)斗部在最佳炸點(diǎn)起爆。一般采用的裝定方法有光耦裝定方法和RS485總線裝定方法。在光耦裝定方法中，光耦依靠電流導(dǎo)通傳遞信號(hào)，但是傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)必須考慮光耦的上升沿時(shí)間、下降沿時(shí)間、延遲時(shí)間和存儲(chǔ)時(shí)間等參數(shù)，因此其裝定速度較慢。RS485總線裝定方法為半雙工通訊方式，使引戰(zhàn)雙方同一時(shí)間只能處于單發(fā)或單收狀態(tài)，控制器需要不斷地去改變信號(hào)線的方向，易出現(xiàn)總線沖突、遺漏數(shù)據(jù)包現(xiàn)象，針對(duì)以上問題，提出了一種RS422總線全雙工異步通訊引信裝定方法。

1 RS485總線裝定和RS422總線

1.1 RS485總線裝定

引信RS485總線裝定方法利用RS485總線工作標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行傳輸信號(hào)。 RS485總線裝定為半雙工通訊方式，在同一對(duì)平衡雙絞線A和B上接收和返回信號(hào)，引信控制器通過一個(gè)單片機(jī)口線PIN腳連接RS485接口芯片的驅(qū)動(dòng)輸出使能控制端DE，當(dāng)PIN腳輸出高電平時(shí)，RS485接口芯片的輸出驅(qū)動(dòng)器打開，引信通過A和B雙絞線向彈載設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)PIN腳輸出低電平時(shí)，RS485接口芯片的輸出驅(qū)動(dòng)器處于高阻狀態(tài)，接收器打開，引信通過A和B雙絞線接收彈載設(shè)備下發(fā)的數(shù)據(jù)。在RS485總線裝定方式中，引信控制器需要不斷改變輸出控制信號(hào)的電平狀態(tài)，使任何時(shí)候A、B雙絞線只能處于發(fā)送或者接收狀態(tài)，易出現(xiàn)總線沖突和遺漏數(shù)據(jù)包現(xiàn)象。圖1為引信RS485總線裝定框圖。

1.2 RS422總線

RS422總線具有大量現(xiàn)成的器件可以選擇，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。結(jié)合RS422總線的技術(shù)特點(diǎn)，在引信裝定技術(shù)中采用該接口具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）RS422全雙工異步串行總線采用差分傳輸方式，具有單獨(dú)的發(fā)送和接收通道，因此收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)不用控制數(shù)據(jù)方向，實(shí)現(xiàn)方便簡單，每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)，抗干擾能力強(qiáng)。

2 ) 由于接收器采用高輸入阻抗，發(fā)送器驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，因此允許在相同傳輸線上連接多個(gè)接收節(jié)點(diǎn)，即RS422接口支持點(diǎn)對(duì)多的雙向通信，可以實(shí)現(xiàn)彈載設(shè)備同時(shí)對(duì)多個(gè)引信的裝定。

3 ) RS422串行總線采用國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，易于全武器系統(tǒng)的功能集成；適應(yīng)性強(qiáng)，便于未來在不同的武器系統(tǒng)中跨平臺(tái)移植。

通過RS422總線，在彈載設(shè)備和引信之間建立一個(gè)雙向高速數(shù)據(jù)傳輸通道。通過該接口可以實(shí)時(shí)接收彈載設(shè)備下發(fā)的指令信息、裝定信息、查詢信息等，引信通過該接口將引信的狀態(tài)、裝定結(jié)果實(shí)時(shí)反饋給彈載設(shè)備，供彈載設(shè)備判斷引信的當(dāng)前狀態(tài)。

2 引信RS422總線裝定電路

2.1 引信RS422總線裝定電路組成

從圖1可以看出，引信控制器通過改變RS485接口芯片DE引腳的電平狀態(tài)控制其內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器處于工作或高阻狀態(tài)，使A、B差分線要么處于輸入方向接收彈載設(shè)備發(fā)出的數(shù)據(jù)，要么處于輸出方向返回引信狀態(tài)數(shù)據(jù)。RS485接口芯片沒有獨(dú)立數(shù)據(jù)通道，當(dāng)彈載設(shè)備和引信在收發(fā)時(shí)序上沒有計(jì)算好時(shí)，會(huì)出現(xiàn)總線沖突、遺漏數(shù)據(jù)幀現(xiàn)象，因此，采用RS422接口芯片代替圖1中的RS485接口芯片構(gòu)成引信RS422總線全雙工裝定電路，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)彈載設(shè)備和引信之間的雙向獨(dú)立通訊。

圖2 RS422總線裝定框圖Fig. 2 RS422-bus programming diagram

引信RS422總線裝定電路由RS422接口芯片、接口保護(hù)器件、隔離芯片、微控制器組成。引信RS422接口芯片的A、B端為接收數(shù)據(jù)差分線，連接彈載設(shè)備的Y、Z差分線；Y、Z端為輸出數(shù)據(jù)差分線，連接彈載設(shè)備的A、B差分線；在每條數(shù)據(jù)差分線上對(duì)地連接TVS器件進(jìn)行端口保護(hù)。RE為接收數(shù)據(jù)使能端，固定連接地線；DE發(fā)送數(shù)據(jù)使能端，引信微控制器通過一個(gè)口線輸出控制信號(hào)經(jīng)過隔離芯片后連接DE；RO為數(shù)據(jù)輸出端，經(jīng)過隔離芯片后連接引信微控制器的RXD端；DI為數(shù)據(jù)輸入端，引信微控制器的TXD端經(jīng)過隔離芯片連接DI。

從功耗和體積方面考慮，現(xiàn)在市面上也有帶有隔離功能的RS422集成接口芯片可供選擇，極大地簡化了硬件電路。

2.2 引信RS422總線裝定軟件算法

彈載設(shè)備和引信進(jìn)行RS422總線全雙工裝定通訊前，雙方首先約定通訊波特率、數(shù)據(jù)格式、有無校驗(yàn)位，數(shù)據(jù)幀格式、通訊周期等。

彈載設(shè)備向引信下發(fā)的數(shù)據(jù)包括：裝定信息（裝定層數(shù)、延時(shí)時(shí)間、起爆深度或行程）、起爆模式、解保時(shí)機(jī)、狀態(tài)查詢等。引信向彈載設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)包括：裝定信息（已裝定層數(shù)、已延時(shí)時(shí)間、已起爆深度或行程），已裝定起爆模式，引信執(zhí)行解保動(dòng)作反饋、引信當(dāng)前狀態(tài)等。

彈載設(shè)備將需要下發(fā)的數(shù)據(jù)組織成數(shù)據(jù)包傳輸?shù)絉S422總線上，引信端通過微控制器上的USART探測(cè)、接收RS422總線數(shù)據(jù)。在引信微控制器軟件中設(shè)置USART RXC接收完成中斷，當(dāng)微控制器的USART接收器探測(cè)到RXD引腳上有一個(gè)有效的起始位之后，開始對(duì)數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)的采樣和判斷，直到識(shí)別到有效結(jié)束位，然后該字節(jié)被移入U(xiǎn)SART的UDR寄存器，觸發(fā)微控制器的USART RXC中斷，微控制器軟件在USART RXC中斷子程序中讀出、判斷該字節(jié)，然后退出該中斷程序，USART準(zhǔn)備接收下一字節(jié)數(shù)據(jù)。

引信微控制器軟件采用滑窗式的算法對(duì)數(shù)據(jù)楨頭進(jìn)行判斷。滑窗算法是根據(jù)數(shù)據(jù)幀頭是否符合通訊協(xié)議，在滑動(dòng)窗中進(jìn)行比較判決的一種自適應(yīng)檢測(cè)方法，即對(duì)數(shù)據(jù)幀頭分多種情況進(jìn)行比較判斷以決定引信能否接受、保存該數(shù)據(jù)包，進(jìn)一步影響是否需要析出該數(shù)據(jù)包中的裝定參數(shù)（起爆模式、層、延時(shí)時(shí)間、起爆深度）完成對(duì)起爆電路的裝定。通過這種滑窗算法對(duì)數(shù)據(jù)幀頭進(jìn)行判斷，有效保證了當(dāng)數(shù)據(jù)線上有干擾時(shí)，不會(huì)遺漏數(shù)據(jù)包。當(dāng)戰(zhàn)場(chǎng)通訊出現(xiàn)突發(fā)狀況，彈載設(shè)備對(duì)引信僅進(jìn)行了一次裝定通訊，這種方法具有非常重要的作用，提高了引信裝定可靠性。

當(dāng)引信接收判斷完所有的裝定數(shù)據(jù)后，引信微控制器將需要返回的引信狀態(tài)信息組織成數(shù)據(jù)包，通過USART的發(fā)送器發(fā)出到TXD端，經(jīng)隔離芯片處理后進(jìn)入RS422總線，由彈載設(shè)備接收。

2.3 總線分時(shí)復(fù)用裝定多引信

當(dāng)彈載設(shè)備面向多個(gè)引信裝定時(shí)，即多個(gè)引信從機(jī)共用同一RS422總線接口與彈載設(shè)備主機(jī)進(jìn)行異步通訊，由于任何時(shí)刻總線上最多只能有一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送方，否則，多個(gè)數(shù)據(jù)形成串?dāng)_，接收方將不能有效識(shí)別數(shù)據(jù)包，因此，各引信從機(jī)需要在不同的時(shí)間段里使用總線，即總線分時(shí)復(fù)用。

裝定開始前，各引信從機(jī)通過與彈載設(shè)備主機(jī)的地址接口獲得各自的地址編號(hào)j。裝定時(shí)，彈載設(shè)備分時(shí)復(fù)用總線，在一個(gè)通訊周期TB內(nèi)，以T1為時(shí)間間隔連續(xù)地向各從機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包，各引信從機(jī)接收數(shù)據(jù)包時(shí)，首先將各自的地址編號(hào)j與主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)包中的ID地址編碼進(jìn)行對(duì)比，確認(rèn)該數(shù)據(jù)包為各從機(jī)需要接收的數(shù)據(jù)包，然后接收該數(shù)據(jù)包，并向彈載設(shè)備返回應(yīng)答數(shù)據(jù)包。

如圖3所示：通訊時(shí)，在主機(jī)的一個(gè)通訊周期內(nèi)，以0為計(jì)時(shí)起點(diǎn)，主機(jī)在t0時(shí)刻發(fā)出引信從機(jī)1的數(shù)據(jù)包，從機(jī)1在t0+T2時(shí)刻向彈載設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)包；主機(jī)在t0+（j-1）T1時(shí)刻發(fā)出從機(jī)j的數(shù)據(jù)包，從機(jī)j在t0+（j-1）T1+ T2時(shí)刻向彈載設(shè)備返回?cái)?shù)據(jù)包。在該過程中，顯然有關(guān)系式

圖3 總線分時(shí)復(fù)用裝定示意圖Fig. 3 Schematic diagram of time division multiplexed bus

3 測(cè)試驗(yàn)證

1）抗干擾驗(yàn)證

引信RS422總線全雙工裝定電路從以下3個(gè)方面進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)。一是采用帶隔離保護(hù)功能的電源轉(zhuǎn)換器件給引信RS422總線裝定電路供電，其內(nèi)部具有高絕緣電阻和隔離電壓，可以將瞬態(tài)高壓轉(zhuǎn)移到隔離器件電隔離層的高絕緣電阻上，不會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)性的浪涌電流，防止浪涌及靜電對(duì)裝定接口的破壞；二是采用磁隔離器件連接RS422總線接口芯片和引信微控制器，使彈載設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸通道和引信微控制器數(shù)據(jù)傳輸通道完全隔離，避免各個(gè)模塊直接的相互干擾，同時(shí)，隔離器件兩邊電路的供電分別采用隔離前后電源；三是在RS422總線接口電路的所有輸入輸出端并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制器，抑制掉外部接口導(dǎo)入的瞬態(tài)高壓脈沖，有效地保護(hù)總線接口電路的暢通和可靠。圖4為給RS422總線通訊電路加載一個(gè)50 V/12.5 ms脈沖過壓干擾信號(hào)時(shí)，示波器捕獲到的RS422總線上的數(shù)據(jù)信號(hào)。

2）極限溫度裝定

從器件手冊(cè)了解到，工業(yè)級(jí)RS422總線接口器件的儲(chǔ)存溫度范圍在-65～+150 ℃，工作溫度范圍在-40～+85 ℃之間。根據(jù)產(chǎn)品要求的工作環(huán)境，對(duì)RS422總線裝定電路在高溫+70 ℃和低溫-47 ℃工作情況進(jìn)行了測(cè)試。圖5為低溫-47℃試驗(yàn)時(shí)，RS422總線上的裝定波形，經(jīng)測(cè)量裝定一次的時(shí)間大約為8.6 ms。

圖4 輸入50V/12.5ms過壓干擾信號(hào)和RS422總線上的數(shù)據(jù)信號(hào)Fig. 4 Input 50V/12.5ms interference signal and RS422-bus data signal

圖5 低溫測(cè)試RS422總線裝定波形Fig. 5 RS422-bus programming waveform in low temperature test

3）電磁兼容實(shí)驗(yàn)

引信電路進(jìn)行了電磁兼容試驗(yàn)，按照試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)給引信電路注入各項(xiàng)電磁干擾信號(hào)，彈載設(shè)備和引信之間通訊正常。通過計(jì)算機(jī)和示波器監(jiān)測(cè)RS422總線上的數(shù)據(jù)及波形，接口數(shù)據(jù)未出現(xiàn)亂碼、數(shù)據(jù)丟失、返回應(yīng)答信息不正確、以及輸出錯(cuò)誤控制信號(hào)等一系列問題，圖6為引信進(jìn)行CS115電纜束注入脈沖激勵(lì)傳導(dǎo)敏感度試驗(yàn)場(chǎng)景及信號(hào)波形。

圖6 CS115試驗(yàn)場(chǎng)景及信號(hào)波形Fig. 6 CS115 scene and signal waveform

4 結(jié) 論

文中提出了一種RS422[9]總線全雙工異步通訊引信裝定方法。在該方法中，引信微控制器控制高速RS422總線接口芯片同彈載設(shè)備進(jìn)行全雙工異步通訊，接收起爆參數(shù)、解保時(shí)機(jī)等武器平臺(tái)信息，并向彈載設(shè)備返回引信裝定結(jié)果、引信狀態(tài)等信息；采用滑窗式算法判斷接收數(shù)據(jù)包以提高接收可靠性；通過總線分時(shí)復(fù)用總線，完成多引信裝定。測(cè)試驗(yàn)證表明：該方法使用獨(dú)立數(shù)據(jù)接收通道和數(shù)據(jù)發(fā)送通道，避免總線沖突，裝定速度快，可靠性高，可應(yīng)用于多種武器平臺(tái)上，特別對(duì)于高價(jià)值彈藥武器系統(tǒng)具有非常重要的作用。

[1] 胡景林,孫宜亮,婁文忠,等.引信與機(jī)載武器的協(xié)同設(shè)計(jì)與分析[C]//中國兵工學(xué)會(huì)第十五屆引信學(xué)術(shù)年會(huì).西安:中國兵工學(xué)會(huì)引信專業(yè)委員會(huì),2007:288-291.

[2] 凌永順,萬曉授.武器裝備的信息化[M].北京:解放軍出版社,2005.

[3] 聶仙娥.多功能引信的裝定技術(shù)研究[D].中北大學(xué),2012.

[4] 方利緣.基于迭代和修正的波特率自適應(yīng)算法[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2011,33(1):27-31.

FANG Li-yuan.A baud rate self-adapting algorithm based on iteration and correction[J]. Journal of Detecion & Control,2011,33(1):27-31.

[5] 王水平,于建國,宣宗強(qiáng),等.DC/DC變換器集成電路及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2005.

[6] 大衛(wèi)A·韋斯頓.電磁兼容原理與應(yīng)用[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[7] 郭銀景.電磁兼容原理與應(yīng)用教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[8] 耿德根,宋建國,馬潮,等.AVR高速嵌入式單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2002.

[9] 王留全,霍建華.高速便攜式RS 232/422信號(hào)模擬器設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2013(13):120-123.

WANG Liu-quan,HUO Jian-hua.Design of high-speed portable RS 232/422 signal simulator [J].Modern Electronics Technique,2013(13):120-123.

A fuse programing method based on RS422-bus full duplex communication

REN Peng-li, LIU Feng-hua, SHAO Zhi-hao
（Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi’an 710065, China）

The RS485-bus fuze programing method has disadvantages of bus collision and missing data, fuze MCU change the pin state to receiv or transmit data. A fuze programming method based on RS422-bus full duplex communication was put forward in the paper. The MCU control RS422 interface chip communication with the onboard equipment, receiving weapon platform information and returning fuze state information independence. To take sliding window, MCU judge and receive the data packet .By time division multiplexing the same bue, more fuzes complete programming. Studys showed that the method was of fast programming, high anti-interference ability, and high reliability.

fuze; RS422-bus; the on-board equipment; programming

TN911

A

1674-6236(2014)03-0066-03

2013–06–22 稿件編號(hào)：201306146

任朋利(1981—)，女，陜西富平人，工程師。研究方向：電子信息工程。