電氣控制組合嵌入式處理技術*

張自強，薛健，陳光信，劉芳，王艷輝，李碩

(1.北京航天新風機械設備有限責任公司，北京 100854；2.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

電氣控制組合嵌入式處理技術*

張自強1，薛健2，陳光信1，劉芳1，王艷輝1，李碩1

(1.北京航天新風機械設備有限責任公司，北京 100854；2.北京電子工程總體研究所，北京 100854)

傳統導彈電氣控制組合以模擬電路和分立器件為主，體積大，與地面傳輸電纜復雜，控制精度低。采用嵌入式處理技術，利用嵌入式系統體積小、軟件固化的優點，通過電氣控制組合與地面系統數字通訊，實現功能控制和信號采集。處理電路體積小，控制精度高，可靠性與集成度高，為后續型號電氣控制產品的研制提供了參考和借鑒。

電氣控制組合；嵌入式；數字通訊；控制精度；可靠性；導彈

0 引言

目前，世界主要國家導彈技術的發展已形成多代產品并存的局面，研制新型高可靠性、高集成度的導彈產品成為發展的主流[1]。電氣控制組合是彈上電氣系統的重要控制組件，在導彈設計中其作用有2部分：一是完成發射與飛行中必要的點火、空中轉電等控制過程；二是對彈地通信與測量信號進行調理，使之滿足測發控任務要求。因此，長期以來任務驅動為設計目的，以可靠性為第一要務，造成以模擬器件和分立器件為主要實現手段的局面[2]。

傳統的電氣控制組合處理電路采用模擬電路實現彈上負載的功能控制和信號檢測。隨著導彈武器系統的發展，在當前的以綜合射頻為先進航電技術帶動下，導彈彈上設備的實現手段已從以往單一的任務驅動，逐漸向體系化和資源共享的技術走向上發展。采用傳統模擬電路實現地面系統對彈上設備的控制和檢測，具有控制精度低、彈上傳輸電纜復雜、可靠性和穩定性差等缺點；同時，對多個彈上設備進行同步控制和狀態信號檢測，以模擬器件和分立器件為主的電氣控制組合體積、重量較大，研發成本較高[3]。

隨著數字電子技術的發展，嵌入式處理器逐步應用在控制系統和組合裝置中，其優點在于：控制參數修改便捷，通過編程控制算法能夠實現復雜的控制功能，控制軟件固化在嵌入式系統中，控制和采集精度高。同時，嵌入式控制系統可進行集成化、模塊化設計，系統體積小[4]。將嵌入式系統應用到電氣控制組合產品的設計中，一方面將彈上設備返回的模擬量檢測信號轉換成數字量[5]，通過與地面系統數字通信，送地面解碼分析；另一方面將地面系統發出的數字控制命令經調理電路轉換成模擬量輸出，控制彈上設備各種電氣功能的實現。采用嵌入式處理電路的電氣控制組合相對于傳統模擬電路而言，可以解決產品體積和重量大、控制和檢測精度低、信號傳輸電纜復雜[6]、研發成本高等問題，具有小體積、軟件固化、高可靠性和高集成度等優點[7-8]。由此可見，將嵌入式系統應用到電氣控制組合研制中，存在諸多優點，是武器系統發展的趨勢。

1 系統功能概述

將嵌入式處理技術用于電氣控制組合的設計中，用數字量傳輸實現地面系統對彈上設備進行相關功能控制和狀態信號檢測。采用嵌入式處理方式，避免了傳統分立器件和模擬器件為主的電氣控制組合體積大、控制和檢測精度低、信號傳輸電纜復雜等問題。同時，嵌入式處理技術使軟件固化在數字芯片里，系統可靠性提高。嵌入式處理電路設計分硬件電路設計和嵌入式軟件設計2部分。

2 硬件電路設計[9]

電氣控制組合作為獨立的彈上電氣控制產品，實現導彈發射與飛行中的電氣控制及彈上設備反饋信號采集，還實現設備二次電源與地面電源隔離轉換、內部信號自檢、與地面系統的通訊功能。系統原理框圖如圖1所示。

根據電氣控制組合實現功能要求和輸入、輸出信號的特征，提出一種嵌入式彈上電氣系統控制組件設計思路。本文將電路設計分模塊化進行分析，主要有：模擬信號檢測電路、狀態信號檢測電路、嵌入式控制處理電路、RS- 422通訊電路、二次電源轉換電路。

圖1 系統原理框圖Fig.1 Block diagram of the system

2.1 模擬信號檢測電路

電氣控制組合需要檢測的彈上設備模擬信號有：彈上設備供電電壓信號、彈上電池開路電壓信號，信號特征為一次電源供電輸出的模擬量，幅值為27 V。模擬信號檢測電路原理框圖如圖2所示。

彈上設備輸入的信號由一次電源供電，電氣控制組合先將輸入信號按比例分壓，采用隔離運算放大器實現一次電源與二次電源的隔離，信號在DSP(digital signal processing)內部AD(analog to digital)轉換后經隔離通訊芯片與地面進行數據交換。隔離運算放大器內部原理框圖如圖3所示。

隔離運算放大器具有精度高、功耗低、共模性能好、體積小等特點，且通過片內變壓器耦合，對浮地信號的輸入和輸出進行電氣隔離，使其信號在輸出端轉換為共地信號[10]。運算放大器輸入端為同向比例放大器，可實現輸出電壓的增益可調，輸入和輸出電壓滿足[11]：

(1)

式中：VSIG為隔離運放輸入電壓；VO為隔離運放輸出電壓；反饋電阻RF≥20 kΩ。通過調節電阻RF和RG的阻值來調整輸出電壓。

電氣控制組合硬件電路內部嵌入式處理器具有AD轉換模塊，內置采樣/保持電路[11]。n位AD轉換的數字結果可以近似表示為

(2)

式中：VA_IN為ADC輸入模擬電壓值；VREFHI為ADC模擬參考電壓高電平電壓值；VREFLO為ADC模擬參考電壓低電平電壓值。

2.2 狀態信號檢測電路

電氣控制組合檢測彈上設備反饋的狀態信號，信號特征為彈上設備光電耦合器輸出開關量。狀態信號檢測電路框圖如圖4所示。

電氣控制組合內將彈上設備光耦輸出端集電極接二次電源電壓+5 V，光耦輸出端發射極與16位總線電平轉換電路相連。電平轉換電路采用+5 V和+3.3 V供電的雙電源工作模式，將+5 V的TTL(transistor- transistor logic)電平信號轉換為DSP的I/O端口電平信號，DSP處理器對信號進行存儲和處理，再通過RS- 422轉換芯片將測量數據送地面系統進行解碼和分析。

圖2 模擬信號檢測電路框圖Fig.2 Diagram of analogy signal detecting circuit

圖3 隔離運算放大器應用及內部功能框圖Fig.3 Schematic diagram of isolated operational amplifier

2.3 嵌入式控制處理電路

地面系統與電氣控制組合采用RS- 422平衡通訊，電控內嵌入式控制系統實現AD轉換，信號經調理后對彈上設備進行供/斷電、空中轉電、火工品點火等控制，對信號的控制精度和抗干擾能力具有較高的要求，嵌入式控制系統處理電路框圖如圖5所示。

嵌入式處理器DSP芯片輸出低電平有效，由于DSP的IO口采用3.3 V電壓供電，輸出電壓較低，易受干擾，導彈發射飛行試驗中，彈上電磁環境復雜，采用嵌入式處理器直接控制負載繼電器會引起負載誤動作，為試驗留下隱患。為解決嵌入式芯片直接驅動信號抗干擾能力弱的問題，采用平轉換電路將I/O輸出信號升壓，使之可靠驅動負載光MOS繼電器工作。光MOS繼電器輸入端光電二極管工作電流為8～12 mA，輸出端MOS管單向電流0.5 A，可實現控制信號隔離保護，同時具有功耗低、驅動電流大的特點。

光MOS繼電器輸入端為發光二極管，陽極經限流電阻與+5 V二次電源電壓連接，陰極與電平轉換電路輸出管腳相連；繼電器輸出端為MOS器件，MOS管的源極與一次電源相連，漏級接負載電路控制信號輸入正，控制信號輸入負與一次電源負連接。采用此方法，嵌入式處理器輸出的控制信號驅動能力提高。

2.4 RS- 422通訊電路

地面系統與電氣控制組合通過RS- 422總線進行通信，數據傳輸速率為115 200 bps，實現長距離、高速率數據通訊。地面系統通過計算機PCI插槽內RS- 422通訊板卡與控制組合進行數據交互，信息發送和接收數據包結構采用命令幀格式(a))和數據幀格式(b))，如圖6所示。

DSP控制器SCI單元輸出的TTL電平信號經隔離通訊芯片轉換后傳送給地面系統，實現信號的隔離通訊，電路原理如圖7[12]所示。

圖4 狀態信號檢測電路框圖Fig.4 Diagram of operational signal detecting circuit

圖5 嵌入式控制系統處理電路框圖Fig.5 Diagram of embedded controlling circuit

圖6 數據包結構Fig.6 Structure of data package

圖7中，A為信號接收正，B為信號接收負，Y為信號發送正，Z為信號發送負。在接收信號正(A)與負(B)兩端并聯120 Ω匹配電阻，消除末端反射，提高數據傳輸的可靠性。

2.5 二次電源轉換電路

選用DC/DC模塊將地面一次電源+27 V轉換為+15 V和+5 V 2路二次電源，同時實現二次電源與一次電源地線間的隔離。嵌入式處理器DSP內核電壓為1.8 V，I/O電壓為3.3 V。采用DSP電源芯片，實現+5 V電源轉換輸出+3.3 V和+1.8 V 2種直流電壓。為保證DSP內核在電源未達到工作電壓之前，不存在非受控狀態，需要在內核電壓+1.8 V到來之前對DSP進行復位。相關電源電路、復位電路原理如圖8所示。

嵌入式處理器DSP2812上電次序是先外圍I/O上電再內核上電，即3.3 V先上電，1.8 V后上電[13]。在I/O口3.3 V上電而內核1.8 V尚未上電的瞬間，I/O口處于不確定狀態，會導致電氣控制組合內部邏輯混亂。選用電源轉換芯片，通過對DSP芯片的延時復位來解決這一問題。電源轉換芯片2OUT管腳先輸出3.3 V電源電壓，此時1.8 V電壓管腳1OUT和1RESET管腳為低電平，將1RESET管腳與DSP2812的復位管腳相連，DSP進行復位；200 ms后，1OUT有1.8 V電壓輸出，1RESET管腳輸出電平置高，DSP內核上電，停止復位。DSP復位期間，所有管腳輸出電平置低，3.3 V電源電壓降到0.5 V，該電壓值不能直接驅動負載端光-MOS繼電器工作，因此DSP上電復位期間電氣控制組合內控制繼電器不會誤動作。其中，0.1 μF電容C4，C5為去耦電容，100 μF鉭電容Ct4，Ct5增加輸出電壓穩定性。250 kΩ電阻R5，R6為復位信號上拉電阻，當1OUT管腳有1.8V電壓輸出時，1RESET管腳復位信號由低電平變為高電平。

圖7 RS- 422通訊電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of RS- 422 communicating circuit

圖8 DSP電源電路、復位電路原理圖Fig.8 Schematic diagram of power and reset circuit for DSP

3 軟件模塊設計

電氣控制組合嵌入式軟件存儲在DSP內部FLASH中，DSP主頻為100 MHz。軟件實現功能：接收地面或運載器發出的數字量控制命令，輸出相應控制信號；采集彈上設備反饋信號和組合的內部自檢參數并通過422端口發送至地面[14-15]。

3.1 功能模塊

電氣控制組合上電或復位后自動加載程序，在完成軟硬件初始化后進入等待命令狀態，根據地面發送的命令執行操作，功能模塊流程圖如圖9所示。3.2 定時中斷模塊

電氣控制組合采集彈上設備輸入的主要功能參數和內部特征參數，通過串口發送到地面系統進行分析處理，根據地面系統功能時序要求，軟件上采用5 ms定時中斷完成內部I/O口和AD的采樣功能。定時中斷模塊流程如圖10所示。

4 實驗與驗證

根據電氣控制組合的輸入輸出關系，開發了半自動化測試設備，包括數字萬用表、直流穩壓電源、測試電纜、測控臺及上位機，對電氣控制組合的電性能參數進行測試。圖11為隨機振動篩選試驗圖。

圖中，電氣控制組合測試臺模擬彈上設備不同功能輸入、輸出電壓信號，直流穩壓電源模擬地面一次電源為系統供電，上位機軟件與電氣控制組合通訊，向電氣控制組合發送控制命令，接收電氣控制組合傳送的測量數據、進行解碼處理并實時顯示。

4.1 模擬信號檢測電路

電氣控制組合上電后，由測試臺輸入不同的彈上設備供電電壓信號、彈上電池開路電壓信號，上位機與控制組合RS- 422平衡通訊，將電控內采集到的數據以數字量的形式傳送給上位機軟件，輸入信號由0 V變化到32 V，得到的數據曲線如圖12所示。

圖9 軟件功能模塊流程圖Fig.9 Flow diagram of software functional module

圖10 定時中斷模塊流程圖Fig.10 Flow diagram of timer interruption module

圖11 隨機振動篩選試驗圖Fig.11 Test diagram of random vibration screening

圖12 模擬信號檢測電路數據曲線Fig.12 Analogy signal detection circuit data curve

由圖12可以看出，經電氣控制組合采集并處理后的數字信號與輸入模擬電壓信號呈線性關系，且線性度良好。彈上設備供電電壓信號滿足：

(3)

彈上電池開路電壓信號滿足：

(4)

式中：VIn為嵌入式處理器AD轉換后數值。

實驗結果表明，模擬信號檢測電路可以對多發彈上設備返回信號進行隔離檢測，檢測精度為0.01 V，電氣控制組合傳送給上位機的數據真實有效，可靠地反映了輸入信號的特征。

4.2 通訊可靠性測試

使用測試設備對電氣控制組合的電性能進行測試，采用測控臺模擬不同功能信號輸入數據，通過Labview軟件編寫數據處理機顯示界面。

通過對上位機軟件采集到的數據進行分析，在20 m內無數據丟失、無誤碼數據；上位機軟件發送控制命令，電氣控制組合在10 ms內完成相應繼電器動作，控制命令實時性良好。

5 結束語

本文采用RS- 422通訊，通過地面系統與電氣控制組合數據交互，將彈上設備返回的模擬量檢測信號轉換成數字量，發送地面解碼分析，測量數據具有較高的精度和可靠性；將地面發出的數字量控制信號經調理電路轉換成模擬信號輸出，產生彈上設備控制信號，具有較高的實時性和可靠性。將嵌入式技術應用到彈上電氣控制組合的電路設計中，利用嵌入式系統體積小、軟件固化的優點，減少了彈上信號傳輸電纜的數量，簡化了系統接口，提高了系統的集成度和可靠性，具有很好的推廣價值。

[1] 楊衛麗，張磊.國外巡航導彈發展初步分析[J].戰術導彈技術，2014(2)：1-4. YANG Wei- li，ZHANG Lei.Research on the Development of Foreign Cruise Missile[J].Tactical Missile Technology，2014(2)：1-4.

[2] 譚偉.XXX電氣控制盒的研制[D].成都：電子科技大學，2008. TAN Wei.Research on XXX Electric Control Box[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2008.

[3] 王凱讓，蘇東林.自動測試系統溯源性設計與應用[J].現代防御技術，2015，43(2)：172-179. WANG Kai- rang，SU Dong- lin.Traceability Design and Application of Automatic Test Systems[J].Modern Defence Technology，2015，43(2)：172-179.

[4] 平振海，胡昌華.嵌入式導彈測控系統的硬件抗干擾設計[J].控制工程，2007，14(S1)：70-73. PING Zhen- hai，HU Chang- hua.Design of Anti- Interference in Embedded Test- Control System Hardware of Missile[J].Control Engineering of China，2007，14(S1)：70-73.

[5] 張大波.嵌入式系統原理、設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2005. ZHANG Da- bo.Design and Application of Embedded System[M].Beijing：China Machine Press，2005.

[6] 夏文濤，邵云峰.彈上電氣系統電纜網輕小型化的構想與設計[J].現代防御技術，2006，34(2)：20-23. XIA Wen- tao，SHAO Yun- feng.The Light- Duty Design of the Compound Cable Net For the Air Defense Missile Electrical System[J].Modern Defence Technology，2006，34(2)：20-23.

[7] 李珊珊.嵌入式彈載計算機性能優化與實現[J].航空兵器，2011，2(1)：56-64. LI Shan- shan.Performance Optimization and Implementation of the Embedded Missile- Borne Computer[J].Aero Weapony，2011，2(1)：56-64.

[8] 宋志剛，張杰.彈載嵌入式系統設計技術[J].科學技術與工程，2008，8(13)：3554-3558. SONG Zhi- gang，ZHANG Jie.Design Method for Missile- Borne Embedded System[J].Science Technology and Engineering，2008，8(13)：3554-3558.

[9] ANALOG D.Low Cost，Miniature Isolation Amplifiers AD202/AD204[R].USA：Analog Devices，Inc.，2002.

[10] 孟玉慈，孫允高.隔離放大器在軍用電子系統中的選擇與應用[J].電子元器件應用，2005(5)：20-24. MENG Yu- ci，SUN Yun- gao.Choice and Application of Isolation Amplifier for Military System[J].Electronic Component & Device Applications，2005(5)：20-24.

[11] GIRIDHAR J.Efficient Word Length Reduction Techniques for DSP Applications[J].Microprocessors and Microsystems，1998，22(1)：1-12.

[12] ANALOG D.5kV rms Signal and Power Isolated RS- 485 Tranceiver With ±15kV ESD ADM2687E[R].U S A：Analog Deveces，Inc.，2011.

[13] 寧改娣.DSP控制原理及應用[M].北京：機械工業出版社，2002：1-9. NING Gai- di.DSP Control Principle and Application[M].Beijing：China Machine Press，2002：1-9.

[14] 閻華，王民鋼，王桂華.導彈模擬系統嵌入式電子組件的設計與實現[J].計算機測量與控制，2007，15(2)：202-204. YAN Hua，WANG Min- gang，WANG Gui- hua.Design and Realization of Embedded Electric Component for Missile Simulation System[J].Computer Measurement & Control，2007，15(2)：202-204.

[15] 賈慶忠，劉永善，劉藻珍.彈載嵌入式系統軟件可靠性設計[J].微計算機信息，2007，23(9)：12-14. JIA Qing- zhong，LIU Yong- shan，LIU Zao- zhen.Implementation of the Dependability for Embedded Software Used in Missile[J].Microcomputer Information，2007，23(9)：12-14.

Embedded Processing Technique for the Electric Control Box

ZHANG Zi- qiang1，XUE Jian2，CHEN Guang- xin1，LIU Fang1，WANG Yan- hui1，LI Shuo1

(1.Beijing Aerospace Xinfeng Mechanical Equipment Co.，LTD，Beijing 100854，China； 2.Beijing Institute of Electronic System Engineering，Beijing 100854，China)

Traditional missile electric box using analog circuit and discrete device has drawbacks of huge volume, complex transmission cables and low control precision. An embedded processing technology which uses digital communication between the electric control box and ground test- launch- control system is proposed. The circuit possesses characteristics as small volume, higher control accuracy, higher reliability and integration level, which provides a useful reference for future development of missile electric control equipment.

electric control box；embedded；digital communication；control accuracy；reliability；missile

2016-07-27；

2016-12-12 基金項目：有 作者簡介：張自強(1988-)，男，河北唐山人。工程師，碩士，主要從事航天電氣系統理論研究與相關設計。

10.3969/j.issn.1009- 086x.2017.04.027

TJ765.4； TJ768.3

A

1009- 086X(2017)- 04- 0172- 08

通信地址：100854 北京市142信箱80分箱 E- mail：zzqandy1988@163.com