基于高档精简指令集单片机的弹上记录仪

骆海涛，郑小燕，唐 强，郑 松，孟会玲

（1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065；2.西安外事学院，陕西 西安 710077）

0 引言

当前武器已向多用途、通用化、智能化和高精度的方向发展，以实现武器弹药的最大效能和对目标的最佳毁伤。因此，掌握弹的飞行环境信息和动态特性规律对于武器的研制至关重要［1］。弹载存储测试是以动态测试技术为基础，结合当前较先进和可靠的技术研制的随弹飞行撞击和侵彻目标，测试和记录整个飞行过程参数，回收后读取数据的测试装置［2］。传统遥测在飞行弹道末端受到地面、多径传输的干扰，遥测通信容易出现中断的问题［3］。传统的基于FPGA或51单片机与SRAM或FIFO实现的数据记录仪存在复杂度高、体积过大等特点［4－6］，在高速碰目标或着陆过程的高冲击过载环境使用中，存在实际测试回收成功率较低的问题。针对此问题，本文提出基于高档精简指令集（RISC）单片机与闪存实现弹上记录仪。

1 弹载存储测试现状

弹载存储技术作为遥测技术的一个重要分支，是一种获取飞行环境和动态特性参数的有效方法。它是将整个存储装置安装在可回收的固件内，实时记录飞行的环境信息和着陆的动态特性参数，回收测试装置后通过计算机接口回放数据。这一技术以微计算机技术为基础，同时还具备以下的技术：弹上电源技术；可靠的抗干扰技术；电子器件二次封装技术；加固与缓冲技术；结构设计与装配工艺技术。

传统的弹载存储硬件主要由以下几个部分组成：信号调理及A／D转换器、CPU（51单片机或FPGA）、FIFO或SDRAM、存储器、电源和读数接口，其原理框图如图1所示。这是相当流行的一种方案，CPU普遍采用传统的51单片机或高集成度的FPGA。但存在着明显的缺点：51单片机和FPGA都引入了SDRAM或FIFO芯片作为缓存，增加了电路的复杂性，增大了工作电流，扩展了测试装置体积。工程经验表明：复杂度过高、体积过大、操作笨拙的弹载存储装置在高冲击的弹载存储环境中具有潜在的高风险特性。

图1 传统的弹载存储硬件框图Fig.1 The traditional missile data reorder hardware block diagram

1.1 51单片机及基于RISC的高档AVR单片机简介

精简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）是一种设计思想，其目标是设计出一套能在高时钟频率下单周期执行，简单而有效的指令集。RISC的设计重点在于降低由硬件执行的指令的复杂度，这是因为软件比硬件容易提供更大的灵活性和更高的智能，因此，RISC设计对编译器有更高的要求；传统51单片机采用了复杂指令集的计算机CISC（Complex Instruction Set Computer），其冯.诺依曼结构限制了单片机工作速度的提高，CPU与其内部FLASH存储器不能并行工作，以致执行一条指令至少需要一个机器周期，并且只有一个累加器A，造成累加器A与SRAM间数据传输的瓶颈，其指令变得更复杂。

高档AVR（AdVanced RISC）单片机是一款性能更加完善、使用更加方便和功能更加强大的新型单片机。其关键技术在于采用了流水线操作和等长指令的体系结构，这种MCU对SRAM和FLASH存储器分别进行寻址的哈佛（HarVard）结构极大地提高了MCU工作速度，而且片内还集成了32个通用工作寄存器，每个工作寄存器都可以在指令执行前存放一个操作数和指令执行后存放操作结果（相当于51单片机的累加器A），这就有效地避免了CISC结构中累加器A与SRAM存储器间实际存在的数据传输的瓶颈。

2 基于高档AVR单片机与闪存的弹上记录仪

2.1 主要的硬件构成

针对遥测PCM码流的特点，本文以ATMEL公司的高档单片机ATMEGA128为核心架构的通用化弹上记录仪的原理框图如图2所示。

图2 基于AVR单片机高速弹上记录仪硬件框图Fig.2 Based on AVR microcontroller missile data reorder hardware block diagram

弹上记录仪主要由AVR单片机ATMEGA128、串并转换接口、存储器模块和电源组成。基于高档AVR单片机与闪存实现弹上记录仪与传统的弹载存储装置相比有两点最大的区别：一是在摈弃繁杂的缓存外设之后却额外地增加一个备份存储器，并且安装时存储器1垂直于存储器2，这样的布局有利于提高着陆过程中随机碰撞后装置核心器件的生存概率；二是把弹载存储装置的检测和读数功能由繁化简地留给地面控制平台和PC机来控制ATMEGA128的操作及事后数据的读取。

设计采用的ATMEGA128是一种高性能的微控制器：内含128KB的系统内可编程Flash、4KB的EEPROM、4KB的SRAM、53个通用I／O口线、其内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器。所有的通用工作寄存器都直接与算术逻辑单元（ALU）相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种哈佛结构（指令流水线）大大地提高了代码效率，与传统的微控制器相比高10倍的数据吞吐率；丰富的中断源极大地方便了对外设的快速配置；6种可以通过软件选择的省电模式，简捷地实现了低功耗。纵观上述功能都是传统51单片机和FPGA无法比拟的。

串并转换接口采用了TOSHIBA公司的高速COMS的8位并行输出的串行移位寄存器和计数器组成，配合单片机完成遥测码流的串并转换。SAMSUNG公司64MB的NAND FLASH用于遥测数据的存储。

2.2 软件

传统的弹载存储装置由于采用了复杂的硬件构成，造成装置的功耗较大，导致大量检测工作必须在发射阵地现场完成，启动方式依靠发射过载开关或预先采集判断。这样不仅增加了技术工程人员的危险性，而且现场环境不可抗拒的突发因素也不能排除，额外增加了弹载存储装置能否成功记录数据的风险。

通过远距离的RS422控制总线由地面控制平台实现弹上记录仪的所有功能。设置了多级的指令模式，分为4种指令和6种工作状态。6种工作状态分别是上电初始化状态、数据读取状态、准备好状态、数据存储状态、数据擦除状态和中断状态，其状态转换关系如图3所示。

开始时，弹上记录仪上电复位后立即进行闪存的初始化，并将初始化的信息反馈给地面控制平台。设置的四种指令分别是数据读取指令、准备好指令、数据存储指令和数据擦除指令，并且只有按照设定的指令操作程序执行，装置才能正常工作。为确保弹上记录仪存储启动的可靠性，增加了对中断有效的判断门阀，防止意外中断的发生。根据设计的需求，采取了以下措施提高系统的抗干扰能力：

1）对指令进行加密，长度达64位；

2）采用多级指令方式，防止误操作触发擦除或存储程序运行；对信号进行多次判断，只有真实信号才能可靠地启动存储程序；

3）利用软件陷阱和软件冗余技术。程序一旦“跳飞”进入非程序区，通过软件陷阱即可转向错误处理程序；

4）利用休眠抗干扰技术，在程序启动前和结束后使系统进入休眠状态，关闭所有I／O口和中断源，保证了装置一次正常存储启动后不易受到干扰。

3 弹上记录仪在遥测中的应用

弹上记录仪可针对具体的遥测PCM码流进行相应的参数和软件的灵活配置，而不需要进行硬件上的更改，，尺寸小（Φ36×27mm），具有很强的适应性，已先后成功地应用于多次外场测试。装置的各个模块供电电压均是3.3V，在采集、存储时装置的总电流小于25mA，在遥测PCM的码流为1Mb／s时，装置可以记录时长可达512s，容量为512Mb。试验时将弹上记录仪和遥测舱对接，由地面控制平台完成检测后进入待机状态，装置一旦检测到发控中心的指令，自动开始启动存储。回收弹上记录仪后回放数据进行分析处理。试验中，弹上记录仪在1 200m／s速度下侵彻沙土、砾石深达12m，历时7天挖出来后接口仍然不受破坏，在不用解剖的情况下正常工作读取存储器的数据。

在地面静态联试过程中的反复测试说明装置具有可重复使用性。图4是地面静态联试某型号内壁温度曲线，测试结果表明弹上记录仪记录的数据与理论值相符。图5是遥测中断时飞行内壁温度曲线，由于遥测接收过程中受到意外因素的影响，数据中出现了大量的中断。图6是飞行的弹上记录仪记录的内壁温度曲线，动态试验记录的数据真实反映了其内部环境信息，为设计过程参考提供了可靠的技术支撑手段。

在多次静态、动态试验测试中的可靠工作充分说明了弹上记录仪具备较强的抗干扰能力和高可靠性。动态试验结果表明，基于AVR单片机弹载高速弹上记录仪的性能满足多种弹道环境参数测试的要求，具有较高的实用和推广价值。

图4 地面静态联试中弹内壁温度曲线Fig.4 Ground static testing a weapon wall temperature curve

图5 遥测中断时弹内壁温度曲线Fig.5 Telemetry was interrupted when a weapon wall temperature curve

图6 弹上记录仪记录的弹内壁温度曲线Fig.6 Missile data reorder for recording a weapon wall temperature curve

4 结论

本文提出基于高档AVR单片机与闪存实现弹上记录仪，该装置主要由单片机、闪存模块和地面控制平台构成，存储容量可编程最大为512MB；通过多级指令方式进行远距离检测，并采用了软件抗干扰技术。测试表明：基于单片AVR单片机与闪存实现的弹上记录仪能适应恶劣的飞行环境和经受高速（1 200m／s）着陆过程而不受损坏，弥补了传统遥测在近地端遥测数据丢失的缺点。该装置具有体积小、操作简便、可靠性高和抗高冲击过载的特点，可实现各种冲击、振动环境下常规仪器无法实现的特殊现场测试，因此在兵器、航天及国民工业生产等领域有着极为广阔的应用前景。

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