基于单总线的弹载装订系统设计*

杨国欢，张晓明，2*，赖正喜，赵代弟

(1.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051; 2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)



基于单总线的弹载装订系统设计*

杨国欢1，张晓明1，2*，赖正喜1，赵代弟1

(1.中北大学电子测试技术重点实验室，太原030051; 2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

摘要:针对常规弹在制导化改造中导航系统初始参数射前装订难题，提出了一种利用单总线通信存储技术的射前初始参数装订方案。为了实现装订数据目的，首先设计弹载装订总体方案，然后搭建了硬件电路及设计了相应软件，最后通过实验验证了该系统的可靠性和传输速度。实验表明该方案通讯可靠性高，通讯速率高，其写入和读取8 byte只分别需要22 ms和10 ms。该设计为弹药射前参数装订提供了一种可靠的解决方案，在常规弹药的智能化改造和智能引信中具有较好的工程应用前景。

关键词:常规弹制导化;数据装订;单总线;可靠性;传输速率

对于常规弹制导化而言，无论是用磁导航还是惯性导航，都需要在炮弹发射之前装订初始参数和其他一些状态信息，因此装订系统设计至关重要。通常情况下弹载模块需要存储装订系统发送的初始状态数据，发射后由弹体计算机读取信息，进行导航解算［1］。对于射前装订信息时不但要求系统结构简单、弹体改造少、弹外供电，而且要求必须保证传输数据的速度快和可靠性高［2－3］。传统的装订模块采用多线总线方式进行通信，如IC总线，SPI，RS232等总线。这些总线通信时需要弹外电源供电后弹载模块计算机工作才能通信，造成对弹体的结构改造大，使装订系统变的复杂。为了避免传统多线传输方式带来的不便，单线传输方式运用而生。所谓单线传输就是以弹体尾部触点作为信号线，弹体外壳为地线，只利用地线和一个触点就可以传输数据［4－5］。单线传输只用一根数据线和一根地线即可传输数据，又给存储模块提供能量驱动，具有结构简单特点［6－8］。现有的单线传输大多采用电力载波的方式进行信号传输，容易受到干扰，使得装订系统不稳定，无法保证数据传输的可靠性。

针对上述存在的装订难问题，提出了利用达拉斯生产EEPROM芯片，采用单总线方式传输数据进行数据装订。该系统具有该系统具有结构简单、体积小、通讯可靠、通讯速率高的优点，为弹药射前参数装订提供了一种可靠的解决方案。

1　总体方案设计

对于常规弹装订模块存在的问题，运用单总线传输特性设计的装订系统方案如图1所示。弹载模块中将数据传输线做成触点的方式置于弹尾，弹壳接地，弹载模块与装订系统共地，将触点与数据线相连就可以在接收装订模块发送的数据。弹载模块中的EEPROM芯片用于存储装订数据，弹载计算机负责接收装订数据并作姿态运算等工作。过载电源是在发射后触发才开始工作，这就要求在装订数据必须外供电。弹载计算机负责接收装订数据并作姿态运算等工作。

图1　系统总体方案

本设计中的EEPROM是单总线存储芯片。单总线及相应的芯片是由美国达拉斯半导体公司推出的一项新技术。所谓单总线通信就是运用一根信号线实现既可以进行PC机或单片机跟单总线专用芯片进行双向通信，又可以为芯片提供电源驱动。因此，EEPROM芯片即可以使装订系统与弹载模块作双向通信，又可以避免外供电造成结构复杂的麻烦。

对于该装订系统的工作流程为:(1)断开触点，给装订系统上电，采集存储需要装订的初始姿态等信息; (2)将触点连接上单总线EEPROM芯片，运用装订模块数据线发送需要装订的信息，EEPROM芯片存储数据，确定信息无误后断开触点; (3)确定数据传输完毕后，炮弹发射，过载电源开始工作，弹载模块运用单总线读取EEPROM芯片数据后作姿态解算。

2　硬件设计

硬件电路设计如图2所示。硬件电路包括装订系统和弹载模块。装订系统负责从其他设备获取需要装订的初始参数，然后将参数发送至弹载模块中的EEPROM芯片DS2431。而弹载模块是从DS2431读取初始参数进行姿态解算。

图2　硬件电路

2.1装订系统设计

装订系统硬件包括单片机与一个上拉电阻。装订系统中采用STM32F4系列单片机作为单片机的主控芯片，该系列基于ARM CortexTM－M4内核集成了单周器DSP指令和浮点单元FPU(Floating Point Unit)，提升了计算能力，可以进行一些复杂的计算和控制。单片机通过一个漏极开路或三态端口连接至EEPROM数据线。单总线端口为漏极开路，要求外接一个上拉电阻Rpup。这样，单总线的闲置状态为高电平。位传输之间的恢复时间没有限制，只要总线在恢复时间处于空闲状态(高电平)。

2.2弹载模块硬件电路

弹载硬件电路包括DS2431，Stm32单片机和过载电源。弹载模块硬件电路中存储芯片采用的是由达拉斯生产的DS2431，是一款1024位单总线EEPROM芯片，由4个存储器组成，每页256位，数据先被写入一个8 byte暂存器中，经校验无误后复制到EEPROM存储器。4个存储页相互独立，可以单独设置写保护。由于能够在过载电源不工作时装订系统所提供的数据线接口既可以为传送数据又可为DS2431提供能量驱动，使得装订系统具有硬件电路简单的优点。

3　软件设计

3.1单总线时序

单总线简洁的硬件电路是需要相对复杂的软件配合使用的。对于单总线典型的单总线命令顺序为初始化命令、ROM命令和功能命令，其中功能命令包括读、写命令。单总线的这些命令是通过时序实现。装订系统只需跟一个单总线芯片通信，因此在复位后可跳过ROM命令直接对EEPROM进行读写操作，可以节省通信时间。命令时序包括初始化信号、写0、写1和读信号如图3所示。

图3　单总线时序图

3.2装订系统装订流程实现

对于装订系统设计从装订系统写入数据至EEPROM的流程如图4所示，单片机发送复位信号，EEPROM复位完毕发送复位成功信号，跳过ROM命令后，直接往EEPROM写入需要的数据，单片机再从EEPROM读出数据判断写入数据是否准确，如准确则结束，否则重新发送数据。对于弹载模块从EEPROM中读取数据时可参考写入流程中读EEPROM过程。

图4　软件流程图

4　实验验证

组装的测试系统如图5所示，Stm32单片机实验板作为系统的装订模块。弹载模块封装跟单片机之间只用一根地线和数据线相连即进行通信实验。

图5　弹载装订系统实验电路

4.1可靠性验证

为了测试验证装订系统传输数据的可靠性，作系统误码率的验证。用单片机将DS2431写满128byte，然后读出来，将读回来的数据跟写进去的数据作对比统计读错的个数。将此操作循环1 000次发现并未出现1次错误。

4.2传输速度测试

为了验证数据传输的速度，分别测试了装订系统写入弹载模块的时间和弹载模块从EPPROM的读取数据时间。实验时执行完一次操作后设置其中一个I/O口电平反转，将此操作置于死循环内，然后用示波器探测I/O口，可得到方波，该方波时间周期的一半就是所执行任务的时间。经过测试，装订系统写入EEPROM 8 byte或写满128 byte时与弹载模块读取EEPROM 8 byte和128 byte。I/O输出的波形如图6所示，测试结果如表1所示。

图6　传输速度测试

表　1时间测试图

从表1可以看出从运用单总线从装订系统写入8 byte需要22 ms，而弹载模块EEPROM读取8 byte所需时间为10 ms，写满EEPROM内存也只需要260 ms，而读出整块内存只要90 ms，符合设计要求。

5　结论

针对常规弹药制导化改造中导航系统初始参数射前装订难题，提出了一种利用单总线通信存储技术的射前初始参数装订方案。在弹载系统未上电情况下，装订系统发送初始姿态信息，利用单总线存储芯片存储装订模块发送的数据，炮弹发射后读取存储芯片数据，进行后续的姿态解算。装订系统反复做读出、写入操作未出现过一次数据错误，表明该系统传输数据时可靠的;测试该系统写入和读出8 byte数据分别只需22 ms和10 ms，表明传输速率较快。通过实验表明装订系统具有结构简单、体积小、通讯可靠、通讯速率高的优点，为弹药射前参数装订提供了一种可靠的解决方案，在常规弹药的智能化改造和智能引信中具有较好的工程应用前景。

参考文献:

［1］马宝华.网络技术时代的引信［J］.探测与控制学报，2006 (6):1－6.

［2］黄宇飞，吴江，秦旭.单片机单总线技术［J］.单片机与嵌入式系统应用，2001(1):22－25，47.

［3］高占凤，刘玉红，杜彦良.基于单总线技术的温湿度监测系统［J］.电子器件，2006(4):1135－1138.

［4］陈志英，李光辉.单总线(1-Wire Bus)技术及其应用［J］.国外电子元器件，2003(8):4－7.

［5］杨建红，房怀英.基于DSP单总线温湿度复合测量系统的设计与研究［J］.传感技术学报，2006(3):763－766.

［6］曲秀杰，李喆，李杰.电子时间引信装定技术研究［J］.探测与控制学报，2001(3):21－24.

［7］何家银.电子引信在现代战争中的作用与发展趋势［J］.战术导弹技术，1991(3):69－72.

［8］王龙奇，樊明辉，陈丽红.基于Linux设备模型的单总线接口的设计［J］.电子器件，2014(1):103－107.

杨国欢(1988－)男，汉族，广东省兴宁市人，现为中北大学在读硕士研究生，主要研究方向为地磁导航，ygh881130 @163.com;

张晓明(1976－)男，汉族，山西新绛人，硕士生导师，现在中北大学“仪器科学与动态测试”教育部重点实验室工作，目前的主要研究方向为动态测试及组合导航，zxm_auto@nuc.edu.cn。

Controllable Multi-Channel Signal Generator Based on DDS*

YU Yong，YAO Zhicheng*，YANG Jian，XI Jianxiang
(Department of Control Engineering，The Second Artillery Engineering University，Xi’an 710025，China)

Abstract:Accurate control parameters of phase，frequency and scope are needed in multi-signal synthesis，so a controllable multi-channel signal generator is designed and the highest frequency is up to 400 MHz based on the coordinate function of AD9910 and the controllable clock signal of clock group.Measured results show that the generator possesses the capacity of generating controllable multi-signal，after the adjustment by using the oscillograph.This design establishes a foundation of multi-channel signal synthesizing.

Key words:signal generator; controllable multi-signal; DDS technology; AD9910

doi:EEACC:721010.3969/j.issn.1005－9490.2015.04.028

收稿日期:2014－09－19修改日期:2014－10－14

中图分类号:TJ760.6

文献标识码:A

文章编号:1005－9490(2015)04－0849－04

项目来源:国家自然科学基金项目(61004127)