电气控制组合嵌入式处理技术*

张自强，薛健，陈光信，刘芳，王艳辉，李硕

(1.北京航天新风机械设备有限责任公司，北京 100854；2.北京电子工程总体研究所，北京 100854)

电气控制组合嵌入式处理技术*

张自强1，薛健2，陈光信1，刘芳1，王艳辉1，李硕1

(1.北京航天新风机械设备有限责任公司，北京 100854；2.北京电子工程总体研究所，北京 100854)

传统导弹电气控制组合以模拟电路和分立器件为主，体积大，与地面传输电缆复杂，控制精度低。采用嵌入式处理技术，利用嵌入式系统体积小、软件固化的优点，通过电气控制组合与地面系统数字通讯，实现功能控制和信号采集。处理电路体积小，控制精度高，可靠性与集成度高，为后续型号电气控制产品的研制提供了参考和借鉴。

电气控制组合；嵌入式；数字通讯；控制精度；可靠性；导弹

0 引言

目前，世界主要国家导弹技术的发展已形成多代产品并存的局面，研制新型高可靠性、高集成度的导弹产品成为发展的主流[1]。电气控制组合是弹上电气系统的重要控制组件，在导弹设计中其作用有2部分：一是完成发射与飞行中必要的点火、空中转电等控制过程；二是对弹地通信与测量信号进行调理，使之满足测发控任务要求。因此，长期以来任务驱动为设计目的，以可靠性为第一要务，造成以模拟器件和分立器件为主要实现手段的局面[2]。

传统的电气控制组合处理电路采用模拟电路实现弹上负载的功能控制和信号检测。随着导弹武器系统的发展，在当前的以综合射频为先进航电技术带动下，导弹弹上设备的实现手段已从以往单一的任务驱动，逐渐向体系化和资源共享的技术走向上发展。采用传统模拟电路实现地面系统对弹上设备的控制和检测，具有控制精度低、弹上传输电缆复杂、可靠性和稳定性差等缺点；同时，对多个弹上设备进行同步控制和状态信号检测，以模拟器件和分立器件为主的电气控制组合体积、重量较大，研发成本较高[3]。

随着数字电子技术的发展，嵌入式处理器逐步应用在控制系统和组合装置中，其优点在于：控制参数修改便捷，通过编程控制算法能够实现复杂的控制功能，控制软件固化在嵌入式系统中，控制和采集精度高。同时，嵌入式控制系统可进行集成化、模块化设计，系统体积小[4]。将嵌入式系统应用到电气控制组合产品的设计中，一方面将弹上设备返回的模拟量检测信号转换成数字量[5]，通过与地面系统数字通信，送地面解码分析；另一方面将地面系统发出的数字控制命令经调理电路转换成模拟量输出，控制弹上设备各种电气功能的实现。采用嵌入式处理电路的电气控制组合相对于传统模拟电路而言，可以解决产品体积和重量大、控制和检测精度低、信号传输电缆复杂[6]、研发成本高等问题，具有小体积、软件固化、高可靠性和高集成度等优点[7-8]。由此可见，将嵌入式系统应用到电气控制组合研制中，存在诸多优点，是武器系统发展的趋势。

1 系统功能概述

将嵌入式处理技术用于电气控制组合的设计中，用数字量传输实现地面系统对弹上设备进行相关功能控制和状态信号检测。采用嵌入式处理方式，避免了传统分立器件和模拟器件为主的电气控制组合体积大、控制和检测精度低、信号传输电缆复杂等问题。同时，嵌入式处理技术使软件固化在数字芯片里，系统可靠性提高。嵌入式处理电路设计分硬件电路设计和嵌入式软件设计2部分。

2 硬件电路设计[9]

电气控制组合作为独立的弹上电气控制产品，实现导弹发射与飞行中的电气控制及弹上设备反馈信号采集，还实现设备二次电源与地面电源隔离转换、内部信号自检、与地面系统的通讯功能。系统原理框图如图1所示。

根据电气控制组合实现功能要求和输入、输出信号的特征，提出一种嵌入式弹上电气系统控制组件设计思路。本文将电路设计分模块化进行分析，主要有：模拟信号检测电路、状态信号检测电路、嵌入式控制处理电路、RS- 422通讯电路、二次电源转换电路。

图1 系统原理框图Fig.1 Block diagram of the system

2.1 模拟信号检测电路

电气控制组合需要检测的弹上设备模拟信号有：弹上设备供电电压信号、弹上电池开路电压信号，信号特征为一次电源供电输出的模拟量，幅值为27 V。模拟信号检测电路原理框图如图2所示。

弹上设备输入的信号由一次电源供电，电气控制组合先将输入信号按比例分压，采用隔离运算放大器实现一次电源与二次电源的隔离，信号在DSP(digital signal processing)内部AD(analog to digital)转换后经隔离通讯芯片与地面进行数据交换。隔离运算放大器内部原理框图如图3所示。

隔离运算放大器具有精度高、功耗低、共模性能好、体积小等特点，且通过片内变压器耦合，对浮地信号的输入和输出进行电气隔离，使其信号在输出端转换为共地信号[10]。运算放大器输入端为同向比例放大器，可实现输出电压的增益可调，输入和输出电压满足[11]：

(1)

式中：VSIG为隔离运放输入电压；VO为隔离运放输出电压；反馈电阻RF≥20 kΩ。通过调节电阻RF和RG的阻值来调整输出电压。

电气控制组合硬件电路内部嵌入式处理器具有AD转换模块，内置采样/保持电路[11]。n位AD转换的数字结果可以近似表示为

(2)

式中：VA_IN为ADC输入模拟电压值；VREFHI为ADC模拟参考电压高电平电压值；VREFLO为ADC模拟参考电压低电平电压值。

2.2 状态信号检测电路

电气控制组合检测弹上设备反馈的状态信号，信号特征为弹上设备光电耦合器输出开关量。状态信号检测电路框图如图4所示。

电气控制组合内将弹上设备光耦输出端集电极接二次电源电压+5 V，光耦输出端发射极与16位总线电平转换电路相连。电平转换电路采用+5 V和+3.3 V供电的双电源工作模式，将+5 V的TTL(transistor- transistor logic)电平信号转换为DSP的I/O端口电平信号，DSP处理器对信号进行存储和处理，再通过RS- 422转换芯片将测量数据送地面系统进行解码和分析。

图2 模拟信号检测电路框图Fig.2 Diagram of analogy signal detecting circuit

图3 隔离运算放大器应用及内部功能框图Fig.3 Schematic diagram of isolated operational amplifier

2.3 嵌入式控制处理电路

地面系统与电气控制组合采用RS- 422平衡通讯，电控内嵌入式控制系统实现AD转换，信号经调理后对弹上设备进行供/断电、空中转电、火工品点火等控制，对信号的控制精度和抗干扰能力具有较高的要求，嵌入式控制系统处理电路框图如图5所示。

嵌入式处理器DSP芯片输出低电平有效，由于DSP的IO口采用3.3 V电压供电，输出电压较低，易受干扰，导弹发射飞行试验中，弹上电磁环境复杂，采用嵌入式处理器直接控制负载继电器会引起负载误动作，为试验留下隐患。为解决嵌入式芯片直接驱动信号抗干扰能力弱的问题，采用平转换电路将I/O输出信号升压，使之可靠驱动负载光MOS继电器工作。光MOS继电器输入端光电二极管工作电流为8～12 mA，输出端MOS管单向电流0.5 A，可实现控制信号隔离保护，同时具有功耗低、驱动电流大的特点。

光MOS继电器输入端为发光二极管，阳极经限流电阻与+5 V二次电源电压连接，阴极与电平转换电路输出管脚相连；继电器输出端为MOS器件，MOS管的源极与一次电源相连，漏级接负载电路控制信号输入正，控制信号输入负与一次电源负连接。采用此方法，嵌入式处理器输出的控制信号驱动能力提高。

2.4 RS- 422通讯电路

地面系统与电气控制组合通过RS- 422总线进行通信，数据传输速率为115 200 bps，实现长距离、高速率数据通讯。地面系统通过计算机PCI插槽内RS- 422通讯板卡与控制组合进行数据交互，信息发送和接收数据包结构采用命令帧格式(a))和数据帧格式(b))，如图6所示。

DSP控制器SCI单元输出的TTL电平信号经隔离通讯芯片转换后传送给地面系统，实现信号的隔离通讯，电路原理如图7[12]所示。

图4 状态信号检测电路框图Fig.4 Diagram of operational signal detecting circuit

图5 嵌入式控制系统处理电路框图Fig.5 Diagram of embedded controlling circuit

图6 数据包结构Fig.6 Structure of data package

图7中，A为信号接收正，B为信号接收负，Y为信号发送正，Z为信号发送负。在接收信号正(A)与负(B)两端并联120 Ω匹配电阻，消除末端反射，提高数据传输的可靠性。

2.5 二次电源转换电路

选用DC/DC模块将地面一次电源+27 V转换为+15 V和+5 V 2路二次电源，同时实现二次电源与一次电源地线间的隔离。嵌入式处理器DSP内核电压为1.8 V，I/O电压为3.3 V。采用DSP电源芯片，实现+5 V电源转换输出+3.3 V和+1.8 V 2种直流电压。为保证DSP内核在电源未达到工作电压之前，不存在非受控状态，需要在内核电压+1.8 V到来之前对DSP进行复位。相关电源电路、复位电路原理如图8所示。

嵌入式处理器DSP2812上电次序是先外围I/O上电再内核上电，即3.3 V先上电，1.8 V后上电[13]。在I/O口3.3 V上电而内核1.8 V尚未上电的瞬间，I/O口处于不确定状态，会导致电气控制组合内部逻辑混乱。选用电源转换芯片，通过对DSP芯片的延时复位来解决这一问题。电源转换芯片2OUT管脚先输出3.3 V电源电压，此时1.8 V电压管脚1OUT和1RESET管脚为低电平，将1RESET管脚与DSP2812的复位管脚相连，DSP进行复位；200 ms后，1OUT有1.8 V电压输出，1RESET管脚输出电平置高，DSP内核上电，停止复位。DSP复位期间，所有管脚输出电平置低，3.3 V电源电压降到0.5 V，该电压值不能直接驱动负载端光-MOS继电器工作，因此DSP上电复位期间电气控制组合内控制继电器不会误动作。其中，0.1 μF电容C4，C5为去耦电容，100 μF钽电容Ct4，Ct5增加输出电压稳定性。250 kΩ电阻R5，R6为复位信号上拉电阻，当1OUT管脚有1.8V电压输出时，1RESET管脚复位信号由低电平变为高电平。

图7 RS- 422通讯电路原理图Fig.7 Schematic diagram of RS- 422 communicating circuit

图8 DSP电源电路、复位电路原理图Fig.8 Schematic diagram of power and reset circuit for DSP

3 软件模块设计

电气控制组合嵌入式软件存储在DSP内部FLASH中，DSP主频为100 MHz。软件实现功能：接收地面或运载器发出的数字量控制命令，输出相应控制信号；采集弹上设备反馈信号和组合的内部自检参数并通过422端口发送至地面[14-15]。

3.1 功能模块

电气控制组合上电或复位后自动加载程序，在完成软硬件初始化后进入等待命令状态，根据地面发送的命令执行操作，功能模块流程图如图9所示。3.2 定时中断模块

电气控制组合采集弹上设备输入的主要功能参数和内部特征参数，通过串口发送到地面系统进行分析处理，根据地面系统功能时序要求，软件上采用5 ms定时中断完成内部I/O口和AD的采样功能。定时中断模块流程如图10所示。

4 实验与验证

根据电气控制组合的输入输出关系，开发了半自动化测试设备，包括数字万用表、直流稳压电源、测试电缆、测控台及上位机，对电气控制组合的电性能参数进行测试。图11为随机振动筛选试验图。

图中，电气控制组合测试台模拟弹上设备不同功能输入、输出电压信号，直流稳压电源模拟地面一次电源为系统供电，上位机软件与电气控制组合通讯，向电气控制组合发送控制命令，接收电气控制组合传送的测量数据、进行解码处理并实时显示。

4.1 模拟信号检测电路

电气控制组合上电后，由测试台输入不同的弹上设备供电电压信号、弹上电池开路电压信号，上位机与控制组合RS- 422平衡通讯，将电控内采集到的数据以数字量的形式传送给上位机软件，输入信号由0 V变化到32 V，得到的数据曲线如图12所示。

图9 软件功能模块流程图Fig.9 Flow diagram of software functional module

图10 定时中断模块流程图Fig.10 Flow diagram of timer interruption module

图11 随机振动筛选试验图Fig.11 Test diagram of random vibration screening

图12 模拟信号检测电路数据曲线Fig.12 Analogy signal detection circuit data curve

由图12可以看出，经电气控制组合采集并处理后的数字信号与输入模拟电压信号呈线性关系，且线性度良好。弹上设备供电电压信号满足：

(3)

弹上电池开路电压信号满足：

(4)

式中：VIn为嵌入式处理器AD转换后数值。

实验结果表明，模拟信号检测电路可以对多发弹上设备返回信号进行隔离检测，检测精度为0.01 V，电气控制组合传送给上位机的数据真实有效，可靠地反映了输入信号的特征。

4.2 通讯可靠性测试

使用测试设备对电气控制组合的电性能进行测试，采用测控台模拟不同功能信号输入数据，通过Labview软件编写数据处理机显示界面。

通过对上位机软件采集到的数据进行分析，在20 m内无数据丢失、无误码数据；上位机软件发送控制命令，电气控制组合在10 ms内完成相应继电器动作，控制命令实时性良好。

5 结束语

本文采用RS- 422通讯，通过地面系统与电气控制组合数据交互，将弹上设备返回的模拟量检测信号转换成数字量，发送地面解码分析，测量数据具有较高的精度和可靠性；将地面发出的数字量控制信号经调理电路转换成模拟信号输出，产生弹上设备控制信号，具有较高的实时性和可靠性。将嵌入式技术应用到弹上电气控制组合的电路设计中，利用嵌入式系统体积小、软件固化的优点，减少了弹上信号传输电缆的数量，简化了系统接口，提高了系统的集成度和可靠性，具有很好的推广价值。

[1] 杨卫丽，张磊.国外巡航导弹发展初步分析[J].战术导弹技术，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] 谭伟.XXX电气控制盒的研制[D].成都：电子科技大学，2008. TAN Wei.Research on XXX Electric Control Box[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China，2008.

[3] 王凯让，苏东林.自动测试系统溯源性设计与应用[J].现代防御技术，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，胡昌华.嵌入式导弹测控系统的硬件抗干扰设计[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] 张大波.嵌入式系统原理、设计与应用[M].北京：机械工业出版社，2005. ZHANG Da- bo.Design and Application of Embedded System[M].Beijing：China Machine Press，2005.

[6] 夏文涛，邵云峰.弹上电气系统电缆网轻小型化的构想与设计[J].现代防御技术，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.嵌入式弹载计算机性能优化与实现[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] 宋志刚，张杰.弹载嵌入式系统设计技术[J].科学技术与工程，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，孙允高.隔离放大器在军用电子系统中的选择与应用[J].电子元器件应用，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] 宁改娣.DSP控制原理及应用[M].北京：机械工业出版社，2002：1-9. NING Gai- di.DSP Control Principle and Application[M].Beijing：China Machine Press，2002：1-9.

[14] 阎华，王民钢，王桂华.导弹模拟系统嵌入式电子组件的设计与实现[J].计算机测量与控制，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] 贾庆忠，刘永善，刘藻珍.弹载嵌入式系统软件可靠性设计[J].微计算机信息，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 基金项目：有 作者简介：张自强(1988-)，男，河北唐山人。工程师，硕士，主要从事航天电气系统理论研究与相关设计。

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