王 琦,杜力力,李永紅

(中北大學信息與通信工程學院,太原 030051)

0 引言

為適應信息化戰(zhàn)爭要求,常規(guī)彈藥的信息化、制導化已作為武器裝備信息化的重要組成部分,制導炮彈與常規(guī)炮彈的主要差別是彈丸上裝有制導系統(tǒng)和可供驅動的彈翼或尾舵等空氣動力裝置。文中是利用彈載數據記錄儀具有的體積微小、抗高沖擊過載能力、微小功耗、測試精度高等特點,實現了對于短程制導兵器研制中動態(tài)參數的實時測試記錄。

設計以DSP為主控單元,能夠實現20路模擬信號,10路 TT L信號及一路232信號的實時采樣,采樣頻率的選擇由硬件實現,可實現多種采樣頻率選擇。對模擬信號的采樣由DSP內部12位ADC完成,產生的數據將保存在FLASH存儲器中并在回收后由通信模塊發(fā)給上位機。由于采用了FLASH存儲器,因此無需備用電源。系統(tǒng)采用整體結構化設計,體積小、抗沖擊過載能力強。系統(tǒng)在要求的環(huán)境下均能準確記錄炮彈內的信號,為分析炮彈的飛行參數和故障的定位起到了重要作用。

1 系統(tǒng)整體結構

1.1 系統(tǒng)框圖設計

系統(tǒng)整體框圖如圖1所示。由圖1可知,整個系統(tǒng)主要由主控模塊、數據存儲模塊、采樣時序控制模塊、通信模塊組成。

圖1 系統(tǒng)整體框圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)在上電后將在主控模塊的控制下首先進行各功能模塊的配置,在各功能配置完成之后,將進入待觸發(fā)狀態(tài),整個采集過程將由觸發(fā)信號啟動。采集啟動后,各通道的模擬信號在模擬開關的控制下將以時序發(fā)生器要求的頻率經過信號調理后進入DSP內部ADC,經過AD轉換的數據將和 TT L信號以及232信號一同被儲存在數據存儲模塊中。數據在系統(tǒng)回收后經通信模塊發(fā)至PC機進行處理。

2 系統(tǒng)各模塊設計

2.1 主控邏輯模塊

控制邏輯由32位微處理器和接口部分組成,完成對信號采樣時序控制模塊、數據存儲模塊和通信模塊的控制。主控制器件由TI公司的帶12位ADC的32位微處理器DSP構成,32位的DSP整合了DSP和微控制器的最佳特性[1],可以很好的完成整個測試系統(tǒng)的各項要求。整個采集過程中,包含兩種中斷,即ADC中斷和串口接收中斷,數據的采集及編碼即是在DSP中斷中實現的。

系統(tǒng)時鐘的高低決定了記錄儀功耗的大小,因此在允許的情況下要盡可能的降低DSP主時鐘頻率。本設計中對系統(tǒng)時鐘要求最苛刻的地方就是對FLASH寫操作,因為FLASH的寫操作是以頁為單位,寫一頁的時間為ms數量級,在采用乒乓操作的情況下,經過反復實驗后,選定DSP主時鐘頻率為40M,這樣整個系統(tǒng)工作的最高功耗控制在140mA左右。

2.2 采樣時序控制模塊

系統(tǒng)采樣時序由DSP產生時序發(fā)生器的復位信號及20K的時鐘信號,時序發(fā)生器的輸出再控制模擬開關。由于ADC真正的轉換時間很短,因此20K時鐘信號占空比并不是1∶1,而是將轉換時間縮短,而留給模擬開關穩(wěn)定的時間很長,這樣可以最大限度的避免串擾的影響。如圖2所示,時序發(fā)生器在20K_DSP的上升沿啟動轉換,下降沿輸出變化。

圖2 采樣時序圖

根據設計要求,DSP的三個ADC通道作為一個采樣序列,每個通道的采樣頻率為20K。其中16路模擬信號通過模擬開關后進入DSP通道1,實際每路采樣率為20/16=1.25K;四路模擬信號通過模擬開關后進入DSP通道2,實際每路采樣率為20/4=5K;一路模擬信號直接進入DSP通道3,采樣率為20K,TT L信號在一個采樣序列結束時進行一次采樣,因此采樣率為20K。

2.3 FLASH存儲模塊

數據存儲模塊由存儲器芯片和處理器接口組成。存儲器芯片選擇FLASH存儲芯片,FLASH存儲器是非易失性的,掉電后數據不會丟失,具有功耗低、擦寫速度快、壽命長、體積小等優(yōu)點[2]。處理器通過接口部分完成對FLASH存儲器芯片的讀、寫等控制操作。

由于工藝等原因,FLASH芯片在出廠時就有可能存在無效塊,使用過程中也可能產生無效塊。如果對FLASH中的無效塊進行操作,FLASH反饋的狀態(tài)信息不穩(wěn)定,可能使軟件進入死循環(huán),更為重要的是無效塊會在數據記錄的過程中造成數據的丟失和誤碼,影響數據的有效性和完整性,進而影響整個測試系統(tǒng)的性能。因此必須在使用前對FLASH進行無效塊檢查,避免對無效塊的操作[3]。下面給出一種可以實現無效塊地址實時更新的方法。

本設計通過發(fā)送固定指令,讀取特定位置的壞塊信息,調用FLASH內部的BLOCK0存儲器區(qū)間存儲無效塊信息,規(guī)定BLOCK0中的數據即為無效塊的地址。在BLOCK0中建立無效塊地址列表,在數據采集過程中的讀、寫、擦過程中都需先將當前塊地址與無效快地址列表進行對比,如果當前塊為無效塊,選擇下一塊進行同樣操作,同時將此塊的塊地址寫入無效塊地址列表中,有效保證了無效塊列表的動態(tài)更新。

2.4 通信模塊

串行數據通信以其獨特的優(yōu)勢在當今工程應用中占有非常重要的地位,DSP提供了可方便與計算機或其他串行設備連接的異步通信口。由于232總線存在共地噪聲、傳輸距離短、傳輸速率低、抗干擾能力差等問題,因此通信模塊采用RS-485串行接口總線標準,實現記錄儀與PC機的全雙工通信。

RS-485收發(fā)器采用平衡發(fā)送和差分接收,即在發(fā)送端,驅動器將T TL電平信號轉換成差分信號輸出;在接收端,接收器將差分信號變成TTL電平,因此具有很強的抑制共模干擾的能力,而且接收器具有高的靈敏度,能檢測低達200mV的電壓,最大傳輸速率達到10Mb/s[3]。由于在收發(fā)軟件的設計中加入了握手機制,因此串口在大量讀數時不會出現丟數現象。

3 數據編碼及幀格式

由于數據記錄儀是對31路信號進行實時采集存儲,為了讀數后數據分析的方便,就要在存儲時對這31路數據進行編碼區(qū)分。數據編碼的主要作用是:將31路采集數據組合成一路經過編碼的數據幀,以方便存儲到FLASH存儲器。

幀格式:具體定義了存儲的每一幀的數據格式,也就是有效數據、幀計數寫入存儲模塊的具體順序。幀格式的定義方便了讀數后的數據分析以及錯誤幀檢查。

4 匹配試驗數據

圖3 彈體內部開關信號

由以上部分測試數據可以看出,系統(tǒng)準確地記錄了載體內的重要信號,性能穩(wěn)定,數據記錄準確、實時性較好,完全符合設計的要求。

5 結論

文中完整地介紹了某型制導武器彈載數據記錄儀的設計和研制,并且成功地運用于實際測試中。從樣機的運行結果來看,系統(tǒng)完整地記錄下了彈上的關鍵數據,完全達到了彈載數據記錄儀各項性能指標的要求,為日后制導兵器測試彈的研制打下了堅實的基礎。

[1]蘇奎峰,呂強,常天慶,等.TMS320X281XDSP原理及C程序開發(fā)[M].北京:北京航空航天大學出版社,2008.

[2]NAND Flash Applications Design Guide[Z].System Solutions from Toshiba America Electronic Components,Inc.Revision 1.0 April 2003.

[3]林穎,羅金炎,劉驕,等.基于RS485總線的PC機與多單片機系統(tǒng)的串行通信[J].機械與電子,2006(1):34-37.