黃豐保，安德宇

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471099）

基于數(shù)字化設(shè)計(jì)的空空導(dǎo)彈電源系統(tǒng)

黃豐保，安德宇

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院 河南 洛陽 471099）

電源系統(tǒng)是空空導(dǎo)彈工作的動(dòng)力源。隨著導(dǎo)彈系統(tǒng)的發(fā)展，電源系統(tǒng)承擔(dān)的控制功能越來越多，在原有體積和空間不變甚至有所減小的情況下，采用傳統(tǒng)的分立器件搭建模擬電路完成任務(wù)，產(chǎn)品的可靠性和抗干擾能力都將不堪重負(fù)。單片機(jī)以其體積小、功能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)已被成功應(yīng)用到航空航天等軍工領(lǐng)域，其技術(shù)成熟度和可靠性已得到證實(shí)。本文擬采用成熟的單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)空空導(dǎo)彈電源控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的數(shù)字化控制，以進(jìn)一步提高電源的可靠性和抗干擾能力

電源；空空導(dǎo)彈；單片機(jī)；數(shù)字化

電源系統(tǒng)的主要功能是為導(dǎo)彈轉(zhuǎn)接載機(jī)電源，隨后為全彈提供各部件所需的電源，并完成相應(yīng)的電源檢測(cè)和點(diǎn)火控制等功能[1]。彈上電源數(shù)字化設(shè)計(jì)不僅可以減小電源組件的體積，提高產(chǎn)品可靠性和工藝性，也可大大加強(qiáng)全彈能源系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。由于單片機(jī)體積小、功能強(qiáng)，發(fā)展技術(shù)成熟[2]，因此用在電源控制系統(tǒng)較為合適。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)方案利用微控制器強(qiáng)大的功能及外設(shè)接口，對(duì)電源系統(tǒng)的控制電路進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)[3，5]，實(shí)現(xiàn)電池電壓檢測(cè)、電池激活控制以及發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制的數(shù)字化控制與自檢。

1.2 電路工作原理

該方案具體設(shè)計(jì)原理如下：采用經(jīng)典的Atmega32單片機(jī)作為控制電路的核心處理器，與飛行控制組件的通訊采用數(shù)字通訊方式；考慮到載機(jī)與電源之間的數(shù)據(jù)傳輸存在信號(hào)電平高，干擾較強(qiáng)的特點(diǎn)，所以采用光耦進(jìn)行濾波接收；供電采用電路中已有的+5 V電源（電路中的固態(tài)繼電器選擇使用+5 V電源的產(chǎn)品，便于統(tǒng)一供電），無需再進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換；通過單片機(jī)內(nèi)部自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采集所需電壓，實(shí)現(xiàn)電壓比較及電路自檢功能；單片機(jī)的I/O口可直接驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，對(duì)于電磁繼電器需增加光耦或晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離放大，實(shí)現(xiàn)電池激活、發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火等功能；通過標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口進(jìn)行PCB測(cè)試和片上調(diào)試。電源數(shù)字控制部分的工作原理如圖1所示。

圖1 電源數(shù)字控制系統(tǒng)工作原理框圖Fig.1 Principle of the digtal design power

2 電路的數(shù)字化實(shí)現(xiàn)

2.1 電源與飛行控制組件間的數(shù)據(jù)傳輸

電源系統(tǒng)與飛控之間采用異步串口通訊（UART）進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸采用RS-422通訊標(biāo)準(zhǔn)。電路選擇全雙工模式，采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收，可有效消除噪聲和干擾。

本方案選擇MAX3160EAP通訊芯片實(shí)現(xiàn)RS-422通訊功能。MAX3160EAP是一種可編程的多協(xié)議收發(fā)器，能支持RS232/RS485/RS422等多種傳輸方式，技術(shù)成熟。在接口電路中，芯片選擇全雙工模式，系統(tǒng)傳輸速率最大可達(dá)10 Mbps；通訊方式通過RS485 232腳接高電平設(shè)定，通過SCIRXD和SCITXD與ATmega32L進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，電路如圖2所示。

圖2 RS-422發(fā)送接收電路Fig.2 RS-422 receive and transmit circuit

2.2 載機(jī)模擬信號(hào)處理

電源除轉(zhuǎn)接載機(jī)電源外，還與載機(jī)之間存在數(shù)據(jù)交換。為避免載機(jī)對(duì)單片機(jī)的電氣影響，電源控制系統(tǒng)采用光耦器件接收來自載機(jī)的模擬控制信號(hào)，將高電壓的電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為與單片機(jī)兼容的低電平信號(hào)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與輸入信號(hào)的電氣隔離。在軟件上利用定時(shí)器對(duì)接收到的控制信號(hào)寬度進(jìn)行判斷，將小于指定寬度（如3 ms以內(nèi)）的信號(hào)作為干擾濾掉。具體電路如圖3所示。

圖3 載機(jī)模擬信號(hào)處理電路Fig.3 Voltage convert circuit for analog signal

2.3 數(shù)據(jù)采集與電壓檢測(cè)

ATmega32L的AD采樣范圍在0～Vref（參考電壓）之間，Vref可以采用單片機(jī)內(nèi)部自帶的2.54 V基準(zhǔn)源，也可以用外部參考源。由于內(nèi)部參考源有一定的偏差，需要校準(zhǔn)，因此本設(shè)計(jì)方案中使用單片機(jī)外部提供的+5 V電源，經(jīng)阻容電路低通濾波后作為AD的參考源。為避免數(shù)字部分供電與AD轉(zhuǎn)換部分供電電源AVCC之間的干擾，采用AVCC與Vref分別供電的模式。

單片機(jī)電源控制系統(tǒng)需要完成對(duì)熱電池電壓（電池電壓1和電池電壓2）是否正常供電的檢測(cè)，因此需要對(duì)電池電壓進(jìn)行采集。文章設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與單片機(jī)供電系統(tǒng)電路如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)采集電路Fig.4 Data collection circuit of singlechip

ATmega32L有一個(gè)10位的逐次逼近型ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），ADC與一個(gè)8通道的模擬多路復(fù)用器連接，能對(duì)來自端口A的8路單端輸入電壓進(jìn)行采樣。單端電壓輸入以0 V（GND）為基準(zhǔn)，為降低采樣誤差，AD采樣的端口A在軟件里設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，關(guān)閉上拉電阻，同時(shí)，A口的其他不用管腳也不驅(qū)動(dòng)負(fù)載。ADC還支持16路差分電壓輸入組合，兩路差分輸入有可編程增益級(jí)，可得到10倍增益（8位分辨率）和200倍增益（7位分辨率）。ADC包括一個(gè)采樣保持電路，以確保在轉(zhuǎn)換過程中輸入到ADC的電壓保持恒定。

電池電壓檢測(cè)工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)ADC對(duì)采集端口的電壓進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)化為內(nèi)部電壓，與程序設(shè)定的電壓值進(jìn)行比較，當(dāng)采集的電壓值大于程序設(shè)定的電壓值時(shí)，單片機(jī)輸出電壓正常信號(hào)，隨后采集端口保持采樣一定時(shí)間后關(guān)閉，以避免干擾。

2.4 單片機(jī)對(duì)繼電器的控制

多路火工品的點(diǎn)火是電源組件最重要的控制功能電路，影響到全彈任務(wù)是否完成，甚至載機(jī)的安全性，因此在設(shè)計(jì)過程中，對(duì)此處的功能電路做了冗余設(shè)計(jì)，以提高其工作可靠性，加強(qiáng)對(duì)軟件和硬件的篩選以保證電路工作的安全性。具體設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)可靠性不高的電磁繼電器和固態(tài)繼電器，采用相互搭配的設(shè)計(jì)方案，以提高可靠性和安全性，在軟件設(shè)計(jì)上增加看門狗程序，以防止程序跑飛造成安全性事故，具體電路設(shè)計(jì)如下。

單片機(jī)接收來自飛控的控制指令后，經(jīng)過運(yùn)算處理，輸出的控制信號(hào)可直接通過單片機(jī)的I/O口對(duì)固態(tài)繼電器進(jìn)行控制，但不能對(duì)電磁繼電器進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)。這是因?yàn)楣虘B(tài)繼電器所需的驅(qū)動(dòng)電流較小，通常小于20 mA，而電磁繼電器需要的驅(qū)動(dòng)電流一般都大于20 mA，且電磁繼電器在吸合、斷開瞬間會(huì)產(chǎn)生干擾，因此，單片機(jī)和電磁繼電器之間需通過光耦或晶體管等器件進(jìn)行隔離或驅(qū)動(dòng)信號(hào)放大。

盡管ATmega32L每個(gè)I/O口的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到20 mA，但是當(dāng)同時(shí)驅(qū)動(dòng)多個(gè)負(fù)載時(shí)，噪聲容限會(huì)變差，使單片機(jī)端口輸入或輸出容易受到干擾，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，將單片機(jī)總的輸出電流控制在總驅(qū)動(dòng)電流的50％以內(nèi)，保留單片機(jī)的可用功耗，以使單片機(jī)在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)保持穩(wěn)定狀態(tài)。

電池激活控制電路的工作原理是：?jiǎn)纹瑱C(jī)接收來自載機(jī)指令，通過I/O口直接驅(qū)動(dòng)兩路固態(tài)繼電器（OB2、OB3，低電平有效）。軟件中設(shè)置電池激活條件為：“TFYX”和“電池激活控制”指令均有效時(shí)，OB1、OB2、OB3才會(huì)輸出相應(yīng)驅(qū)動(dòng)繼電器工作的指令。如果沒有“電池激活控制”指令，即使單片機(jī)出錯(cuò)也不會(huì)誤點(diǎn)火。OB1、OB2、OB3來自單片機(jī)的一個(gè)端口（PORTC），且有效電平不同。在設(shè)計(jì)時(shí)，固定PORTC專用于電池激活控制輸出，可以避免單片機(jī)初始化時(shí)端口出現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)造成誤激活。繼電器控制電路如圖5所示。

圖5 單片機(jī)對(duì)繼電器的控制Fig.5 Singlechip's relay control circuit

從安全性、可靠性和工程實(shí)用經(jīng)驗(yàn)考察上述電路設(shè)計(jì)，證明該設(shè)計(jì)是有效可靠的，電路仿真結(jié)果也證明了電路的可靠性和安全性。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火也采用了該設(shè)計(jì)方案，在此不再贅述。

2.5 自檢功能

電源系統(tǒng)的熱電池是一次性使用的火工品，無法反復(fù)測(cè)試，因此對(duì)電路可靠性要求極高。本方案對(duì)載機(jī)發(fā)送的模擬指令及經(jīng)過光耦進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)的電路均增加了軟件自檢功能，以進(jìn)一步提高電路整體可靠性。

自檢電路的工作原理如下：自檢時(shí)，將DHZJ端用ATmega32的I/O口拉為低電平，檢測(cè)DHJC端是否有控制信號(hào)輸入。若有則說明輸入電路正常，否則電路故障。自檢完成后，I/O口將DHZJ端置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，以免影響電池激活指令信號(hào)的正常輸入。電池激活控制電路的具體電路如圖6所示。

圖6 電池激活控制的自檢電路Fig.6 Inspect circuir of battery activation control

2.6 單片機(jī)整體電路設(shè)計(jì)

電源控制系統(tǒng)的供電及時(shí)鐘設(shè)計(jì)采用單片機(jī)手冊(cè)中的經(jīng)典設(shè)計(jì)，整體電路如圖7所示。

圖7 ATmega32L單片機(jī)電路整體示意圖Fig.7 Full circuit of ATmega32L singlechip

2.7 軟件設(shè)計(jì)

彈上電源數(shù)字化設(shè)計(jì)方案涉及到的軟件程序不多，但需要在設(shè)計(jì)中充分考慮軟件的可靠性，通過以下設(shè)置，可有效提高軟件系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

1）上電自檢，對(duì)寄存器、RAM、堆棧、常用指令等進(jìn)行檢查及校驗(yàn)；

2）為防止SRAM內(nèi)的數(shù)據(jù)受干擾發(fā)生改變，造成軟件誤動(dòng)作，對(duì)關(guān)鍵變量采用冗余設(shè)計(jì)，對(duì)關(guān)鍵狀態(tài)采用多個(gè)變量記錄。變量分布在SRAM中的不同位置。并且在RAM設(shè)置若干標(biāo)志，發(fā)現(xiàn)RAM中數(shù)據(jù)異常后，立即復(fù)位；

3）關(guān)鍵輸出信號(hào)，采用多條指令控制，形成互鎖。如打開一個(gè)繼電器，需模擬電壓指令和差分指令同時(shí)有效，任何一個(gè)無效即無控制輸出，繼電器無法打開；

4）為避免程序指針PC受到干擾發(fā)生改變，導(dǎo)致程序跑飛時(shí)錯(cuò)誤輸出關(guān)鍵指令，對(duì)關(guān)鍵指令，如電池激活、點(diǎn)火控制等，用程序絕對(duì)定位語句將該段指令分配到Flash的一個(gè)指定區(qū)域，區(qū)域前面填充為NOP或者設(shè)計(jì)捕獲程序，使程序跑飛時(shí)不會(huì)跳到關(guān)鍵語句上；

5）采用看門狗（watchdog），使程序跑飛時(shí)能夠重新復(fù)位；

6）對(duì)開關(guān)量，如飛控指令的輸入，應(yīng)當(dāng)進(jìn)行延時(shí)重復(fù)檢測(cè)，避免因出現(xiàn)干擾而誤判。

2.8 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路可靠性包括單片機(jī)的應(yīng)用設(shè)計(jì)和電路板抗干擾設(shè)計(jì)等。

ATmega32L和MAX3160EAP都是典型的內(nèi)置CMOS電路器件，具有功耗低、噪聲抑制能力優(yōu)良等特點(diǎn)。但CMOS電路也有比較明顯的缺陷：存在先天性寄生電路，在外界干擾的作用下，易形成閂鎖效應(yīng)，導(dǎo)致電路工作不正常甚至損壞。因此，在硬件上做以下防范：

1）重要的芯片管腳即使已內(nèi)置各種上拉、下拉保護(hù)電阻，仍需作合理處置；

2）對(duì)于控制電池激活或發(fā)動(dòng)機(jī)解保、點(diǎn)火功能的繼電器需進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，形成互鎖，以保障一只繼電器出現(xiàn)故障，在指令正確情況下，仍能正常打開輸出；

3）對(duì)重要的數(shù)據(jù)傳輸電路，如載機(jī)發(fā)送指令（包含模擬電壓信號(hào)和差分信號(hào)），設(shè)計(jì)光藕隔離變換及濾波電路；

4）設(shè)計(jì)印制板時(shí)，對(duì)流過大電流的回路走線加寬，或者大面積覆銅，提高散熱效果和抗電磁干擾能力。

3 結(jié) 論

彈上電源控制系統(tǒng)的數(shù)字化，不僅簡(jiǎn)化了電源組件電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，減小了控制系統(tǒng)體積，而且能夠有效提高電源組件的整體可靠性和設(shè)計(jì)的靈活性[6]，增強(qiáng)電源組件功能的擴(kuò)展能力和彈上能源系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，有利于全彈的數(shù)字化設(shè)計(jì)，將是未來彈上電源系統(tǒng)的一個(gè)主要發(fā)展方向。

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A digital design in enegery system of air-to-air missile

HUANG Feng-bao，AN De-yu
（China Aviation Missile Academy， Luoyang 471099，China ）

The electrical source is engergy system of the air-to-air missile，and have more work with the development of missile.Analog electrocircuit will complete task difficultly.The reliability and anti-jamming of the electrocircuit will be weakly for restricted capacity and analog component. Singlechip had been used abroad in aviation and spaceflight for small size and abundant function，for the reliability and maturity of Singlechip having been approved.In order to improve the reliability and anti-jamming of the electrical source，the papper applies Singlechip skill and implement digital control on power supply of the air-to-air missile.

electrical source；air-to-air missile；singlechip；digital

TN710

A

1674-6236（2014）11-0050-04

2014-03-11 稿件編號(hào)：201403129

國(guó)家航空基金資助（2013ZC12004）

黃豐保（1982—），男，河南鎮(zhèn)平人，碩士，工程師。研究方向：空空導(dǎo)彈電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)。