文/崔曉宇 祁萬(wàn)龍 翟二寧 馬海峰 王俊森

1 引言

火炮控制設(shè)備的執(zhí)行輸入一般多為離散量，采用開(kāi)關(guān)或按鍵作為火炮執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制使能輸入或位置狀態(tài)反饋，各控制設(shè)備自行采樣，信息相互透明，不便于火炮武器系統(tǒng)健康管理。并且火炮武器在作戰(zhàn)使用時(shí)，為保證系統(tǒng)安全，機(jī)構(gòu)動(dòng)作之間存在安全聯(lián)鎖控制，在安全聯(lián)鎖條件不滿足的情況下機(jī)構(gòu)動(dòng)作禁止執(zhí)行，操作人員在操作開(kāi)關(guān)、按鍵的過(guò)程中往往因缺少反饋經(jīng)常遇到操作后執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)反應(yīng)的現(xiàn)象，增加了操作人員的使用難度，降低了火炮武器的作戰(zhàn)效能。為解決上述問(wèn)題，本文根據(jù)火炮武器常用的系統(tǒng)總線網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了一種基于CAN 總線的離散量接口顯控終端，通過(guò)集中采集和接收各控制設(shè)備通過(guò)CAN 總線發(fā)送的執(zhí)行機(jī)構(gòu)狀態(tài)信息，為操作人員提供信息顯示，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)共享操作信息資源，便于火炮武器故障分析以及健康管理。

2 總體架構(gòu)

終 端 以Samsung 公 司 的ARM 芯 片S3C2440 最小系統(tǒng)電路為硬件核心，用于數(shù)據(jù)處理、協(xié)議轉(zhuǎn)換、定時(shí)發(fā)送、顯示刷新等，外擴(kuò)了24 路離散量輸入接口電路，用于手動(dòng)開(kāi)關(guān)或按鍵等的信號(hào)采集；16 路離散量輸出接口電路，用于指示燈、繼電器等驅(qū)動(dòng)控制；2路CAN 總線接口電路，用于雙CAN 冗余或網(wǎng)絡(luò)橋接； 2 路RS485 接口電路，用于外部接口適配或接口轉(zhuǎn)換；1 路OLED 接口電路，用于信息提示及狀態(tài)監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)了對(duì)離散量的采集與驅(qū)動(dòng)輸出、CAN 總線通信、OLED 顯示等功能，終端總體架構(gòu)如圖1所示。

表1：CAN 接口性能測(cè)試結(jié)果匯總

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 S3C2440最小系統(tǒng)

S3C2440 最小系統(tǒng)選用TQ2440 核心處理板，該板集成了韓國(guó)SAMSUNG 公司出品的32bit ARM920T 控制芯片S3C244、Micron 公司的64M SDRAM 芯片MT48LC16M16A2P-75IT、Silicon 公 司 的8M NORFLASH 芯 片SST39VF6401B-70-4I-EKE 與SAMSUNG 公司的256M NAND FLASH 芯片K9F2G08UOCSIBO，工作頻率499M，最高頻率533MHz，具有3 路UART 接口，2 路USB 接口，2 路SPI 接口與130 路I/O 復(fù)用端口。

3.2 離散量輸入接口電路

因火炮供電體系為28V 直流，供電范圍為18 至36V，車(chē)體共地，且武器使用的環(huán)境惡略，電磁環(huán)境復(fù)雜，如僅憑傳統(tǒng)RC 濾波對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行干擾抑制，不能有效防止因功率設(shè)備運(yùn)行時(shí)對(duì)離散量信號(hào)參考電平造成擾動(dòng)，導(dǎo)致輸入幅度整體拉升，信號(hào)輸入邏輯判斷錯(cuò)誤的問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題，優(yōu)化設(shè)計(jì)了一種離散量輸入接口電路，如圖2所示。

圖1：終端總體架構(gòu)圖

該電路采用齊納二極管、電阻、電容、光電耦合器實(shí)現(xiàn)輸入信號(hào)的濾波、門(mén)限檢測(cè)、隔離等信號(hào)調(diào)理功能。齊納二極管設(shè)置了輸入門(mén)限，輸入門(mén)限為15V，只允許輸入電平高于15V 的離散量信號(hào)輸入，再通過(guò)電阻、電容組合濾波，抑制干擾，經(jīng)過(guò)光電耦合器對(duì)外部信號(hào)輸入端與ARM 采樣控制端進(jìn)行物理隔離。當(dāng)IN 輸入高電平時(shí)，光耦芯片導(dǎo)通，ARM 輸入引腳對(duì)地短接為低電平，IN 輸入低電平時(shí)，光耦芯片不導(dǎo)通，ARM 輸入引腳上拉為高電平 。

3.3 離散量輸出接口電路

圖2：離散量輸入接口電路

圖3：離散量輸出接口電路

圖4：CAN 總線接口電路

圖5：RS485 總線接口電路

顯控終端16 路離散量輸出接口主要用于指示燈、接觸器等驅(qū)動(dòng)控制，接口電路如圖3所示，采用AQY210KS 光耦繼電器，具備短路保護(hù)功能，電流連續(xù)輸出能力可達(dá)0.12A，接通最大時(shí)間可小于2ms，關(guān)斷最大時(shí)間可小于1ms。當(dāng)IN 端輸入3.3V 高電平時(shí)，光耦繼電器導(dǎo)通輸出24V。電路中通過(guò)在24V 驅(qū)動(dòng)電源輸入端串接自恢復(fù)保險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路的過(guò)流雙保護(hù)，保護(hù)后能自動(dòng)恢復(fù)，無(wú)需經(jīng)常更換。

3.4 CAN總線接口電路

CAN 總線接口電路實(shí)現(xiàn)原理如圖4所示。電路設(shè)計(jì)中采用Microchip 公司的MCP2515芯片作為CAN 總線控制器，該芯片可通過(guò)SPI 接口與ARM 處理器實(shí)現(xiàn)通信；通過(guò)ADM3053 芯片實(shí)現(xiàn)CAN 總線接口的驅(qū)動(dòng)隔離，進(jìn)行多路CAN 總線接口的擴(kuò)展。

MCP2515 芯片為獨(dú)立CAN 總線控制芯片，符合CAN 2.0B 總線 技術(shù)規(guī)范要求，帶有標(biāo)準(zhǔn)SPI 接口。該芯片能夠收發(fā)擴(kuò)展幀、標(biāo)準(zhǔn)幀以及遠(yuǎn)程幀，并帶有六個(gè)驗(yàn)收濾波寄存器和兩個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器，能過(guò)濾掉不需要的無(wú)用報(bào)文，減少處理器的開(kāi)銷(xiāo)。MCP2515 具有多種工作模式，通過(guò)監(jiān)聽(tīng)模式，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)CAN 總線網(wǎng)絡(luò)波特率的自動(dòng)檢測(cè)。

ADM3053 芯片是一種自帶隔離的CAN物理層收發(fā)器，滿足ISO 11898 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。該芯片應(yīng)用了‘iCoupler’磁耦隔離技術(shù)，并結(jié)合二通道隔離器、CAN 收發(fā)器和DC/DC 轉(zhuǎn)換器于單片SOIC 表貼封裝中，可有效減少板載面積；通過(guò)芯片內(nèi)部的DC/DC 轉(zhuǎn)換器能夠?yàn)樾酒陨硖峁└綦x電源，隔離電壓可達(dá)2.5KV。

3.5 RS485總線接口電路

RS485 總線接口電路如圖5所示，通過(guò)ARM 芯片的UART 接口外擴(kuò)ADI 公司的ADM2587 芯片實(shí)現(xiàn)。ADM2587 擁有高集成度數(shù)據(jù)收發(fā)功能，支持±15KV ESD 保護(hù)以及信號(hào)與電源隔離功能，集成了隔離DC/DC 轉(zhuǎn)換器，無(wú)需另外擴(kuò)展DC-DC 隔離模塊，即可實(shí)現(xiàn)485/422 信號(hào)與電源隔離功能。另外該芯片還具有開(kāi)路、短路故障保護(hù)功能，可有效防止外部故障導(dǎo)致的芯片損壞。

3.6 OLED接口電路

OLED 顯示屏選用的UG-2864ASYGG14模塊，內(nèi)部集成SSD1309 點(diǎn)陣驅(qū)動(dòng)控制芯片，可顯示128*64 的點(diǎn)陣圖形，顯控終端控制接口能通過(guò)ARM 芯片數(shù)據(jù)總線直接互聯(lián)，供電電壓為最大不超過(guò)15V，需要設(shè)計(jì)能為UG-2864ASYGG14 模塊供電的OLED 接口電路，OLED 供電接口電路實(shí)現(xiàn)原理如圖6所示。

圖中電源適配接口芯片選用TPS61040 開(kāi)關(guān)升壓轉(zhuǎn)換器，將輸入1.8V 至6V 的輸入電壓調(diào)節(jié)輸出為12.45V 電壓，通過(guò)外部電阻的匹配設(shè)置，輸出電壓最低可調(diào)為1.233V，最大可調(diào)為28V，輸出電壓依據(jù)計(jì)算

公式1：

當(dāng)R1 取910kΩ，R2 取100kΩ 時(shí)，芯片內(nèi)部參考電壓Vref=1.233V，計(jì)算可得輸出電壓為12.45V。

4 主程序軟件設(shè)計(jì)

主程序應(yīng)用軟件采用C 語(yǔ)言在ADS1.2 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境中編程設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)離散量接口信號(hào)輸入采集、輸出驅(qū)動(dòng)，CAN 總線接口與RS485 接口收發(fā)離散量狀態(tài)信號(hào)，對(duì)離散量信號(hào)的邏輯處理機(jī)狀態(tài)信息、提示信息顯示等功能。主程序軟件流程圖如圖7所示。

5 測(cè)試結(jié)果

顯控終端研制完畢，加電啟動(dòng)，OLED 顯示主界面如圖8所示，表明OLED 接口電路與驅(qū)動(dòng)軟件設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果，且通過(guò)對(duì)界面切換按鍵的離散量信號(hào)采集，能在主界面與次界面間切換顯示，實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)查詢。

為了驗(yàn)證CAN 總線接口與RS485 接口硬件電路與驅(qū)動(dòng)軟件的正確性，本設(shè)計(jì)采用ZLG CANTest 與串口調(diào)試助手對(duì)CAN 總線接口與RS485 接口的硬件設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)及協(xié)議轉(zhuǎn)化功能進(jìn)行了驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)100000 次的循環(huán)測(cè)試，數(shù)據(jù)傳輸正確，無(wú)丟包。通過(guò)使用YOKOGAWA 總線分析儀與CANStressDR 網(wǎng)絡(luò)干擾儀對(duì)CAN 接口的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，驗(yàn)證接口電路設(shè)計(jì)是否滿足《SEA J1939-11 Revised OCT1999 標(biāo)準(zhǔn)》的要求，測(cè)試用例以及合格性判據(jù)如表1所示，測(cè)試波形如圖9所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

基于CAN 總線的離散量接口顯控終端已成功應(yīng)用于某型車(chē)載火炮武器與履帶式自行火炮武器系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)離散量的采集與驅(qū)動(dòng)輸出、CAN 總線通信、OLED 顯示等功能，能夠?yàn)椴僮魅藛T提供操作提示信息，系統(tǒng)狀態(tài)信息等，便于火炮的日常維護(hù)、故障診斷，具有體積小、成本低、穩(wěn)定可靠、便于實(shí)現(xiàn)等特點(diǎn)。

圖6：OLED 供電接口電路

圖7：軟件流程圖

圖8：OLED 顯示主界面

圖9：CAN 總線接口試驗(yàn)波形