基于C8051F340的機載武器測控系統設計

摘要：為了實(shí)現對某型機栽武器測控的需求，利用C8051F340單片機和HS3282芯片設計了ARINC429總線(xiàn)和計算機RS-232總線(xiàn)的接口轉換電路，通過(guò)C語(yǔ)言設計了單片機固件程序，實(shí)現了串并數據的轉換與傳輸以及數據傳輸速率和字長(cháng)的設置。最后利用VB語(yǔ)言編寫(xiě)了PC端武器測控系統軟件，對串口數據進(jìn)行解碼和發(fā)送，實(shí)現了對武器系統的實(shí)時(shí)檢測和控制。實(shí)際應用表明，該系統具有測試結果實(shí)時(shí)準確、響應命令迅速無(wú)誤的特點(diǎn)，可滿(mǎn)足外場(chǎng)測試的需求。

現代戰機配備有空空導彈、空地導彈、制導炸彈、航空炮彈等多種武器系統，目前飛控系統與機載武器系統交換數據的總線(xiàn)主要有：ARI NC429總線(xiàn)、1553B總線(xiàn)、RS422總線(xiàn)等。ARINC429是專(zhuān)為航空電子系統通訊規定的航空工業(yè)標準;它是航空通訊設備最常用的數據接口之一，不僅應用于民用航空領(lǐng)域如空客A310/A320、A330/A340飛機，波音727、737、747、757和767飛機.也廣泛應用于機載武器系統，如“鷹擊-81”空艦導彈機載系統的232H機載雷達、ZJ-9指揮儀、210多普勒導航系統、HZX-5航向姿態(tài)系統、8415大氣數據系統和622自動(dòng)飛行控制系統均采用ARINC429總線(xiàn)連接。某型武器同樣采用ARINC429總線(xiàn)與飛控系統進(jìn)行通信，為了利用計算機模擬飛控系統對該武器進(jìn)行現場(chǎng)監測和控制，需要實(shí)現計算機與武器系統的ARINC429接口通信，傳統的方法是在計算機中擴展一個(gè)基于ISA或PCI總線(xiàn)的ARINC429卡，這種轉換卡往往價(jià)格昂貴，不同計算機采用總線(xiàn)結構不同也會(huì )降低ARINC429卡的通用性，轉換卡通信方式的配置也較為固定化，不利于自主編程，在沒(méi)有配備ARINC429卡的計算機上就無(wú)法實(shí)現對武器系統的測控。

為了解決上述問(wèn)題，使計算機能夠與武器系統進(jìn)行數據交換，文中利用C8051F340作為主控芯片，實(shí)現了RS232/ARINC429的接口轉換，上位機對接收到的轉換后的串口數據進(jìn)行解碼，能實(shí)時(shí)顯示武器系統狀態(tài)，上位機以串口形式發(fā)送操控命令給下位機，下位機接收命令后通過(guò)HS3282芯片轉換為ARINC429格式數據發(fā)送給武器系統，在獲得武器系統響應后將結果反饋給上位機。

1 總體設計

測控系統的結構圖如圖1所示，機載武器系統采用ARINC429總線(xiàn)，32位字長(cháng)通信，計算機采用RS232總線(xiàn)，為了建立武器系統與測控計算機之間的通信，測控計算機RS232串行數據經(jīng)電平轉換芯片轉換為T(mén)TL電平后與C8051F340單片機建立異步串口通信，單片機在接收到4個(gè)8位串口數據后，通過(guò)I/O口將串行數據轉換為2個(gè)16位并行數據，429轉換芯片HS3282內部為16位數據總線(xiàn);分兩次讀取單片機16個(gè)I/O口數據，構成32位ARINC429串行數據的低16位和高16位，由于HS3282FIFO中可存8個(gè)429數據字，因此單片機可連續接收32個(gè)8位串行數據，轉換為16個(gè)16位的并行數據給HS3282，HS3282將16個(gè)16位并行數據轉換為8個(gè)429數據字儲存到FIFO中，經(jīng)單片機控制，一次發(fā)送8個(gè)ARINC429串行數據作為一個(gè)通信幀。反之，HS3282可將32位的429數據轉換為2個(gè)16位并行數據，單片機分兩次讀取后，轉換為4個(gè)8位串行數據，經(jīng)電平轉換后傳輸給計算機。計算機端武器測控系統軟件，對串行數據進(jìn)行解碼后得到武器系統相應的狀態(tài)和反饋信息。

2 系統硬件設計

系統以C8051F340為控制核心，C8051F340單片機由美國Silicon Labs公司設計;指令速度可以高達48 MIPS，擁有40個(gè)I/O口，能夠滿(mǎn)足串并數據轉換的處理速度和控制引腳的數量要求。

HS3282芯片是intersil公司生產(chǎn)的CMOS ARINC總線(xiàn)接口電路，滿(mǎn)足ABINC429規范的要求。供電電壓+5 V，內部包含相互獨立工作的2個(gè)接收器和1個(gè)發(fā)送器。接收端可直接與429總線(xiàn)相連，發(fā)送端配合HS3182電平驅動(dòng)芯片轉換為429電平。由于篇幅所限，其相關(guān)控制和指示引腳參見(jiàn)相關(guān)手冊。

單片機與HS-3282的連接關(guān)系如圖2所示。

單片機與HS-3282均為5 V電壓供電。

由于C8051F410單片機P4的I/O口不可位尋址，為了便于編程和識別，單片機P2.0-P2.7引腳分別接HS-3282的BD0-BD7口，P3.0-P3.7引腳接BD8-BD15，用于傳輸和接收16位的并口數據。P0口專(zhuān)門(mén)連接HS-3282的控制和狀態(tài)指示引腳。C8051F410單片機異步串行通信口只能配置在P0.4和P0.5口，因此P0.4和P0.5用與串口通信，外接232電平轉換芯片。

HS3282除了與單片機相關(guān)引腳連接外，D429DI1(A)和429DI1(B)口用于連接武器系統的429總線(xiàn)，clk引腳用來(lái)外接有源晶振，根據芯片手冊要求，這里外接1 MHz的有源晶振。

HS3282輸出信號為T(mén)TL電平，為了將信號電壓抬升至符合ARINIC429總線(xiàn)要求的標準，通過(guò)專(zhuān)用的HS3182驅動(dòng)芯片與之配合。需外接+15 V和-15 V，本文采用了開(kāi)關(guān)電源供電，可滿(mǎn)足系統功耗要求。HS3282輸出的429差分信號經(jīng)HS3182驅動(dòng)后，通過(guò)引腳Aout和Bout與武器系統進(jìn)行429通信。

Ca和Cb根據429通信速率的高低外接不同的高精度電容。100 kB通信速率時(shí)為75 pF，低于14.5 kB通信速率時(shí)為300 pF。

單片機的串口使用TTL電平標準，它的邏輯1電平是5 V，邏輯0電平是0 V，而電腦串行口所使用的是RS232C的電平標準，它的邏輯1電平是-3～12 V，邏輯0電平是+3～+12 V。兩者的電平范圍相差很遠，連接時(shí)需要用到電平轉換電路。本文采用商用的MAX3232芯片組成電平轉換電路，如圖4所示。

MAX3232外接極性電容值均為0.1μF。MAX3232對兩路TTL電平進(jìn)行轉換，本文使用了其中一路。T1IN接單片機串口發(fā)送，R1OUT接單片機串口接收引腳。T1OUT接電腦串口接收引腳，R1IN接電腦串口發(fā)送引腳。

3 測控系統軟件設計

該測控系統的軟件分為單片機固件程序和上位機程序2部分。

單片機固件程序實(shí)現單片機和接口芯片寄存器初始化配置、數據格式轉換、接收和發(fā)送控制等功能。利用到了單片機的中斷系統、通用I/O口、定時(shí)器和串口UART0。固件程序目的在于實(shí)現串口數據與429數據的轉換、接收和發(fā)送，從而建立上位機程序與武器系統之間的通信。

上位機程序采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)，通過(guò)RS-232串口與單片機通信?？砂l(fā)送測控命令給武器系統，同時(shí)能實(shí)時(shí)反饋武器系統的工作狀態(tài)。

單片機固件程序，是測控系統軟件設計的核心。其主要功能是將上位機命令轉換為ARINC429格式數據，按照一定幀周期發(fā)送給武器系統，并能將武器系統反饋數據轉換為RS232串口數據發(fā)送至上位機，從而能夠實(shí)時(shí)監測武器系統工作狀態(tài)。

初始配置，用于初始化單片機和HS3282相關(guān)寄存器，對IO口進(jìn)行配置和定義。

根據硬件連接關(guān)系，為方便程序操作，對IO口做定義如下。

根據武器系統通信要求，配置ARINC429通信速率100 kb/s，32位有效數字，奇校驗，并關(guān)閉自測功能。根據芯片手冊說(shuō)明，程序設計如下

時(shí)鐘產(chǎn)生模塊由單片機定時(shí)器實(shí)現，單片機定時(shí)器配置為50 ms一次中斷，在中斷服務(wù)程序中一次性發(fā)送8個(gè)32位的429數據，構成一個(gè)數據幀，從而實(shí)現50 ms的幀速率。

串并轉換模塊，對4個(gè)8位串口數據和32位ARINC429數據進(jìn)行轉換。單片機在接收到4個(gè)8位串口數據后，依次排列，按照從低位到高位的順序，分兩次輸出到16個(gè)IO口，HS3282讀取并口數據并儲存在FIFO中，組成一個(gè)32位的ARINC429數據。429總線(xiàn)數據的接收采用中斷方式，當DR1口為低電平時(shí)，觸發(fā)外部中斷服務(wù)程序，程序分兩次對16個(gè)IO口進(jìn)行讀取后將數據儲存在一個(gè)8位數據數組中，當數組元素達到32個(gè)時(shí)，完成一次429幀周期的數據讀取，此時(shí)在外部中斷程序中以查詢(xún)發(fā)送的方式，將數據發(fā)送至上位機。

收發(fā)控制模塊對發(fā)送和接收數據以及命令數據的改變進(jìn)行合理時(shí)序安排，單片機未接收上位機命令時(shí)，以50 ms的幀周期，發(fā)送默認查詢(xún)命令給武器系統，當收到1個(gè)幀周期的反饋數據后，將32位格式的ARINC數據分割為4個(gè)8位數據，通過(guò)UART0發(fā)送至上位機。當收到上位機命令時(shí)，進(jìn)入串口中斷，對命令數據進(jìn)行解析后，改變相應的發(fā)送數據，以50 ms的幀周期發(fā)送操作命令給武器系統，得到系統操作反饋信息后通過(guò)串口發(fā)送至上位機。

串口通信模塊，可實(shí)時(shí)接收武器系統反饋數據。機載武器系統處理的數據對象，往往不是以單個(gè)數據為單位的，而是一組長(cháng)度固定的數據，其中每一個(gè)數據包含著(zhù)不同的地址信息和數據信息。這里我們稱(chēng)這組數據為一個(gè)數據幀，單片機在收完一個(gè)數據幀的數據后才將數據反饋給上位機;上位機通過(guò)串口發(fā)送相應操作命令給單片機，單片機通過(guò)串口接收中斷接受命令，改變發(fā)送的命令數據，從而對武器系統進(jìn)行相關(guān)操作。

ARINC429標準數據與HS3282數據對應位關(guān)系如圖6所示。

可以看出，ARINC429數據標號位與正常順序正好相反，要先發(fā)送高位后發(fā)送低位。ARINC429數據的高3位要后移至8-10位，發(fā)送和讀取相應32位的ARINC數據時(shí)，要對相應位的數據進(jìn)行移位和反轉操作。

單片機固件程序流程圖如圖7所示。

上位機程序，采用VB語(yǔ)言編寫(xiě)了人機交互界面，如圖8所示。利用MSComm控件，建立PC機與單片機之間的串口通信。

發(fā)送命令時(shí)，上位機通過(guò)串口一次性發(fā)送32個(gè)8位數據給單片機，單片機將數據組合為8個(gè)32位的ARINC429數據，構成一個(gè)數據幀，在定時(shí)器的中斷服務(wù)程序中，依次存入HS3282的FIFO中后，啟動(dòng)發(fā)送，可一次性發(fā)送8個(gè)429格式數據給武器系統。

接收武器系統反饋數據時(shí)，上位機程序通過(guò)檢測不同的標志位，可分離出8個(gè)不同的429數據。根據HS3282的2個(gè)高低16位數據與標準ARIN C429數據位對應關(guān)系，解析出相關(guān)武器系統工作信息，顯示在人機界面當中。

上位機串口配置程序如下：

則InStrRev (BytReceived;'A0')返回1，InStrRev (BytReceived;'A1')返回9，每4個(gè)8位字符構成一個(gè)32位的ARINC429數據。每組數據的后2個(gè)8位數據對應標準ARINC429數據的14到29位。程序通過(guò)對標志位數據搜索，確定數據位位置后，每組后2個(gè)數據位進(jìn)行位解析和數據組合，可獲得武器系統的相關(guān)信息。

4 實(shí)驗應用

該測控系統用于某型機載武器的外場(chǎng)測試;其測控內容涵蓋了機彈接口、部件性能、舵機系統等多個(gè)方面。測控主要界面如圖9所示。

進(jìn)行測試時(shí)，首先要給武器系統和單片機依次上電，單片機加電后自動(dòng)發(fā)送自檢命令給武器系統。系統正常后，測控界面相關(guān)指示燈變綠。若出現異常，則相應異常部分指示燈變紅。若自檢結果一切正常，則可設置模擬目標給武器系統，通過(guò)系統供氣，解鎖，以及引信解保，完成武器系統一個(gè)戰斗過(guò)程的完整測試。該測控系統也可對舵機發(fā)送相關(guān)控制指令，改變武器舵機的方位和俯仰角。舵機實(shí)時(shí)姿態(tài)信息，通過(guò)右側的方位角和俯仰角文本控件實(shí)時(shí)顯示。

本測控系統已應用于武器系統掛載前的外場(chǎng)測試，實(shí)踐表明該系統測試結果準確、穩定可靠，實(shí)現了系統的經(jīng)濟化、小型化，也提高了系統的通用性和便攜性。

5 結論

該測控系統采用C8051F340配合專(zhuān)用的接口轉換芯片HS3282建立計算機與武器系統之間的通信，利用VB語(yǔ)言編寫(xiě)了上位機測控系統軟件，以單片機為主控芯片，解決了RS232-與ARINC429接口的轉換問(wèn)題，實(shí)現了武器系統信息的實(shí)時(shí)反饋和上位機對武器系統的模擬操控。在多次外場(chǎng)測試中，順利實(shí)現了武器掛載前的檢測。實(shí)際應用表明該測控系統具有測試準確、穩定可靠、人機界面友好等特點(diǎn)，達到了設計要求。