基于RS-485总线的智能起爆系统设计

王静雅，李黎明，任 西，尹国福

（陕西应用物理化学研究所 应用物理化学国家级重点实验室，陕西 西安，710061）

可寻址集成式智能起爆系统（简称智能起爆系统）将起爆方式从中心式发火控制转变为集中控制分布式起爆，从根本上改变了起爆系统的结构，极大优化了起爆系统的性能[1]。智能起爆系统在战略导弹突防诱饵和多用途电子引信等点火引爆系统方面具有军事需求，可用于导弹、火箭弹的起爆与点火、末制导导弹姿态调整[2]。美国Ensign Bickford航天防务公司研发的“Wizord TM”起爆系统是智能起爆系统的一个典范，其融合了半导体桥技术、微型电子器件及数字通信技术，可实现武器系统的多点可寻址点火起爆[1-3]。

根据国内外智能点火起爆的发展现状，本文研制了一款基于RS-485总线的智能起爆系统，其具备可靠性好、通信效率高、抗干扰能力强、体积小及重量轻的特性，通过采用总线寻址技术，可安全可靠地实现多种模式起爆，并且具有状态自检、解除保险、精确延时控制等功能。

1 系统硬件设计

该起爆系统由一个总线控制器、一条多接头电缆和多个智能起爆器组成，如图1所示，所有起爆器通过电缆与总线控制器相连，以多路复用的方式共享同一信道[4-6]。

图1 智能起爆系统原理样机Fig.1 Photo of intelligent initiation system

1.1 总线控制器

总线控制器作为起爆系统中的唯一主设备，集中控制整个系统的动作。其接收来自制导与控制单元的指令，并控制该指令与能量到达指定的起爆器；同时接收起爆器的响应信息，并将该指令的执行结果上报给制导与控制单元。

1.2 智能起爆器

智能起爆器接收总线控制器的命令，执行相关的输出操作，并将执行结果反馈给总线控制器。采用微电子集成设计，如图2所示，将通信电路、控制电路、安保机构、发火电路及半导体桥芯片集成为一体，形成直径Ф≤20mm的智能火工品。

图2 智能起爆器硬件结构框图Fig.2 Structure diagram of intelligent initiator

每个起爆器都带有唯一可识别的地址编码，在指令信号识别过程中，起爆器只有接收到地址码吻合的指令信号，才会发生作用，其他杂散信号都会被信息识别模块拒绝。在总线控制器的指令控制下，通过快速总线寻址，智能起爆器可实现状态自检、解除保险、多模式发火、精确延时等操作。

1.3 传输电缆

传输电缆起着电能传输与信号传输的作用，为起爆器提供低电压、低电流及控制信号。采用5芯屏蔽双绞线电缆，包括2根电源线（1根操作能量线、1根自检或发火能量线）、2根差分信号通信线和1根地线。通信线路采用RS-485串行总线标准平衡传输差分信号，RS-485总线接口芯片选用带隔离、多负载驱动的增强型ADM2483，磁隔离可有效抑制各种噪声干扰，大大提高传输信噪比；1/8单位负载的输入阻抗可允许多达256个收发器接入总线；最高传输速率可达500kbps[7]。

2 系统软件设计

2.1 通信协议设计

为了保证总线控制器与起爆器之间数据传输的正确性，除了使用抗干扰能力强的RS-485总线，还要设计一个高效可靠的通信协议。

通信采用指令/响应式主从结构，总线控制器将含有地址字段的指令帧传送到总线上，地址吻合的起爆器执行指令，并将响应帧反馈给总线控制器；地址不吻合的起爆器因识别出该指令帧不是发给自己的，不会有任何动作。数据帧是单片机之间或单片机与PC机通信过程中传送信息的基本单元，分为指令帧和响应帧，包括地址字段、指令字段或响应字段、检错字段，如图3所示[1,8-10]。

图3 数据帧基本格式Fig.3 Basic format of data frame

地址字段：被寻访的起爆器地址，1个字节，0x00～0xEF作为0～254号起爆器唯一可识别的地址码，0xFF作为所有起爆器共用的广播地址。而在PC机与起爆器一对一的通信过程中，该字节固定为0xFF。指令字段：被寻访起爆器需完成的动作，1个或多个字节，共设定了7个指令，分别为状态检测、地址编码、单址充电、单址发火、系统自检、广播充电、广播发火；其中前4个属于单址命令，只有地址吻合的某个起爆器执行该指令；后3个属于广播指令，所有起爆器同时执行该指令。响应字段：被寻访起爆器反馈的执行结果，1个字节。检错字段：采用校验和的方法对传送的数据进行校验，1个字节，值为地址字段与指令或响应字段所有字节的二进制算术和。和校验差错控制编码，虽然只能检测出存在错码而无法纠正错码，但是对于单片机控制系统来说，程序处理简单、速度快，而且RS-485通信可靠，发生误码的概率很小，即使发生了只需重发一遍即可。

2.2 程序设计

智能起爆系统软件分为总线控制器软件和智能起爆器软件两部分。总线控制器和智能起爆器的主控芯片采用C8051Fxxx系列单片机，具有高模拟集成度、体积小、抗干扰能力好、低功耗、集成FLASH存储器等特点[10]。

2.2.1 总线控制器程序设计

C8051F340具有两个通用异步收发器：UART0和UART1，分别实现与制导、与控制单元和智能起爆器的通信。程序主要分为主函数、UART0中断接收函数、UART0查询发送函数、UART1中断接收函数、UART1查询发送函数。主函数流程如图4所示。

图4 总线控制器主函数流程图Fig.4 Flow chart of main function for bus controller

首先，UART0以中断方式接收来自制导与控制单元的指令信号，并判断指令是否有效，若指令无效，则向制导与控制单元发送错误代码55H，要求重发该指令，直到接收到正确指令；若指令有效，则按帧格式组装成标准指令帧，通过UART1下发给指定起爆器，对于自检指令或解除保险指令，还需闭合自检能量开关或发火能量开关，使自检能量或发火能量通过总线传送到起爆器。然后，UART1以中断方式接收起爆器反馈的响应帧，并将指令的执行结果通过UART0上传给制导与控制单元。

2.2.2 智能起爆器程序设计

起爆器程序主要分为主函数、指令帧接收函数、响应帧发送函数及指令执行函数，其中指令执行函数包括状态检测子函数、地址编码子函数、系统自检子函数、单址充电子函数、广播充电子函数、发火子函数。主函数流程如图5所示。

图5 智能起爆器主函数流程图Fig.5 Flow chart of main function for intelligent initiator

当指令帧传送到总线上，起爆器以中断方式接收并判断数据格式是否正确，若出现地址不匹配、无效命令或校验错误，则直接丢弃该帧。只有3个条件同时满足，该起爆器才会判定这是发给自己的正确指令帧，根据指令内容执行相应的操作：状态检测、地址编码、系统自检、单址充电、广播充电、单址发火、广播发火，并将执行结果以响应帧的形式反馈给总线控制器。

3 起爆系统功能测试

最小起爆测试系统包括上位机PC、总线控制器和2个智能起爆器，如图6所示。PC机用于模拟制导与控制单元向起爆系统输入指令信号，因为PC机不具备RS-485总线接口，所以必须通过RS-232/485转换器接入485总线网络。起爆器以磁隔离的方式接入总线网络。

图6 最小起爆测试系统框图Fig.6 Structure diagram of initiating test system

3.1 状态检测与地址编码

系统组装前，利用“微电子火工品自检及编码控制软件”[11]对每个起爆器进行状态检测，并为状态正常者写入一个可擦写的地址编码。状态检测与地址编码指令保证了接入系统的起爆器都是合格且具有身份标识符ID。如图7所示，该起爆器硬件电路正常，并被成功写入地址编码1。

图7 状态检测与地址编码结果Fig.7 Test result of state inspection and address coding

3.2 系统自检测试

总线控制器接收到来自制导与控制单元的自检信号，立即闭合自检能量开关，将自检能量通过总线传送到起爆器单元；同时将自检信号按帧格式组装成标准指令帧，广播下发给所有起爆器。每个起爆器识别广播地址与自检指令，快速检测充电电路、泄放电路及发火电路的工作状态，并将自检结果分时反馈给总线控制器。自检指令再次确认了系统上的起爆器都能正常工作。

2号起爆器5V自检电压测试波形如图8所示，在规定时间内，储能电容上的电压均能达到规定阈值，说明充电电路、泄放电路及发火电路正常。

图8 5V自检电压测试波形Fig.8 Test waveform of self-check voltage 5V

而且，总线控制器的液晶屏上显示出“2号起爆器自检正常”，如图9所示。自检的充电时间稍长，有利于安全性的提高。

图9 2号起爆器自检结果Fig.9 Test result of self-inspection

3.3 解除保险测试

总线控制器接收到来自制导与控制单元的解保信号，立即闭合发火能量开关，将发火能量通过总线传送到起爆器单元；同时将解保信号按帧格式组装成标准指令帧，转发给指定起爆器。若是单址充电指令，则地址吻合的起爆器识别ID与解保指令，然后闭合充电开关，储能电容迅速充电，待充电完成后，将充电结果反馈给总线控制器；若是广播充电指令，则每个起爆器识别广播地址与解保指令，并将充电结果分时反馈给总线控制器。解除保险指令保证了待发火的起爆器充上电，处于发火状态的准备。

2号起爆器27V发火电压测试波形如图10所示，经过约180ms储能电容上的电压达26.75V，说明充电成功。而且，总线控制器的液晶屏上显示出“2号起爆器充电成功”，如图11所示。

图11 2号起爆器解保结果Fig.11 Test result of arming

3.4 发火

总线控制器接收到来自制导与控制单元的发火信号，将发火信号按帧格式组装成标准指令帧，转发给指定起爆器。若是单址发火指令，则地址吻合的起爆器识别ID与发火指令，然后闭合发火开关，储能电容上的能量通过半导体桥换能元SCB起爆火工药剂；若是广播发火指令，则所有起爆器几乎在同一时间发火。为了提高系统的安全性，未能正常发火的起爆器闭合泄放开关，将电容存储的能量通过泄放电阻释放掉。

图12 单点与双点起爆测试Fig.12 Test result of single-point and two-point initiation

由图10可知，发火时间约为10μs。单点、双点起爆测试如图12所示，在单点起爆测试中，1号起爆器在规定参数范围内正常发火；在双点同步起爆测试中，1号和2号起爆器几乎在同一时间内发火，无瞎火现象。

4 结束语

基于RS-485总线的智能起爆系统是融合了微电子技术、通信技术、自控技术及火工技术而形成的结构微型化、换能信息化的分布式智能火工系统，使武器系统中所有火工品网络化，通过总线寻址，安全可靠地实现单点起爆、多点顺序起爆、多点同步起爆、延时起爆等多种起爆模式，最多可寻址255个起爆器。系统通信采用RS-485串行总线标准，严格按照通信协议规范，进行数据高效可靠的双向传输。经通信和功能测试，验证了该起爆系统数据传输准确无误且实时性强，能够稳定可靠地执行地址编码、状态自检、解除保险、寻址发火及精确延时等功能。但由于起爆系统的应用环境复杂多变，有很多不定的干扰源存在，故还需对该智能起爆系统进行电磁干扰测试，进一步提高系统可靠性。

[1]Craig J.Boucher and David B.Novotney.Performance evaluation of an addressable integrated ordnance system[R].AIAA 2001-3636,2001.

[2]David B.Novotney and Andrew Kochanek.Intelligent initiation systems for divert and attitude control applications[R].AIAA 2005-4502,2005.

[3]Ensign-Bickford Aerospace &Defense Company.Intelligent initiation systems[C]//2nd Annual Missiles &Rockets Symposium &Exhibition,2001.

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[6]李黎明.微电子火工品可寻址技术研究[C]//信息化弹药理论与实践学术会议.北京:军事谊文出版社,2007.

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[9]王静雅.基于RS485智能起爆系统总线协议设计[C]//智能火工品技术学术研讨会.四川 雅安:兵工学会火工烟火分会,2012.

[10]求是科技.单片机通信技术与工程实践[M].北京:人民邮电出版社,2005.

[11]刘书智.Visual C++串口通信与工程应用实践[M].北京:中国铁道出版社,2011.