基于数字化设计的空空导弹电源系统

黄丰保，安德宇

（中国空空导弹研究院 河南 洛阳 471099）

基于数字化设计的空空导弹电源系统

黄丰保，安德宇

（中国空空导弹研究院 河南 洛阳 471099）

电源系统是空空导弹工作的动力源。随着导弹系统的发展，电源系统承担的控制功能越来越多，在原有体积和空间不变甚至有所减小的情况下，采用传统的分立器件搭建模拟电路完成任务，产品的可靠性和抗干扰能力都将不堪重负。单片机以其体积小、功能强等优点已被成功应用到航空航天等军工领域，其技术成熟度和可靠性已得到证实。本文拟采用成熟的单片机技术设计空空导弹电源控制系统，实现电源系统的数字化控制，以进一步提高电源的可靠性和抗干扰能力

电源；空空导弹；单片机；数字化

电源系统的主要功能是为导弹转接载机电源，随后为全弹提供各部件所需的电源，并完成相应的电源检测和点火控制等功能[1]。弹上电源数字化设计不仅可以减小电源组件的体积，提高产品可靠性和工艺性，也可大大加强全弹能源系统的工作稳定性。由于单片机体积小、功能强，发展技术成熟[2]，因此用在电源控制系统较为合适。

1 系统总体方案

1.1 设计思路

本设计方案利用微控制器强大的功能及外设接口，对电源系统的控制电路进行数字化设计[3，5]，实现电池电压检测、电池激活控制以及发动机点火控制的数字化控制与自检。

1.2 电路工作原理

该方案具体设计原理如下：采用经典的Atmega32单片机作为控制电路的核心处理器，与飞行控制组件的通讯采用数字通讯方式；考虑到载机与电源之间的数据传输存在信号电平高，干扰较强的特点，所以采用光耦进行滤波接收；供电采用电路中已有的+5 V电源（电路中的固态继电器选择使用+5 V电源的产品，便于统一供电），无需再进行电源转换；通过单片机内部自带的模数转换器（ADC）采集所需电压，实现电压比较及电路自检功能；单片机的I/O口可直接驱动固态继电器，对于电磁继电器需增加光耦或晶体管进行驱动信号的隔离放大，实现电池激活、发动机点火等功能；通过标准的JTAG接口进行PCB测试和片上调试。电源数字控制部分的工作原理如图1所示。

图1 电源数字控制系统工作原理框图Fig.1 Principle of the digtal design power

2 电路的数字化实现

2.1 电源与飞行控制组件间的数据传输

电源系统与飞控之间采用异步串口通讯（UART）进行数据传输，数据传输采用RS-422通讯标准。电路选择全双工模式，采用平衡驱动和差分接收，可有效消除噪声和干扰。

本方案选择MAX3160EAP通讯芯片实现RS-422通讯功能。MAX3160EAP是一种可编程的多协议收发器，能支持RS232/RS485/RS422等多种传输方式，技术成熟。在接口电路中，芯片选择全双工模式，系统传输速率最大可达10 Mbps；通讯方式通过RS485 232脚接高电平设定，通过SCIRXD和SCITXD与ATmega32L进行数据传输，电路如图2所示。

图2 RS-422发送接收电路Fig.2 RS-422 receive and transmit circuit

2.2 载机模拟信号处理

电源除转接载机电源外，还与载机之间存在数据交换。为避免载机对单片机的电气影响，电源控制系统采用光耦器件接收来自载机的模拟控制信号，将高电压的电平信号转换为与单片机兼容的低电平信号，同时实现单片机与输入信号的电气隔离。在软件上利用定时器对接收到的控制信号宽度进行判断，将小于指定宽度（如3 ms以内）的信号作为干扰滤掉。具体电路如图3所示。

图3 载机模拟信号处理电路Fig.3 Voltage convert circuit for analog signal

2.3 数据采集与电压检测

ATmega32L的AD采样范围在0～Vref（参考电压）之间，Vref可以采用单片机内部自带的2.54 V基准源，也可以用外部参考源。由于内部参考源有一定的偏差，需要校准，因此本设计方案中使用单片机外部提供的+5 V电源，经阻容电路低通滤波后作为AD的参考源。为避免数字部分供电与AD转换部分供电电源AVCC之间的干扰，采用AVCC与Vref分别供电的模式。

单片机电源控制系统需要完成对热电池电压（电池电压1和电池电压2）是否正常供电的检测，因此需要对电池电压进行采集。文章设计电源系统数据采集与单片机供电系统电路如图4所示。

图4 数据采集电路Fig.4 Data collection circuit of singlechip

ATmega32L有一个10位的逐次逼近型ADC（模数转换器），ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口A的8路单端输入电压进行采样。单端电压输入以0 V（GND）为基准，为降低采样误差，AD采样的端口A在软件里设置为高阻抗状态，关闭上拉电阻，同时，A口的其他不用管脚也不驱动负载。ADC还支持16路差分电压输入组合，两路差分输入有可编程增益级，可得到10倍增益（8位分辨率）和200倍增益（7位分辨率）。ADC包括一个采样保持电路，以确保在转换过程中输入到ADC的电压保持恒定。

电池电压检测工作原理是：单片机ADC对采集端口的电压进行采集并转化为内部电压，与程序设定的电压值进行比较，当采集的电压值大于程序设定的电压值时，单片机输出电压正常信号，随后采集端口保持采样一定时间后关闭，以避免干扰。

2.4 单片机对继电器的控制

多路火工品的点火是电源组件最重要的控制功能电路，影响到全弹任务是否完成，甚至载机的安全性，因此在设计过程中，对此处的功能电路做了冗余设计，以提高其工作可靠性，加强对软件和硬件的筛选以保证电路工作的安全性。具体设计时，对可靠性不高的电磁继电器和固态继电器，采用相互搭配的设计方案，以提高可靠性和安全性，在软件设计上增加看门狗程序，以防止程序跑飞造成安全性事故，具体电路设计如下。

单片机接收来自飞控的控制指令后，经过运算处理，输出的控制信号可直接通过单片机的I/O口对固态继电器进行控制，但不能对电磁继电器进行直接驱动。这是因为固态继电器所需的驱动电流较小，通常小于20 mA，而电磁继电器需要的驱动电流一般都大于20 mA，且电磁继电器在吸合、断开瞬间会产生干扰，因此，单片机和电磁继电器之间需通过光耦或晶体管等器件进行隔离或驱动信号放大。

尽管ATmega32L每个I/O口的驱动电流可以达到20 mA，但是当同时驱动多个负载时，噪声容限会变差，使单片机端口输入或输出容易受到干扰，因此在设计时，将单片机总的输出电流控制在总驱动电流的50％以内，保留单片机的可用功耗，以使单片机在长时间工作时保持稳定状态。

电池激活控制电路的工作原理是：单片机接收来自载机指令，通过I/O口直接驱动两路固态继电器（OB2、OB3，低电平有效）。软件中设置电池激活条件为：“TFYX”和“电池激活控制”指令均有效时，OB1、OB2、OB3才会输出相应驱动继电器工作的指令。如果没有“电池激活控制”指令，即使单片机出错也不会误点火。OB1、OB2、OB3来自单片机的一个端口（PORTC），且有效电平不同。在设计时，固定PORTC专用于电池激活控制输出，可以避免单片机初始化时端口出现不稳定状态造成误激活。继电器控制电路如图5所示。

图5 单片机对继电器的控制Fig.5 Singlechip's relay control circuit

从安全性、可靠性和工程实用经验考察上述电路设计，证明该设计是有效可靠的，电路仿真结果也证明了电路的可靠性和安全性。因此，发动机点火也采用了该设计方案，在此不再赘述。

2.5 自检功能

电源系统的热电池是一次性使用的火工品，无法反复测试，因此对电路可靠性要求极高。本方案对载机发送的模拟指令及经过光耦进行隔离驱动的电路均增加了软件自检功能，以进一步提高电路整体可靠性。

自检电路的工作原理如下：自检时，将DHZJ端用ATmega32的I/O口拉为低电平，检测DHJC端是否有控制信号输入。若有则说明输入电路正常，否则电路故障。自检完成后，I/O口将DHZJ端置为高阻抗状态，以免影响电池激活指令信号的正常输入。电池激活控制电路的具体电路如图6所示。

图6 电池激活控制的自检电路Fig.6 Inspect circuir of battery activation control

2.6 单片机整体电路设计

电源控制系统的供电及时钟设计采用单片机手册中的经典设计，整体电路如图7所示。

图7 ATmega32L单片机电路整体示意图Fig.7 Full circuit of ATmega32L singlechip

2.7 软件设计

弹上电源数字化设计方案涉及到的软件程序不多，但需要在设计中充分考虑软件的可靠性，通过以下设置，可有效提高软件系统运行的稳定性。

1）上电自检，对寄存器、RAM、堆栈、常用指令等进行检查及校验；

2）为防止SRAM内的数据受干扰发生改变，造成软件误动作，对关键变量采用冗余设计，对关键状态采用多个变量记录。变量分布在SRAM中的不同位置。并且在RAM设置若干标志，发现RAM中数据异常后，立即复位；

3）关键输出信号，采用多条指令控制，形成互锁。如打开一个继电器，需模拟电压指令和差分指令同时有效，任何一个无效即无控制输出，继电器无法打开；

4）为避免程序指针PC受到干扰发生改变，导致程序跑飞时错误输出关键指令，对关键指令，如电池激活、点火控制等，用程序绝对定位语句将该段指令分配到Flash的一个指定区域，区域前面填充为NOP或者设计捕获程序，使程序跑飞时不会跳到关键语句上；

5）采用看门狗（watchdog），使程序跑飞时能够重新复位；

6）对开关量，如飞控指令的输入，应当进行延时重复检测，避免因出现干扰而误判。

2.8 硬件设计

硬件电路可靠性包括单片机的应用设计和电路板抗干扰设计等。

ATmega32L和MAX3160EAP都是典型的内置CMOS电路器件，具有功耗低、噪声抑制能力优良等特点。但CMOS电路也有比较明显的缺陷：存在先天性寄生电路，在外界干扰的作用下，易形成闩锁效应，导致电路工作不正常甚至损坏。因此，在硬件上做以下防范：

1）重要的芯片管脚即使已内置各种上拉、下拉保护电阻，仍需作合理处置；

2）对于控制电池激活或发动机解保、点火功能的继电器需进行冗余设计，形成互锁，以保障一只继电器出现故障，在指令正确情况下，仍能正常打开输出；

3）对重要的数据传输电路，如载机发送指令（包含模拟电压信号和差分信号），设计光藕隔离变换及滤波电路；

4）设计印制板时，对流过大电流的回路走线加宽，或者大面积覆铜，提高散热效果和抗电磁干扰能力。

3 结 论

弹上电源控制系统的数字化，不仅简化了电源组件电路设计的复杂度，减小了控制系统体积，而且能够有效提高电源组件的整体可靠性和设计的灵活性[6]，增强电源组件功能的扩展能力和弹上能源系统工作的稳定性，有利于全弹的数字化设计，将是未来弹上电源系统的一个主要发展方向。

[1] 梁晓庚，王伯荣，余志峰，等.空空导弹制导控制系统设计[M].北京：国防工业出版社，2006.

[2] 江海波，王卓然，耿德根.深入浅出AVR单片机—从Atmega 48/88/168开始[M].北京：中国电力出版社，2008.

[3] 陈伟杰，张虹.基于混合最优算法的高精度数控直流电源设计[J].电力电子，2008，2：29-32.

CHEN Wei-jie，ZHANG Hong.Design of the high precision digital DC current source based on combined optimal algorithm[J].Power Electronics，2008（2）：29-32

[4] 肖卫初，郭宝龙.基于Atmega16的高精度数控直流电压源的研制[J].电源技术，2012，136（10）：1542-1545.

XIAO Wei-chu，GUO Bao-long.Development of a high-precision and numerical-controlled direct current voltage source based on ATmega16 [J].Chinese Journal of Power Sources，2012，136（10）：1542-1545.

[5] 薛秀云，陈华宁，翟颂彬，等.基于ATMEGA16的开关电源设计与制作[J].电子设计工程，2011，19（10）：163-165.

XUE Xiu-yun，CHEN Hua-ning，ZHAI Song-bin et al.Switching power supply design and implement based on ATmega 16[J].Electronic Design Engineering，2011，19（10）：163-165.

[6] 张春晓，刘仕玮.导弹电源系统设计及发展趋势[J].电源技术，2010，134（7）：746-747.

ZHANG Chun-xiao，LIU Shi-wei.Designing and developing tendency of guided missile power source[J].Chinese Journal of Power Sources，2010，134（7）：746-747.

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 稿件编号：201403129

国家航空基金资助（2013ZC12004）

黄丰保（1982—），男，河南镇平人，硕士，工程师。研究方向：空空导弹电源系统设计。