黃豐保+安德宇

摘要：電源系統(tǒng)是空空導(dǎo)彈工作的動(dòng)力源。隨著導(dǎo)彈貫標(biāo)工作的開展，導(dǎo)彈電源系統(tǒng)承擔(dān)的控制功能越來(lái)越多，采用傳統(tǒng)的分立器件搭建模擬電路完成任務(wù)，產(chǎn)品的可靠性和工藝性都較差。PIC18系列微控制器（MCU）具有體積小、功能強(qiáng)和抗干擾能力好等優(yōu)點(diǎn)，且已被成功應(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)。本文將PIC18系列MCU應(yīng)用于空空導(dǎo)彈電源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了電源控制系統(tǒng)的數(shù)字化，以進(jìn)一步提高電源的可靠性和抗干擾能力。

關(guān)鍵詞：空空導(dǎo)彈；彈載電源；微控制器；PIC18

中圖分類號(hào)：TJ760；TN86文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1673-5048（2014）04-0023-04

0引言

隨著空空導(dǎo)彈的發(fā)展，電源系統(tǒng)承擔(dān)的功能越來(lái)越多，不僅僅限于為導(dǎo)彈轉(zhuǎn)接載機(jī)電源，為全彈提供各部件所需電源等功能，還要承擔(dān)相應(yīng)的電池電壓檢測(cè)、點(diǎn)火控制等功能[1]，因此，對(duì)電源系統(tǒng)所占空間、加工制作工藝和可靠性等都提出了更高的要求。單片機(jī)以體積小、功能強(qiáng)、發(fā)展技術(shù)成熟[2-3]等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于民用、航空航天等軍工領(lǐng)域。在設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)過(guò)程中，以提高可靠性和自檢深度為主，同時(shí)要求體積小、抗干擾能力強(qiáng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠的數(shù)字控制器，因此本文選擇PIC18LF4523微控制器芯片設(shè)計(jì)電源控制系統(tǒng)。

1系統(tǒng)總體方案

1.1PIC18LF4523芯片性能簡(jiǎn)介

PIC18LF4523功能強(qiáng)大、可靠性高、體積小巧，電源控制系統(tǒng)涉及到的主要指標(biāo)有：最多13路通道的12位A/D；主同步串行口模塊，支持3線SPI和I2CTM主/從模式；增強(qiáng)型USART模塊，支持RS-485/RS232和LIN1.2等通訊模式；4種晶振模式，頻率最高位25MHz。

本設(shè)計(jì)方案利用PIC18系列微控制器強(qiáng)大的功能及外設(shè)接口[4-6]，對(duì)電源系統(tǒng)的控制電路進(jìn)行數(shù)字化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電池電壓檢測(cè)、電池點(diǎn)火控制以及發(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)為：以數(shù)字電路為主，模擬電路為輔，以PIC18LF4523為電源系統(tǒng)控制電路的核心處理器，與飛行控制組件之間的數(shù)據(jù)交換采用RS485數(shù)據(jù)交換方式；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，干擾強(qiáng)的特點(diǎn)，采用光耦進(jìn)行隔離變換；芯片供電采用+5V電源（硬件設(shè)計(jì)時(shí)，將電路中的固態(tài)繼電器也選擇使用+5V控制關(guān)斷的產(chǎn)品，便于統(tǒng)一供電），無(wú)需再進(jìn)行電源轉(zhuǎn)換；通過(guò)芯片內(nèi)部自帶的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）采集所需電壓，實(shí)現(xiàn)電壓采集、比較和電路自檢功能；芯片的I/O口可直接驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器，對(duì)于電磁繼電器使用晶體管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)信號(hào)的隔離放大，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火控制等功能；通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的ICSP接口與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和程序燒寫及調(diào)試。電源數(shù)字控制部分的工作原理如圖1所示。

2電路詳細(xì)設(shè)計(jì)

2.1電源系統(tǒng)與飛控間的數(shù)據(jù)傳輸

芯片PIC18LF4523擁有增強(qiáng)型的USART通訊模塊，可配置為全雙工異步（RS422）或半雙工同步（RS485）通訊模式。在全雙工異步模式下，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)比特率檢測(cè)和校準(zhǔn)、接收到字符時(shí)自動(dòng)喚醒和12位間隔字符發(fā)送等功能。

電路設(shè)計(jì)選擇MAX3160實(shí)現(xiàn)PIC18LF4523與飛控之間的通訊轉(zhuǎn)接。MAX3160是一種可編程的多協(xié)議收發(fā)器，支持RS232/RS485/RS422等多種傳輸方式，技術(shù)成熟，系統(tǒng)傳輸速率最大可達(dá)10Mbps。電源系統(tǒng)與飛控之間采用RS422全雙工異步串口通訊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)傳輸采用平衡驅(qū)動(dòng)和差分接收的方法，有效消除噪聲和干擾。將MAX3160的第11引腳RS485/232接高電平，選定RS485或RS422模式，再將第12引腳HALF/FULL接低電平，選定RS422全雙工模式，MAX3160通過(guò)SCIRXD和SCITXD與PIC18LF4523進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，具體電路如圖2所示。

2.2點(diǎn)火約束模擬信號(hào)處理

載機(jī)除向電源系統(tǒng)供電外，還與電源系統(tǒng)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(lái)自載機(jī)的點(diǎn)火約束模擬信號(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。載機(jī)與電源之間的數(shù)據(jù)傳輸，容易受到機(jī)載信號(hào)的串?dāng)_，因此對(duì)載機(jī)發(fā)送的信號(hào)，控制器需要在軟件上對(duì)接收到的信號(hào)寬度進(jìn)行判斷，以剔除噪聲。具體電路如圖3所示。

2.3數(shù)據(jù)采集與供電系統(tǒng)

電源控制系統(tǒng)需要完成對(duì)兩路電池電壓（B1和B2）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。PIC18LF4523的模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC為12位精度，包含5個(gè)寄存器，可通過(guò)軟件選擇器件的正負(fù)電源電壓（VDD和VSS）或VREF+和VREF引腳上的電壓作為A/D轉(zhuǎn)換的模擬參考電壓。

設(shè)計(jì)方案使用芯片外部提供的+5V電源，經(jīng)濾波后既作為芯片的供電電源，也作為輸入接在芯片RA3/AN3/VREF+引腳（22引腳），同時(shí)在軟件上將該引腳的輸入設(shè)置為ADC的模擬電壓參考電源。

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PIC18LF4523擁有一個(gè)13通道輸入的12位逐次逼近型ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器），與A/D轉(zhuǎn)換器相關(guān)的每個(gè)端口引腳都可以被配置為模擬輸入或數(shù)字I/O。單端電壓輸入以0V（GND）為基準(zhǔn)，為降低采樣誤差，AD采樣的端口在軟件里設(shè)置為高阻抗?fàn)顟B(tài)，關(guān)閉上拉電阻。選擇模擬輸入通道后，必須對(duì)通道進(jìn)行采樣才能啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，采集時(shí)間須大于最小采集時(shí)間。

電池電壓檢測(cè)工作原理是：ADC對(duì)引腳19，20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)，芯片輸出電壓正常信號(hào)BTOK（41引腳），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點(diǎn)火控制

多路火工品的點(diǎn)火是電源組件最重要的控制功能電路，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)其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，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，每個(gè)繼電器的控制都需要多個(gè)控制信號(hào)都有效才能打開。軟件設(shè)計(jì)上增加看門狗程序，防止程序跑飛出現(xiàn)故障。

控制器接收來(lái)自飛控的指令后，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，輸出的控制信號(hào)可直接通過(guò)芯片的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，本電路選用固態(tài)繼電器最大驅(qū)動(dòng)電流為16mA，而電磁繼電器需要的驅(qū)動(dòng)電流最小為50mA，且電磁繼電器在吸合、斷開瞬間會(huì)產(chǎn)生干擾，因此，控制器和電磁繼電器之間需通過(guò)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PIC18LF4523任一I/O口的最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到25mA，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，使芯片端口輸入或輸出容易受到干擾，同時(shí)，PIC18LF4523所有端口的輸出電流總和不能超過(guò)200mA，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，將芯片總的輸出電流控制在總驅(qū)動(dòng)電流的50%以內(nèi)，保留控制器的可用功耗，以使其在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)保持穩(wěn)定狀態(tài)。

火工品點(diǎn)火電路的工作原理是：控制器對(duì)來(lái)自載機(jī)的指令進(jìn)行濾波處理，同時(shí)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集比較，經(jīng)組合邏輯判斷后，通過(guò)I/O口輸出兩路可直接驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器的信號(hào)（低電平有效）和一路控制電磁繼電器的信號(hào)（O_F1）。在電路中對(duì)控制電磁繼電器的信號(hào)與其他邏輯信號(hào)（I_K1，I_KF1）進(jìn)行邏輯組合，驅(qū)動(dòng)放大后接入電磁繼電器的控制級(jí)（OF1C，OF1D兩路）。驅(qū)動(dòng)電磁繼電器的電路原理如圖5所示。

軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)置火工品點(diǎn)火信號(hào)輸出條件為載機(jī)發(fā)送模擬指令、飛控點(diǎn)火指令和點(diǎn)火供電電源均滿足要求時(shí)，才會(huì)輸出相應(yīng)驅(qū)動(dòng)繼電器工作的信號(hào)。如果沒有載機(jī)發(fā)送模擬指令，即使單片機(jī)出錯(cuò)也不會(huì)誤點(diǎn)火。電路設(shè)計(jì)時(shí)，保持控制器發(fā)送的點(diǎn)火信號(hào)來(lái)自芯片的同一個(gè)端口（RC0～3），且有效電平不同。在設(shè)計(jì)時(shí)，固定PORTC專用于火工品點(diǎn)火控制輸出，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)造成誤點(diǎn)火。

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。

2.5自檢功能實(shí)現(xiàn)

電源系統(tǒng)的熱電池是一次性使用的火工品，無(wú)法反復(fù)測(cè)試，只能在地面或空中有限的試驗(yàn)中考核，因此對(duì)電路可靠性要求極高。本方案對(duì)差分信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)的電路增加了軟件自檢功能；將控制點(diǎn)火信號(hào)輸出的電磁繼電器的常閉點(diǎn)接地，防止誤激活，同時(shí)對(duì)繼電器工作狀態(tài)也增加了軟件監(jiān)測(cè)，以進(jìn)一步提高電路整體可靠性和故障診斷能力。

隔離驅(qū)動(dòng)電路的自檢工作原理如下：自檢時(shí)，將DHZJ端用PIC18LF4523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(shuō)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)，以免影響正常指令的輸入，自檢電路如圖6所示。

2.6供電及時(shí)鐘設(shè)計(jì)

電源控制系統(tǒng)的供電采用PIC18LF4523手冊(cè)中的經(jīng)典設(shè)計(jì)；芯片的時(shí)鐘電路采用外接晶振的方法提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，外接電容為20μF，在繪制印制板時(shí)，盡量將電容的接地連線縮短，并且采用獨(dú)立的連接線連接到電源地的輸出端，保證時(shí)鐘不受干擾，控制器供電及時(shí)鐘電路如圖7所示。

2.7單片機(jī)的軟件設(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(guò)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(wú)效即無(wú)控制輸出，繼電器無(wú)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，如火工品點(diǎn)火控制指令，用程序絕對(duì)定位語(yǔ)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(yǔ)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單片機(jī)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。

PIC18LF4523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(guò)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，而且能有效提高電源組件的整體可靠性和設(shè)計(jì)的靈活性[7]，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(lái)彈上電源系統(tǒng)的一個(gè)主要發(fā)展方向。

2.4點(diǎn)火控制

多路火工品的點(diǎn)火是電源組件最重要的控制功能電路，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)其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，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，每個(gè)繼電器的控制都需要多個(gè)控制信號(hào)都有效才能打開。軟件設(shè)計(jì)上增加看門狗程序，防止程序跑飛出現(xiàn)故障。

控制器接收來(lái)自飛控的指令后，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，輸出的控制信號(hào)可直接通過(guò)芯片的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，本電路選用固態(tài)繼電器最大驅(qū)動(dòng)電流為16mA，而電磁繼電器需要的驅(qū)動(dòng)電流最小為50mA，且電磁繼電器在吸合、斷開瞬間會(huì)產(chǎn)生干擾，因此，控制器和電磁繼電器之間需通過(guò)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PIC18LF4523任一I/O口的最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到25mA，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，使芯片端口輸入或輸出容易受到干擾，同時(shí)，PIC18LF4523所有端口的輸出電流總和不能超過(guò)200mA，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，將芯片總的輸出電流控制在總驅(qū)動(dòng)電流的50%以內(nèi)，保留控制器的可用功耗，以使其在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)保持穩(wěn)定狀態(tài)。

火工品點(diǎn)火電路的工作原理是：控制器對(duì)來(lái)自載機(jī)的指令進(jìn)行濾波處理，同時(shí)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集比較，經(jīng)組合邏輯判斷后，通過(guò)I/O口輸出兩路可直接驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器的信號(hào)（低電平有效）和一路控制電磁繼電器的信號(hào)（O_F1）。在電路中對(duì)控制電磁繼電器的信號(hào)與其他邏輯信號(hào)（I_K1，I_KF1）進(jìn)行邏輯組合，驅(qū)動(dòng)放大后接入電磁繼電器的控制級(jí)（OF1C，OF1D兩路）。驅(qū)動(dòng)電磁繼電器的電路原理如圖5所示。

軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)置火工品點(diǎn)火信號(hào)輸出條件為載機(jī)發(fā)送模擬指令、飛控點(diǎn)火指令和點(diǎn)火供電電源均滿足要求時(shí)，才會(huì)輸出相應(yīng)驅(qū)動(dòng)繼電器工作的信號(hào)。如果沒有載機(jī)發(fā)送模擬指令，即使單片機(jī)出錯(cuò)也不會(huì)誤點(diǎn)火。電路設(shè)計(jì)時(shí)，保持控制器發(fā)送的點(diǎn)火信號(hào)來(lái)自芯片的同一個(gè)端口（RC0～3），且有效電平不同。在設(shè)計(jì)時(shí)，固定PORTC專用于火工品點(diǎn)火控制輸出，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)造成誤點(diǎn)火。

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。

2.5自檢功能實(shí)現(xiàn)

電源系統(tǒng)的熱電池是一次性使用的火工品，無(wú)法反復(fù)測(cè)試，只能在地面或空中有限的試驗(yàn)中考核，因此對(duì)電路可靠性要求極高。本方案對(duì)差分信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)的電路增加了軟件自檢功能；將控制點(diǎn)火信號(hào)輸出的電磁繼電器的常閉點(diǎn)接地，防止誤激活，同時(shí)對(duì)繼電器工作狀態(tài)也增加了軟件監(jiān)測(cè)，以進(jìn)一步提高電路整體可靠性和故障診斷能力。

隔離驅(qū)動(dòng)電路的自檢工作原理如下：自檢時(shí)，將DHZJ端用PIC18LF4523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(shuō)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)，以免影響正常指令的輸入，自檢電路如圖6所示。

2.6供電及時(shí)鐘設(shè)計(jì)

電源控制系統(tǒng)的供電采用PIC18LF4523手冊(cè)中的經(jīng)典設(shè)計(jì)；芯片的時(shí)鐘電路采用外接晶振的方法提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，外接電容為20μF，在繪制印制板時(shí)，盡量將電容的接地連線縮短，并且采用獨(dú)立的連接線連接到電源地的輸出端，保證時(shí)鐘不受干擾，控制器供電及時(shí)鐘電路如圖7所示。

2.7單片機(jī)的軟件設(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(guò)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(wú)效即無(wú)控制輸出，繼電器無(wú)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，如火工品點(diǎn)火控制指令，用程序絕對(duì)定位語(yǔ)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(yǔ)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單片機(jī)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。

PIC18LF4523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(guò)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，而且能有效提高電源組件的整體可靠性和設(shè)計(jì)的靈活性[7]，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(lái)彈上電源系統(tǒng)的一個(gè)主要發(fā)展方向。

2.4點(diǎn)火控制

多路火工品的點(diǎn)火是電源組件最重要的控制功能電路，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)其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，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，每個(gè)繼電器的控制都需要多個(gè)控制信號(hào)都有效才能打開。軟件設(shè)計(jì)上增加看門狗程序，防止程序跑飛出現(xiàn)故障。

控制器接收來(lái)自飛控的指令后，經(jīng)過(guò)運(yùn)算處理，輸出的控制信號(hào)可直接通過(guò)芯片的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，本電路選用固態(tài)繼電器最大驅(qū)動(dòng)電流為16mA，而電磁繼電器需要的驅(qū)動(dòng)電流最小為50mA，且電磁繼電器在吸合、斷開瞬間會(huì)產(chǎn)生干擾，因此，控制器和電磁繼電器之間需通過(guò)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PIC18LF4523任一I/O口的最大驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到25mA，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，使芯片端口輸入或輸出容易受到干擾，同時(shí)，PIC18LF4523所有端口的輸出電流總和不能超過(guò)200mA，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，將芯片總的輸出電流控制在總驅(qū)動(dòng)電流的50%以內(nèi)，保留控制器的可用功耗，以使其在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)保持穩(wěn)定狀態(tài)。

火工品點(diǎn)火電路的工作原理是：控制器對(duì)來(lái)自載機(jī)的指令進(jìn)行濾波處理，同時(shí)對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集比較，經(jīng)組合邏輯判斷后，通過(guò)I/O口輸出兩路可直接驅(qū)動(dòng)固態(tài)繼電器的信號(hào)（低電平有效）和一路控制電磁繼電器的信號(hào)（O_F1）。在電路中對(duì)控制電磁繼電器的信號(hào)與其他邏輯信號(hào)（I_K1，I_KF1）進(jìn)行邏輯組合，驅(qū)動(dòng)放大后接入電磁繼電器的控制級(jí)（OF1C，OF1D兩路）。驅(qū)動(dòng)電磁繼電器的電路原理如圖5所示。

軟件設(shè)計(jì)中，設(shè)置火工品點(diǎn)火信號(hào)輸出條件為載機(jī)發(fā)送模擬指令、飛控點(diǎn)火指令和點(diǎn)火供電電源均滿足要求時(shí)，才會(huì)輸出相應(yīng)驅(qū)動(dòng)繼電器工作的信號(hào)。如果沒有載機(jī)發(fā)送模擬指令，即使單片機(jī)出錯(cuò)也不會(huì)誤點(diǎn)火。電路設(shè)計(jì)時(shí)，保持控制器發(fā)送的點(diǎn)火信號(hào)來(lái)自芯片的同一個(gè)端口（RC0～3），且有效電平不同。在設(shè)計(jì)時(shí)，固定PORTC專用于火工品點(diǎn)火控制輸出，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)造成誤點(diǎn)火。

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。

2.5自檢功能實(shí)現(xiàn)

電源系統(tǒng)的熱電池是一次性使用的火工品，無(wú)法反復(fù)測(cè)試，只能在地面或空中有限的試驗(yàn)中考核，因此對(duì)電路可靠性要求極高。本方案對(duì)差分信號(hào)經(jīng)過(guò)光耦進(jìn)行隔離驅(qū)動(dòng)的電路增加了軟件自檢功能；將控制點(diǎn)火信號(hào)輸出的電磁繼電器的常閉點(diǎn)接地，防止誤激活，同時(shí)對(duì)繼電器工作狀態(tài)也增加了軟件監(jiān)測(cè)，以進(jìn)一步提高電路整體可靠性和故障診斷能力。

隔離驅(qū)動(dòng)電路的自檢工作原理如下：自檢時(shí)，將DHZJ端用PIC18LF4523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(shuō)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)，以免影響正常指令的輸入，自檢電路如圖6所示。

2.6供電及時(shí)鐘設(shè)計(jì)

電源控制系統(tǒng)的供電采用PIC18LF4523手冊(cè)中的經(jīng)典設(shè)計(jì)；芯片的時(shí)鐘電路采用外接晶振的方法提供時(shí)鐘基準(zhǔn)，外接電容為20μF，在繪制印制板時(shí)，盡量將電容的接地連線縮短，并且采用獨(dú)立的連接線連接到電源地的輸出端，保證時(shí)鐘不受干擾，控制器供電及時(shí)鐘電路如圖7所示。

2.7單片機(jī)的軟件設(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(guò)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(wú)效即無(wú)控制輸出，繼電器無(wú)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，如火工品點(diǎn)火控制指令，用程序絕對(duì)定位語(yǔ)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(yǔ)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單片機(jī)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。

PIC18LF4523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(guò)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，而且能有效提高電源組件的整體可靠性和設(shè)計(jì)的靈活性[7]，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(lái)彈上電源系統(tǒng)的一個(gè)主要發(fā)展方向。