駱海濤，鄭小燕，唐 強，鄭 松，孟會玲

（1.西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065；2.西安外事學(xué)院，陜西 西安 710077）

0 引言

當前武器已向多用途、通用化、智能化和高精度的方向發(fā)展，以實現(xiàn)武器彈藥的最大效能和對目標的最佳毀傷。因此，掌握彈的飛行環(huán)境信息和動態(tài)特性規(guī)律對于武器的研制至關(guān)重要［1］。彈載存儲測試是以動態(tài)測試技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合當前較先進和可靠的技術(shù)研制的隨彈飛行撞擊和侵徹目標，測試和記錄整個飛行過程參數(shù)，回收后讀取數(shù)據(jù)的測試裝置［2］。傳統(tǒng)遙測在飛行彈道末端受到地面、多徑傳輸?shù)母蓴_，遙測通信容易出現(xiàn)中斷的問題［3］。傳統(tǒng)的基于FPGA或51單片機與SRAM或FIFO實現(xiàn)的數(shù)據(jù)記錄儀存在復(fù)雜度高、體積過大等特點［4－6］，在高速碰目標或著陸過程的高沖擊過載環(huán)境使用中，存在實際測試回收成功率較低的問題。針對此問題，本文提出基于高檔精簡指令集（RISC）單片機與閃存實現(xiàn)彈上記錄儀。

1 彈載存儲測試現(xiàn)狀

彈載存儲技術(shù)作為遙測技術(shù)的一個重要分支，是一種獲取飛行環(huán)境和動態(tài)特性參數(shù)的有效方法。它是將整個存儲裝置安裝在可回收的固件內(nèi)，實時記錄飛行的環(huán)境信息和著陸的動態(tài)特性參數(shù)，回收測試裝置后通過計算機接口回放數(shù)據(jù)。這一技術(shù)以微計算機技術(shù)為基礎(chǔ)，同時還具備以下的技術(shù)：彈上電源技術(shù)；可靠的抗干擾技術(shù)；電子器件二次封裝技術(shù)；加固與緩沖技術(shù)；結(jié)構(gòu)設(shè)計與裝配工藝技術(shù)。

傳統(tǒng)的彈載存儲硬件主要由以下幾個部分組成：信號調(diào)理及A／D轉(zhuǎn)換器、CPU（51單片機或FPGA）、FIFO或SDRAM、存儲器、電源和讀數(shù)接口，其原理框圖如圖1所示。這是相當流行的一種方案，CPU普遍采用傳統(tǒng)的51單片機或高集成度的FPGA。但存在著明顯的缺點：51單片機和FPGA都引入了SDRAM或FIFO芯片作為緩存，增加了電路的復(fù)雜性，增大了工作電流，擴展了測試裝置體積。工程經(jīng)驗表明：復(fù)雜度過高、體積過大、操作笨拙的彈載存儲裝置在高沖擊的彈載存儲環(huán)境中具有潛在的高風險特性。

圖1 傳統(tǒng)的彈載存儲硬件框圖Fig.1 The traditional missile data reorder hardware block diagram

1.1 51單片機及基于RISC的高檔AVR單片機簡介

精簡指令集計算機RISC（Reduced Instruction Set Computer）是一種設(shè)計思想，其目標是設(shè)計出一套能在高時鐘頻率下單周期執(zhí)行，簡單而有效的指令集。RISC的設(shè)計重點在于降低由硬件執(zhí)行的指令的復(fù)雜度，這是因為軟件比硬件容易提供更大的靈活性和更高的智能，因此，RISC設(shè)計對編譯器有更高的要求；傳統(tǒng)51單片機采用了復(fù)雜指令集的計算機CISC（Complex Instruction Set Computer），其馮.諾依曼結(jié)構(gòu)限制了單片機工作速度的提高，CPU與其內(nèi)部FLASH存儲器不能并行工作，以致執(zhí)行一條指令至少需要一個機器周期，并且只有一個累加器A，造成累加器A與SRAM間數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i，其指令變得更復(fù)雜。

高檔AVR（AdVanced RISC）單片機是一款性能更加完善、使用更加方便和功能更加強大的新型單片機。其關(guān)鍵技術(shù)在于采用了流水線操作和等長指令的體系結(jié)構(gòu)，這種MCU對SRAM和FLASH存儲器分別進行尋址的哈佛（HarVard）結(jié)構(gòu)極大地提高了MCU工作速度，而且片內(nèi)還集成了32個通用工作寄存器，每個工作寄存器都可以在指令執(zhí)行前存放一個操作數(shù)和指令執(zhí)行后存放操作結(jié)果（相當于51單片機的累加器A），這就有效地避免了CISC結(jié)構(gòu)中累加器A與SRAM存儲器間實際存在的數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠款i。

2 基于高檔AVR單片機與閃存的彈上記錄儀

2.1 主要的硬件構(gòu)成

針對遙測PCM碼流的特點，本文以ATMEL公司的高檔單片機ATMEGA128為核心架構(gòu)的通用化彈上記錄儀的原理框圖如圖2所示。

圖2 基于AVR單片機高速彈上記錄儀硬件框圖Fig.2 Based on AVR microcontroller missile data reorder hardware block diagram

彈上記錄儀主要由AVR單片機ATMEGA128、串并轉(zhuǎn)換接口、存儲器模塊和電源組成?；诟邫nAVR單片機與閃存實現(xiàn)彈上記錄儀與傳統(tǒng)的彈載存儲裝置相比有兩點最大的區(qū)別：一是在擯棄繁雜的緩存外設(shè)之后卻額外地增加一個備份存儲器，并且安裝時存儲器1垂直于存儲器2，這樣的布局有利于提高著陸過程中隨機碰撞后裝置核心器件的生存概率；二是把彈載存儲裝置的檢測和讀數(shù)功能由繁化簡地留給地面控制平臺和PC機來控制ATMEGA128的操作及事后數(shù)據(jù)的讀取。

設(shè)計采用的ATMEGA128是一種高性能的微控制器：內(nèi)含128KB的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、4KB的EEPROM、4KB的SRAM、53個通用I／O口線、其內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的通用工作寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元（ALU）相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種哈佛結(jié)構(gòu)（指令流水線）大大地提高了代碼效率，與傳統(tǒng)的微控制器相比高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率；豐富的中斷源極大地方便了對外設(shè)的快速配置；6種可以通過軟件選擇的省電模式，簡捷地實現(xiàn)了低功耗。縱觀上述功能都是傳統(tǒng)51單片機和FPGA無法比擬的。

串并轉(zhuǎn)換接口采用了TOSHIBA公司的高速COMS的8位并行輸出的串行移位寄存器和計數(shù)器組成，配合單片機完成遙測碼流的串并轉(zhuǎn)換。SAMSUNG公司64MB的NAND FLASH用于遙測數(shù)據(jù)的存儲。

2.2 軟件

傳統(tǒng)的彈載存儲裝置由于采用了復(fù)雜的硬件構(gòu)成，造成裝置的功耗較大，導(dǎo)致大量檢測工作必須在發(fā)射陣地現(xiàn)場完成，啟動方式依靠發(fā)射過載開關(guān)或預(yù)先采集判斷。這樣不僅增加了技術(shù)工程人員的危險性，而且現(xiàn)場環(huán)境不可抗拒的突發(fā)因素也不能排除，額外增加了彈載存儲裝置能否成功記錄數(shù)據(jù)的風險。

通過遠距離的RS422控制總線由地面控制平臺實現(xiàn)彈上記錄儀的所有功能。設(shè)置了多級的指令模式，分為4種指令和6種工作狀態(tài)。6種工作狀態(tài)分別是上電初始化狀態(tài)、數(shù)據(jù)讀取狀態(tài)、準備好狀態(tài)、數(shù)據(jù)存儲狀態(tài)、數(shù)據(jù)擦除狀態(tài)和中斷狀態(tài)，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。

開始時，彈上記錄儀上電復(fù)位后立即進行閃存的初始化，并將初始化的信息反饋給地面控制平臺。設(shè)置的四種指令分別是數(shù)據(jù)讀取指令、準備好指令、數(shù)據(jù)存儲指令和數(shù)據(jù)擦除指令，并且只有按照設(shè)定的指令操作程序執(zhí)行，裝置才能正常工作。為確保彈上記錄儀存儲啟動的可靠性，增加了對中斷有效的判斷門閥，防止意外中斷的發(fā)生。根據(jù)設(shè)計的需求，采取了以下措施提高系統(tǒng)的抗干擾能力：

1）對指令進行加密，長度達64位；

2）采用多級指令方式，防止誤操作觸發(fā)擦除或存儲程序運行；對信號進行多次判斷，只有真實信號才能可靠地啟動存儲程序；

3）利用軟件陷阱和軟件冗余技術(shù)。程序一旦“跳飛”進入非程序區(qū)，通過軟件陷阱即可轉(zhuǎn)向錯誤處理程序；

4）利用休眠抗干擾技術(shù)，在程序啟動前和結(jié)束后使系統(tǒng)進入休眠狀態(tài)，關(guān)閉所有I／O口和中斷源，保證了裝置一次正常存儲啟動后不易受到干擾。

3 彈上記錄儀在遙測中的應(yīng)用

彈上記錄儀可針對具體的遙測PCM碼流進行相應(yīng)的參數(shù)和軟件的靈活配置，而不需要進行硬件上的更改，，尺寸?。é?6×27mm），具有很強的適應(yīng)性，已先后成功地應(yīng)用于多次外場測試。裝置的各個模塊供電電壓均是3.3V，在采集、存儲時裝置的總電流小于25mA，在遙測PCM的碼流為1Mb／s時，裝置可以記錄時長可達512s，容量為512Mb。試驗時將彈上記錄儀和遙測艙對接，由地面控制平臺完成檢測后進入待機狀態(tài)，裝置一旦檢測到發(fā)控中心的指令，自動開始啟動存儲。回收彈上記錄儀后回放數(shù)據(jù)進行分析處理。試驗中，彈上記錄儀在1 200m／s速度下侵徹沙土、礫石深達12m，歷時7天挖出來后接口仍然不受破壞，在不用解剖的情況下正常工作讀取存儲器的數(shù)據(jù)。

在地面靜態(tài)聯(lián)試過程中的反復(fù)測試說明裝置具有可重復(fù)使用性。圖4是地面靜態(tài)聯(lián)試某型號內(nèi)壁溫度曲線，測試結(jié)果表明彈上記錄儀記錄的數(shù)據(jù)與理論值相符。圖5是遙測中斷時飛行內(nèi)壁溫度曲線，由于遙測接收過程中受到意外因素的影響，數(shù)據(jù)中出現(xiàn)了大量的中斷。圖6是飛行的彈上記錄儀記錄的內(nèi)壁溫度曲線，動態(tài)試驗記錄的數(shù)據(jù)真實反映了其內(nèi)部環(huán)境信息，為設(shè)計過程參考提供了可靠的技術(shù)支撐手段。

在多次靜態(tài)、動態(tài)試驗測試中的可靠工作充分說明了彈上記錄儀具備較強的抗干擾能力和高可靠性。動態(tài)試驗結(jié)果表明，基于AVR單片機彈載高速彈上記錄儀的性能滿足多種彈道環(huán)境參數(shù)測試的要求，具有較高的實用和推廣價值。

圖4 地面靜態(tài)聯(lián)試中彈內(nèi)壁溫度曲線Fig.4 Ground static testing a weapon wall temperature curve

圖5 遙測中斷時彈內(nèi)壁溫度曲線Fig.5 Telemetry was interrupted when a weapon wall temperature curve

圖6 彈上記錄儀記錄的彈內(nèi)壁溫度曲線Fig.6 Missile data reorder for recording a weapon wall temperature curve

4 結(jié)論

本文提出基于高檔AVR單片機與閃存實現(xiàn)彈上記錄儀，該裝置主要由單片機、閃存模塊和地面控制平臺構(gòu)成，存儲容量可編程最大為512MB；通過多級指令方式進行遠距離檢測，并采用了軟件抗干擾技術(shù)。測試表明：基于單片AVR單片機與閃存實現(xiàn)的彈上記錄儀能適應(yīng)惡劣的飛行環(huán)境和經(jīng)受高速（1 200m／s）著陸過程而不受損壞，彌補了傳統(tǒng)遙測在近地端遙測數(shù)據(jù)丟失的缺點。該裝置具有體積小、操作簡便、可靠性高和抗高沖擊過載的特點，可實現(xiàn)各種沖擊、振動環(huán)境下常規(guī)儀器無法實現(xiàn)的特殊現(xiàn)場測試，因此在兵器、航天及國民工業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域有著極為廣闊的應(yīng)用前景。

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