一种起飞零时检控台的设计与实现_李相迎.pdf

试验与测试测控技术2023 年第 42 卷第 2 期收稿日期:2021 10 29引用格式:李相迎，唐福杰，雒建军，等 一种起飞零时检控台的设计与实现 J 测控技术，2023，42(2):55 61LI X Y，TANG F J，LUO J J，et al Design and Implementation of Launch Time Detection and Control Equipment J Measurement Control Technology，2023，42(2):55 61一种起飞零时检控台的设计与实现李相迎1，唐福杰1，雒建军1，赵向阳1，周晓凡2(1 中国人民解放军 63610 部队，新疆 库尔勒841000;2 巴州翱翔无人飞行器科技有限公司，新疆 库尔勒841000)摘要:针对目前航天发射场高密度、多点位并行开展发射任务的情况，为满足测发、测控系统需求，研制了一种基于 STM32 的起飞零时(T0 信号)检控设备。硬件以 STM32F407 作为微处理器，外围电路包括GPS/BD 接收、IIG-B(DC)码电平转换、起飞触点检测、触摸屏通信、网络传输等功能模块，基于嵌入式应用软件开发技术，实现了 T0 信号的 3 种触发方式(触点、手动和倒计时)以及 GPS/BD、IIG-B(DC)时间码的接收，产生的 T0 信号通过网络发送给中心计算机系统。测试结果表明，该设备人机交互性好，具有小型化、低成本、高可靠性等优点，对同类型产品的设计具有借鉴意义。关键词:航天发射;检控台;GPS;起飞零时;IIG-B 码中图分类号:TP23;V556文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)02 0055 07doi:10 19708/j ckjs 2022 02 220Design and Implementation of Launch Time Detection and Control EquipmentLI Xiang-ying1，TANG Fu-jie1，LUO Jian-jun1，ZHAO Xiang-yang1，ZHOU Xiao-fan2(1 Unit 63610 of the PLA，Korla 841000，China;2 Bazhou Aoxiang Pilot Technology Co，Ltd，Korla 841000，China)Abstract:Aiming at the current situation of high-density and multi-point parallel launch missions in the spacelaunch site，in order to meet the requirements of measurement and launch，measurement and control system，alaunch time(T0 signal)detection and control equipment based on STM32 is developed The hardware takesSTM32F407 as the microprocessor，and the peripheral circuit includes GPS/BD reception，IIG-B(DC)codelevel conversion，takeoff contact detection，touch screen communication and network transmission functionalmodules Based on embedded application software development technology，three trigger modes of T0 signal(touch point，manual and countdown)and the reception of GPS/BD and IIG-B(DC)time codes are real-ized，and the generated T0 signal is sent to the central computer system through the network The test resultsshow that the equipment has the advantages of good human-computer interaction，miniaturization，low cost andhigh reliability，which can be used as a reference for the design of similar productsKey words:aerospace launch;detection and control equipment;GPS;launch time;IIG-B code航天发射需要对飞行器进行准确的跟踪测量与控制1，要求地面各测量站之间、测量站内部各测控设备之间以及主控站与飞行器之间有一个统一的时间基准2，这个时间基准就是起飞零时(简称 T0 信号)。为了检测这一信号，需要 T0 信号检控台采集起飞时的脉冲信号，并将时间信息按一定格式发送给测控系统。T0 信号检控台是连接靶场发控系统、测控系统和通信系统的关键设备，它能提供阵地发控系统所需的牵动信号和触点信号的馈电电源，使之形成点火、起飞的脉冲信号，同时对触点脉冲信号进行检测，形成起飞时间信息后发送给中心计算机;中心计算机再向各测控站进行转发，以统一各测控设备对飞行器的跟踪和测量55基准。此外，T0 信号检控台还向调度系统提供起飞时刻的蜂音指挥信号。随着军民融合在航天发射领域的不断深入，各种发射任务逐步增加，高密度、多点位并行开展发射准备工作已成为常态。一方面，新研设备可以弥补现有 T0信号检控台在数量上的不足;另一方面，传统的 T0 信号检控设备大多由工控机或基于早期单片机(8031 或8051)研制的多块功能板卡集合而成，体积较大、价格较高、电路复杂、操作和维护不够灵活方便，通过新研的基于先进微控制器技术的 T0 信号检控台可以实现对现有设备的技术更新和产品换代。近年来，STM32 微控制器以其高性能、低成本、低功耗的特性被广泛应用于嵌入式产品设计3 5 中，所设计的产品集成度和可靠性高，易于开发，在各领域得到了广泛应用。通过对国内外现有文献进行查询发现，迄今为止有关基于 STM32 的 T0 信号检测的研究鲜有报道。文献 6 设计实现了基于工控机的起飞零时控制系统，该系统基于 PCI 接口电路，需要安装驱动程序和应用软件;文献 7针对采用激光测量导弹起飞零时的系统，提出了一种基于激光脉冲编码、相关检测的自适应门限控制方法，主要目的是解决强背景光干扰问题;文献 8实现了基于图像处理的起飞零时信号检测方法，该方法受观测距离限制，且图像检测给出的起飞时间存在一定误差。为此，本文以 STM32F407 开发板为平台开展基于STM32 的 T0 信号检控台设计，其优点是可以简化开发过程，缩短开发周期。通过对目标系统进行功能分解，首先利用 Keil 编程环境搭建主程序框架，以开发板的示例程序为参考完成部分软件功能的调试;其次，在选定的外围功能模块的基础上实现与 STM32 微控制器的互联互通测试，采用边调试边完善的方法，把系统功能集成在一块电路板上，实现一种小型化、低成本、易操作的起飞信号检控设备。1功能与架构起飞零时检测设备由 STM32 微控制器及其外围电路实现，其架构如图 1 所示，主要功能包括:2 路触点输入触发信号，每一路可单独设置常开/常闭触发方式。1 路手动触发方式，可手动按键触发 T0，供系统联调使用。1 路倒计时触发输入，设置倒计时时间，触发T0 后进入正计时。输入选择功能，可选择使用 GPS/BD 或 BDC码作为时钟源，具备自动守时功能。T0 信号输出，采用 UDP 协议，J45 网口输出。参数设置与信息显示，通过触摸屏与设备面板实现。图 1设备架构图设备工作时，通过外部提供的 B 码(DC 码)和GPS/BD 时间信号，任选一路作为时间源，当系统捕获到起飞触点(或倒计时、手动触发)信号时，信息处理模块将时间信号和相关的参数打包，通过网络对外发送。设备核心采用了 STM32F407 芯片，其外围电路主要包括 GPS 接收模块、B(DC)码电平转换电路、光电隔离电路、触摸屏、网络传输模块等。STM32F407 芯片提供了丰富的 I/O 接口、定时器、中断控制等资源，支持 S232/S422/S485 接口通信，自带以太网模块，丰富的片内资源为实现高集成化和高可靠性的 T0检控设备提供了有力支持。2硬件设计与开发T0 检控设备的硬件设计主要是指 STM32F407 芯片外围电路与接口的开发，包括时间解码、起飞触点信号检测、网络接口和人机操作接口几个部分。2 1时间解码电路T0 检控设备的时钟源包括 IIG-B(DC)码和GPS/BD 时间。B(DC)码的输入采用 S485 或 S422接口协议。差分传输是 S485 数据信号传输的方式，它采用双绞线进行信号传输，逻辑电平通过双绞线两端的电压差得到。由于 STM32 只支持 TTL 电平，因此需要对输入的 B(DC)码信号进行电平转换，选用的器件为 MAX1487。MAX1487 采用的通信接口形式为S485 和 S422，功耗较低。图 2 为电平转换的电路原理图。图 2 中 B(DC)码从 J2 输入至 U12 的 A、B 端，转换后从 O 端输出 TTL 电平的 B(DC)时间编码脉冲，进入 STM32 芯片进行解码。GPS 时间信号由 ATK-S1216F8-BD 模块提供。该模块电平为 5 V 和 3 3 V，与单片机系统保持兼容，体65测控技术 2023 年第 42 卷第 2 期图 2S422/S485 电平转换电路积小，性能优异，可通过串口进行各种参数设置，并可保存在内部 Flash 中。模块自带可充电后备电池，掉电后可以保持星历数据。它与 STM32 的连接关系如图 3 所示。图 3ATK-S1216F8-BD 模块与 STM32 连接示意图模块的数据收发通过串口与微控制器连接。在硬件设计中，该模块与 STM32 连接的 5 根线分别为数据发送(TXD)、数据接收(XD)、秒脉冲(PPS)、电源(VCC)和地(GND)。PPS 信号可以提供精确的秒脉冲信号，脉冲前沿为整秒时刻，导航定位信息(时间信息)在秒脉冲之后通过串口输出。STM32 芯片的定时器具有脉冲输入捕获功能，可以在程序初始化时进行设置，因此，在设计中将 GPS 模块的 PPS 信号与定时器输入端口连接，以获取精确的整秒时刻。2 2起飞触点信号检测火箭发射时，通过点火或弹射方式与发射架分离。无论采用哪种方式，都会送出一个开关量信号。触点检测电路的作用是实现对这一信号的检测并发送给STM32 进行处理。通常，发射架距离起飞信号检测系统较远，需要的电压和电流也比较大，为了保护微控制器，需要进行光电隔离;起飞信号通过光电转换，变成TTL 脉冲信号进入 STM32 微控制器。例如，采用点火方式时，通过火箭点火熔断装置形成起飞信号，此时的起飞信号检测电路如图 4 所示。图 4起飞信号检测原理熔断丝导通时，导通电流经 1使光耦的发光二极管发光，光耦三极管的集电极与发射极处于饱和导通状态，集电极输出低电平;火箭点火起飞使熔断丝断开后，光耦的二极管不发光，三极管截止，集电极输出高电平，通过上拉电阻经整形电路进入 STM32 的 GPIO端口。这种从低电平到高电平的跳变信号经 STM32捕获后进入中断处理程序进行处理。在电路设计中，为了使电平跳变信号更接近于理想矩形脉冲，通常使用施密特触发器电路进行脉冲整形。手动 T0 的触发方式与起飞触点检测的原理类似，通过按键产生 TTL 电平的脉冲跳变信号，整形后从STM32 的 GPIO 端口输入，所以无须光电隔离。2 3网络接口STM32F407 芯片自带以太网模块，该模块包括带专用 DMA 控制器的基于 IEEE 802.3 的 MAC(介质访问控制)控制器，支持介质独立接口(Media Independ-ent Interface，MII)和简化介质独立接口(educedMedia Independent Interface，MII)。信息发送时，必须外接以太网接口芯片(PHY 层芯片)，本设计中采用了LAN8720A 进行网络通信。STM32F407 通过 MII 接口与 PHY 层芯片的连接示意图如图 5 所示。图 5STM32F407 MII 与 PHY 层芯片的连接示意图LAN8720A 为以太网接口芯片，对应于协议 PHY层，具有低功耗特性，网络速率为 10/100 Mbit/s，该芯片可以通过 MII 接口与以太网 MAC 层通信，具有符合IEEE 802.3 2005 标准的 I/O 引脚电压。LAN8720A可以通过自协商的方式选择与目的主机以最佳的方式(速度和双工模式)连接，支持 HP Auto-MDIX 自动翻转功能，无须更换网线即可将连接更改为直连或交叉连接。2 4人机操作接口为了使 T0 检测设备易于设置和操作，选用了触摸屏作为操控界面。触摸屏为组态串口屏，通过串口与STM32 进行通信，其交互原理如图 6 所示。图 6触摸屏与 STM32 的通信连接75一种起飞零时检控台的设计与实现组态串口屏的特点是可以使用图形化的方式进行界面设计，内置了丰富的显示和控制组件，通过特定的命令集与 STM32 的串口进行通信，其自带的驱动函数库负责命令的解释与分发。触摸屏与 STM32 的数据交互为双向通信，因此需要两根数据线连接。3软件设计软件开发环境为 Keil Vision 5，采用 C 语言编程。下面简要介绍各功能模块的软件实现。3 1时间解码IIG(Inter ange Instrumentation Group)码，称为“美国靶场仪器组码”，是美国靶场司令委员会制定的一种时间标准，现广泛应用于军事、商业、工业等诸多领域。IIG 码共有 4 种并行二进制时间码格式和 6种串行二进制时间码格式，其中最常用的是 IIG-B 时间码格式，其以每秒一次的频率发送时间信息，不仅包含秒脉冲信息，而且还有包括年、天、时、分、秒、二进制秒计日等在内的绝对时间信息9。IIG-B(DC)时间码结构如图 7 所示。它是每秒一帧的串行时间码，每个码元总宽度为 10 ms，一个时帧周期包括 100 个码元，为脉宽编码。每个码元又有二进制“0”和“1”以及位置标识符共 3 种码型，分成 3字段编码:第 1 字段为年时间(年、天、时、分、秒);第 2字段为控制功能字段;第 3 字段为直接用二进制秒符号表示的一天中的时间信息，每 24 h 循环 1 次。码元的“准时”参考点是其脉冲前沿，时帧的参考标志由一个位置识别标志和相邻的参考码元组成，其脉宽均为8 ms;每10 个码元有一个位置识别标志，因此1 s 内共10 个位置识别标志，即 P1，P2，P3，P9，P0，它们均为 8 ms 脉宽;P 为帧参考点;二进制“1”和“0”的脉宽分别为 5 ms 和 2 ms。对 B 码进行解码就是将 B 码中所包含的时、分、秒信息提取出来，转换成计算机能够识别的形式。解码的关键在于检测 B 码中各个码元的高电平宽度，首先要检测连续两个 8 ms 宽的码元出现的位置，然后再检测随后的 30 个码元脉冲宽度，以确定时、分、秒。图 7IIG-B(DC)时间码示意图检测高电平宽度的方法为:设置 STM32 的相关定时器模式为脉冲捕获，将 B 码送入定时器输入引脚，在引脚由低电平变为高电平时，启动内部定时器 T0，开始计数;在引脚由高变低时(即下降沿)，触发中断，读取计数器的值，脉冲宽度等于计数值乘以计数周期。依据 B(DC)码的编码结构10 12，采用软件方法提取时间信息的流程如图 8 所示。GPS 的授时信息从其导航报文中获取。导航报文采用 NMEA-0183 协议传输13，符合 NMEA-0183 标准的 GPS 接收机的硬件接口能够兼容计算机或单片机的 S232C 串口协议，因此，可以通过串口编程实现GPS 时间码的接收。由于导航报文中时间信息在秒脉冲之后通过串口输出，因此，秒脉冲到达时的准确时间应该用串口接收的时间信息加 1 s。由于 T0 控制台还需要毫秒信息，所以需要通过定时器对相邻两个秒脉冲之间进行毫秒计数。GPS 时间获取的原理图如图 9所示。图 8B(DC)软件解码程序流程85测控技术 2023 年第 42 卷第 2 期图 9GPS 时间获取原理NMEA-0183 协议采用 ASCII 码来传递 GPS 定位信息，称之为帧，它具有形如:$aaccc，ddd，ddd，ddd*hh(C)(LF)的帧格式。$GNMC 为程序设计中接收的定位信息帧，只需要提取其中的 UTC 时间信息即可。为保证时间信息处理的实时性，对 B(DC)和 GPS时间码的采集均在中断处理函数中完成。当检测到 B(DC)码的整秒时刻的上升沿时，软件中设置一个 I/O口进行电平翻转，在该 I/O 口中断处理函数中记录 B(DC)码的整秒时间，然后启动预先设置的定时器进行毫秒(或微妙)计数，以便获取 T0 发生时刻的 B(DC)码毫秒信息。由于 GPS 模块的 1PPS 输出线与 STM32的一个定时器输入相连接，因此，GPS 整秒时刻的采集可以在该定时器的中断处理函数中完成;毫秒信息的产生与 B(DC)码的方法一致。3 2T0 产生设备的 T0 产生方式包括触点、手动和倒计时 3种，其中触点和手动方式原理基本一致，即通过 STM32的中断引脚检测电平翻转的脉冲信号，STM32 响应外部中断，进入中断程序，在中断程序中将 GPS 或B(DC)码时间信息打包，按规定的协议格式通过网络发送 T0 时间信息。在中断处理函数中，首先判断当前设置的时间源(GPS 或 B(DC)，然后从对应的结构体中取出时、分、秒、毫秒信息，根据协议格式将数据打包，调用网络发送函数对外发送。T0 产生后，通常要求 T0 控制台连续对外发送 10 20 s，因此，在中断函数中还需开启一个定时器，时间结束后停止发送。在使用倒计时方式产生 T0 时，软件读取触摸屏设置的倒计时时间(分为绝对时和相对时)，计算出距离当前时刻的整秒数，存入一个倒计时变量;开启一个定时器，设置为秒中断，在定时器中断处理函数中，对存储的倒计时变量递减，当递减到 0 时，读取当前 GPS或 B(DC)码时间，发送过程与前面介绍的触点和手动中断处理函数中的操作基本一致。3 3触摸屏通信为了实现触摸屏与 STM32 通信，需调用触摸屏驱动代码，并遵循一定的程序设计规范14。触摸屏对触摸控件进行唯一编号，操作时控件编号和命令信息通过串口发送给 STM32，STM32 的处理程序对命令解码，或者对设备进行参数设置，亦或者将设备信息回传给触摸屏进行显示。STM32 与触摸屏通信软件结构如图 10 所示。图 10STM32 与触摸屏通信软件结构在程序的主循环中，采用轮询的方式检查指令队列中有无指令到达，若指令有效则对指令进行解析。指令类型分为画面切换通知、触摸坐标通知和控件通知，均通过对应的子程序进行处理。画面切换指令负责触摸屏的信息显示和参数设置画面切换，在本系统中包括主界面和参数设置界面，按钮和文本作为主要控件负责实现参数传递、信息显示和状态选择与确认功能，本设计中未涉及触摸坐标的使用。3 4网络通信STM32 使用 LwIP 作为网络通信的协议栈。LwIP是瑞典计算机科学院的 Adam Dunkels 等开发的一个小型开源的 TCP/IP 协议栈，有无操作系统都可以运行，它实现的重点是在保持 TCP/IP 协议主要功能的基础上减少对 AM 的占用，只需十几 KB 的 AM 和40 KB 左右的 OM 即可以运行，因而适合在嵌入式系统中使用。LwIP 的库函数提供了 API 调用接口，在完成必要的初始化设置后，当需要数据发送时可以直接调用。在本设计中，T0 信息输出使用 UDP 协议，在 UDP的数据域使用包交换协议15，进一步封装设备通信所需的地址、数据时标、包序号、数据长度和数据内容等信息。4测试验证与分析测试时通过网线将设备与计算机连接。在设备端，通过触摸屏设置本地和远端的 IP 地址、端口号和数据包的相关参数;在计算机端运行网络接收程序，设置好 T0 检控台的 IP 地址和端口号，等待接收数据。95一种起飞零时检控台的设计与实现测试内容包括:接入 B(DC)码，GPS 收星正常，通过触摸屏切换时间源，查看屏上显示时间的正确性。设置倒计时 T0 触发参数，当倒计时为 0 时，观察计算机接收到的 UDP 数据包内容。分别设置手动 T0 和触点触发 T0 方式，通过外部开关模拟，观察计算机接收到的 UDP 数据包内容。测试其他辅助功能，例如信息显示、蜂音信号输出、自动守时等。图 11 为 T0 检控台参数设置屏，图 12 为产生 T0信号时的设备主屏;图 13 为使用 GPS 作为时钟源，在手动产生 T0 信号时收到的数据包内容截屏。图 11T0 检控台参数设置屏图 12产生 T0 信号时的设备主屏图 13计算机接收的 UDP 数据包信息从获取的数据包内容可以得到 T0 检控台设置的参数和发送的 T0 信息如下(字段括号内的数字为字节序号):VE(0):80，MID(1 2):2038，SID(3 6):12345678，DID(7 10):1234ABCD，BID(11 14):00010101，FLAG(19):00，发送日期(24 25):1F51，发送时间(26 29):21FD2C00，数据长度(30 31):0004，数据内容(32 35):21FBD404其中，发送日期 1F51 为十进制 8017，表示从 2000年 1 月 1 日到当前设置日期的天数。发送时间21FD2C00 为十进制 570240000，表示发送时刻的北京时间量化为 0 1 ms 的计数值，即 15 时 50 分 24 秒。数据内容 21FBD404 为十进制数 570151940，表示 T0时间量化为 0 1 ms 的计数值，经转换后，T0 时间为 15时 50 分 15 秒 194 毫秒。在软件中，设置了连续发送10 s 的 T0 信息，数据包中的发送时间保持整秒变化，而 T0 信息不变。分析结果表明，解析的参数与设置值一致，T0 信息与设备产生的 T0 一致。5结束语针对航天测控需求现状，研制了一种基于通用STM32 微控制器的航天发射场 T0 检控设备。为了更好地适应当前测发与测控系统的技术现状，精简了传统 T0 控制台的一些不常用的功能(如 HDLC 通信、B(AC)码的接收与解调、打印输出等)。经测算，新研设备成本小于原设备的 1/10，质量小于原设备的 1/3，板卡尺寸仅为 15 cm 8 cm。设备经过多次测试和发射任务的检验，工作稳定可靠，实现了小型化、低成本和高可靠性的设计目标，满足使用要求。参考文献:1于志坚 我国航天测控系统的现状与发展 J 中国工程科学，2006，8(10):42 46YU Z J Status quo and development of spaceflight TT Csystems J Engineering Science，2006，8(10):42 46(inChinese)2李彤华 NTP 协议及其在航天测控计算机系统中的应用研究 J 飞行器测控学报，2008，27(6):43 47LI T H esearch on the application of NTP protocol in thecomputer system 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