安全型微控制器在弹上点火控制电路中的应用研究

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摘 要：随着导弹型号的不断丰富，弹上点火控制电路的功能、逻辑、接口越来越复杂，造成控制电路安全性、可靠性降低。专业工程的深入研究对点火控制电路的可测试性、自诊断性提出了更高要求。由此，本文通过采用TI公司生产的一种安全型微控制器TMS470MF06607作为处理核心，以某型导弹点火控制电路作为模型，完成弹上点火控制电路设计、测试，实现点火控制过程的逻辑判断、点火信号输出等功能，有效减少了元器件种类，降低了接口复杂度，提高了弹上点火控制电路的安全性和可靠性。

关键词：安全型微控制器;点火控制电路;导弹

中图分类号：TJ760.3文献标识码：A文章编号：1003-5168（2019）22-0075-04

Study on Ignition Control Circuit of Missile Using Safety Micro-controller

ZHANG Guoqiang

Abstract： With the continuous development of the missile project， the function、logic and interface become more and more complex which lowers the security and reliability of the Missile Ignition Control Circuit. In-depth study of professional engineering also puts forward higher requirements on the testability and self-diagnosis of the Ignition Control Circuit. In this paper， a safe microcontroller， TMS470MF06607， produced by TI Company， was used as the processing core， and the ignition control circuit of a missile was used as a model to complete the design and test of the ignition control circuit on the missile. The functions of logic judgment in the ignition control process and output of ignition signal were realized， which effectively reduced the components. The type reduced the interface complexity and improved the safety and reliability of the ignition control circuit on the missile.

Keywords： safety micro-controller;ignition control circuit;missile

當前，随着导弹型号不断丰富，科学技术不断进步，以及用户需求不断提高，使得弹上点火控制电路的功能、逻辑和接口越来越复杂。此外，随着专业工程的不断深入研究，对弹上点火控制电路的可测试性、自诊断性也提出了越来越高的要求[1]。因此，传统的利用简单模拟、数字器件搭建弹上点火控制电路的方式已经无法满足型号发展的需求，最终造成电路和接口越来越复杂，安全性、可靠性、测试性差，弹上点火控制电路的数字化迫在眉睫[2]。

点火控制功能作为导弹的重要功能，其安全性、可靠性的高低直接影响导弹的成败甚至是载机和人员安全。弹上点火控制电路数字化必须采用可靠性高、安全性高的微控制器。

1 系统总体方案

1.1 TMS470MF06607芯片简介

本文采用TI公司生产的一种安全型微控制器TMS470MF06607。该控制器采用最新的针对实时控制领域的Cortex-M3内核，具备内存ECC检查、CPU和RAM自检、内存保护（MPU）、失效检测、时钟监控、双核监控和备份等技术，大大提高了微控制器的安全性和可靠性。

该微控制器符合AEC-Q100规范要求，达到了IEC61508 SIL3标准认证，适合弹上点火控制等与安全攸关的应用，具有很好的推广意义。

1.2 总体方案

本文总体方案共包括五个模块，分别为上位机模块、指令接收模块、逻辑判断模块、信号驱动模块和继电器执行级模块。

系统原理为：由上位机向点火控制电路发送控制指令;控制电路采用光电耦合器接收控制指令;控制指令经过分压和信号调理后送入微控制器进行逻辑组合与判断，并输出满足宽度要求的控制信号;通过达林顿阵列对控制信号进行功率放大，驱动继电器组完成点火信号输出[3]。系统原理如图1所示。

2 电路设计

2.1 指令接收电路

控制指令为一对差分信号，采用光电耦合器进行接收，能够有效避免内部噪声和点火信号对前级电路造成的干扰。接收电路使用电阻进行限流。由于所选光电耦合器导通电流较小，为提高控制门限，串联一只二极管。在光电耦合器后级采用RC电路进行滤波，能够有效消除一定宽度的脉冲信号干扰。经过计算，驱动电流满足光电耦合器导通要求，且导通电压满足指令输出指标，并留有一定裕度。指令接收电路原理如图2所示。

控制指令接收后，经过分压和信号调理，变换为0～3.3V，满足微控制器电平要求，并通过A/D转换作为控制器的输入，参与点火控制逻辑组合与判断。

2.2 微控制器供电电路

为满足微控制器电源要求，采用电源芯片TPS7333将外部提供的+5V电源转换为+3.3V，经滤波后作为微控制器的供电电源。同时，在微控制器的各供电端口就近并联标准电容以消除干扰，提高供电品质。微控制器供电电路原理如图3所示。

2.3 时钟及JTAG接口

依据芯片手册，时钟电路采用经典的外接晶振方式，所选晶振为16MHz，电容为22pF。

经过验证，TMS470MF06607控制器的JTAG接口与TI公司传统控制器的JTAG接口存在一定差异，必须去掉部分上拉电阻，才能实现正常连接。JTAG接口如图4所示。其中，图（a）为TI公司微控制器JTAG经典接法，图（b）为TMS470MF06607典型接法。

2.4 驱动电路

微控制器对控制指令进行逻辑组合与判断后，输出的控制信号最大驱动电流约为4mA，不足以驱动继电器组完成点火功能，必须进行信号放大。本文采用ULN2004达林顿阵列对控制信号进行功率放大以驱动继电器组。驱动电路、继电器组输出电路原理如图5所示。

3 软件设计

本文的软件开发环境基于CCS 5.5平台，仿真器为XDS100-V2，USB 2.0。

软件主要实现供电电压采样/转换、控制信号逻辑组合与判断、产生点火控制信号等功能。根据上述功能，对软件进行模块化设计，主要分为程序端口初始化模块、A/D采样/转换模块、定时器中断模块和点火控制模块。

初始化模块主要完成对各个端口、变量的初始化。初始化完成后，进入while循环等待，当点火标志为1时，进入点火判断、输出程序。

A/D采样/转换模块每5ms执行一次A/D采样，并取连续5次转换值进行判断，当存在歧义值时直接剔除，重新采样连续5次转换值求平均值，结果用变量作为记录。

定时器中断模块设置为每1ms执行一次，并进行计数，当计数值达到5时，调用A/D采样/转换函数并对控制指令I_A进行判断，当满足要求时，将点火标志FIRE_FLAG置为1。

点火控制模块，对点火控制指令进行逻辑组合、判断，当点火1控制指令满足要求时，产生满足宽度要求的点火信号1;当点火2控制指令满足要求时，产生满足宽度要求的点火信号2。

软件对控制指令进行采集时，均通过多次判断以消除干扰和抖动，防止误输出点火控制信号。软件工作时序如图6所示。

4 系统仿真

采用英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件Proteus进行系统仿真。该软件不仅具有其他EDA工具软件的仿真功能，还能对单片机、ARM、Cortex和DSP等系列处理器及外围电路进行仿真，是目前较好的仿真微控制器及外圍电路工具。经过仿真，该点火控制电路能够产生满足要求的点火控制信号，并驱动继电器完成点火信号输出。仿真结果如图7所示。

5 测试结果

连接上位机和点火控制电路，上位机按图8所示时序向点火控制电路发出控制指令。

通过上位机采集系统对控制指令、点火信号进行采集。试验流程如下。

上位机向控制电路施加外注电源I_D，其他控制指令I_E、I_F、I_G设为高电平，I_H设为低电平。

上位机向控制电路发出I_A和I_B控制指令，当两个控制指令同时有效时，控制电路产生点火信号1。发送单一指令时不会输出点火信号1，I_A、I_B、I_C三个控制指令同时有效时也不会产生点火信号1。上位机将I_E指令置为低电平，同时输出1次I_A和I_B指令，此时不会输出点火信号1。上位机将I_H信号置为高电平，同时输出1次I_A和I_B指令，此时不会输出点火信号1。上位机将I_G信号置为低电平，再次同时输出2次I_A和I_B指令，此时输出点火信号1。上位机将外注电源电压置为V1，同时输出1次I_A和I_B指令，此时不输出点火信号1;上位机将外注电源电压置为V2，同时输出1次I_A和I_B指令，此时输出点火信号1。

在满足一定时间间隔后，上位机产生2次I_A和I_C指令，此时输出点火信号2。若在点火信号1产生后，不满足要求的时间间隔，也不会产生点火信号2。

如图9所示，在[t1]、[t3]时刻，控制指令满足点火信号1条件，输出点火信号1;[t2]时刻控制指令满足点火信号2条件，输出点火信号2。

6 结论

本文采用TI公司生产的TMS470MF06607安全型微控制器设计了弹上点火控制电路，减少了元器件种类，降低了接口复杂度，实现了点火控制信号输出，验证了点火控制电路数字化研究的可行性和有效性，为后续弹上控制电路设计提供了参考解决方案，解决了原有电路逻辑复杂、可靠性和安全性不高的问题，对其他型号发展具有一定借鉴意义。

参考文献：

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

[3]黄丰保，安德宇.基于PIC18F单片机的弹载电源控制系统设计[J].航空兵器，2014（4）：23-26.