STM32的遠(yuǎn)距離觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計

孫倩華++王偉++宋師軍

摘 要針對武器系統(tǒng)研制過程中測試系統(tǒng)的觸發(fā)需求，以微控制器STM32和超短波無線數(shù)傳電臺為核心部件，提出了一種遠(yuǎn)距離觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計，給出了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成、通信協(xié)議、工作原理及實現(xiàn)方式。試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有通信距離遠(yuǎn)、安全性可靠性高、實時性好，能夠全天候操作等優(yōu)點，并且具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性。

【關(guān)鍵詞】STM32 遠(yuǎn)距離觸發(fā) 主從站 數(shù)據(jù)鏈路

1 引言

在武器系統(tǒng)的研制中，為了記錄武器發(fā)射、飛行、攻擊的整個過程以及準(zhǔn)確獲取外彈道和終點彈道參數(shù)，高速攝像是一種必不可少的測試手段，起到了舉足輕重的作用。由于彈丸的飛行速度快，高速攝像的觸發(fā)控制就成為重中之重。目前，多數(shù)的觸發(fā)控制主要采用“通-斷”或“斷-通”的長線觸發(fā)的方式，這需要參測人員鋪設(shè)很長的電纜，并且無法實現(xiàn)多組測試系統(tǒng)的同步測試以及彈道分段接力測試，而在測試的過程中參測人員對于測試系統(tǒng)工作狀態(tài)的反饋更是一無所知，只有試驗完畢后到現(xiàn)場才能知道其是否正常工作，具有一定的不確定性。

隨著微電子技術(shù)、現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，測控系統(tǒng)發(fā)展無線化、智能化已成為必然趨勢。超短波無線數(shù)傳電臺具有信號傳輸穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)、技術(shù)比較成熟等優(yōu)點，適合工作于條件惡劣的靶場環(huán)境。

本文針對高速攝像測試系統(tǒng)中的觸發(fā)測控需求，提出了一種利用微控制器STM32和超短波無線數(shù)傳電臺實現(xiàn)測試系統(tǒng)遠(yuǎn)距離同步/接力觸發(fā)以及遠(yuǎn)程監(jiān)控相機(jī)工作狀態(tài)的有效手段，對于提高測試系統(tǒng)的測量精度以及可靠性、安全性具有重要的意義。

2 總體結(jié)構(gòu)

觸發(fā)系統(tǒng)由主站和從站組成（包括一個主站和N個從站），主站為操作人員控制端，從站為高速攝像機(jī)控制端，如圖1所示。

2.1 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

該系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計為主/從站網(wǎng)絡(luò)，通信線路上主站與從站的通信按照主從方式進(jìn)行，主站具有網(wǎng)絡(luò)訪問控制權(quán)，可以主動發(fā)出請求信號或接收其他主站命令信號并反饋相關(guān)信息，從站處于被動工作狀態(tài)，只能應(yīng)答主站的請求。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)的主要設(shè)備如下：

2.1.1 主站

由微控制器STM32、數(shù)傳電臺以及輸入輸出設(shè)備組成。主要功能是對網(wǎng)絡(luò)通信進(jìn)行控制和管理，在預(yù)定的周期內(nèi)與從站循環(huán)地交換數(shù)據(jù)，傳遞主站的請求信號，并將從站采集的相機(jī)工作參數(shù)進(jìn)行處理并在輸出設(shè)備上予以顯示。

2.1.2 從站

由微控制器STM32、數(shù)傳電臺以及相應(yīng)的輸入輸出設(shè)備組成。其功能是對主站給予的輸出信號驅(qū)動相機(jī)動作和采集現(xiàn)場設(shè)備的必要參數(shù)回饋給主站。特定的從站可以作為二類主站，暫代主站的功能與其他從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

2.2 通信協(xié)議的構(gòu)成

該系統(tǒng)的通信協(xié)議根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）七層參考模型制定，將其簡化后只使用了第一層物理層、第二層數(shù)據(jù)鏈路層以及用戶層，如表1所示。

2.2.1 物理層

該系統(tǒng)的物理層協(xié)議采用超短波無線數(shù)傳通信和RS485串口通信，采用半雙工、異步的傳輸方式，1個字符幀由8個數(shù)據(jù)位、一個起始位、一個停止位和一個奇偶校驗位組成。

2.2.2 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議主要包括主站和從站間的主從通信機(jī)制以及主站的廣播通信機(jī)制。在主從通信中，主站獲得控制權(quán)后在一定的時間周期內(nèi)與多個從站交換數(shù)據(jù)，主站下傳命令，從站給出響應(yīng)，配合主站完成對數(shù)據(jù)鏈路的控制，一個主站應(yīng)與多個從站中的每一個從站建立一條數(shù)據(jù)鏈路。主站和某從站間的通信過程可具體分為三個階段：

a.數(shù)據(jù)鏈路的建立，即主站向某從站發(fā)送狀態(tài)請求幀，該從站發(fā)送一確認(rèn)幀響應(yīng)主站的請求。

b.數(shù)據(jù)幀的傳輸，即主站向某從站發(fā)送數(shù)據(jù)信息幀，與該從站進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

c.數(shù)據(jù)鏈路的釋放，即主站與某從站沒有信息幀要發(fā)送，或者主站將與其他從站建立鏈路連接時，主站向該從站發(fā)送狀態(tài)請求幀，請求釋放鏈路連接，從站發(fā)送一確認(rèn)幀應(yīng)答主站，釋放數(shù)據(jù)鏈路。

為了滿足數(shù)據(jù)通信中的需要，數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議采用了兩種幀格式。其中，數(shù)據(jù)信息幀的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

為了滿足測試系統(tǒng)同步觸發(fā)的實時性要求，用到了主站的廣播通信機(jī)制，這樣的數(shù)據(jù)幀省去源地址和目的地址，在特殊的幀頭指引下把任務(wù)傳達(dá)給每一個從站，即相當(dāng)于在這一時刻主站與所有從站同時進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。幀結(jié)構(gòu)如圖3所示。

3 工作原理

該系統(tǒng)基本工作原理如下：在正式數(shù)據(jù)通信之前，主站對所有從站進(jìn)行通信測試和信號強(qiáng)度測試，當(dāng)從站相機(jī)需要動作時，主站將相應(yīng)的數(shù)據(jù)打包成從站能夠識別的數(shù)據(jù)幀，通過無線數(shù)傳模塊按照從站相應(yīng)的地址發(fā)送到需要動作的從站，從站接收數(shù)據(jù)后進(jìn)入相應(yīng)任務(wù)的處理。處理完成返回主站確認(rèn)數(shù)據(jù)幀，處理過程結(jié)束。若從站有誤動作，則從站將記錄事件向主站報警，主站進(jìn)行相應(yīng)處理。

主站作為通信的發(fā)起方，是整個系統(tǒng)的中央控制器，其工作流程如圖4所示。

其中，任務(wù)指的是觸發(fā)請求，分為同步觸發(fā)和接力觸發(fā)。同步觸發(fā)即主站把觸發(fā)任務(wù)在同一時間發(fā)給所有從站；接力觸發(fā)指的是主站在下發(fā)任務(wù)的時候按觸發(fā)時間不同設(shè)置定時時間分別對不同的從站作延時觸發(fā)。

從站作為通信的應(yīng)答方，時刻準(zhǔn)備接受來自主站的任務(wù)，其工作流程如圖5所示。

4 通信協(xié)議的實現(xiàn)

本系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵是完成物理層的比特數(shù)據(jù)流和用戶層數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，維護(hù)對物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的參數(shù)管理，并向上層協(xié)議提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，主要由STM32微控制器完成。

協(xié)議處理模塊包括物理層接口和數(shù)據(jù)鏈路層處理。前者利用STM32自帶的UART負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)鏈路層與物理層之間的連接，完成物理層的比特數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)幀之間的轉(zhuǎn)換。后者是系統(tǒng)的核心功能模塊，其主要工作為對UART收發(fā)器接收的數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議規(guī)范進(jìn)行具體分析和處理。該模塊的工作過程說明如下：

模塊由幀檢查和幀處理狀態(tài)機(jī)兩個同步狀態(tài)機(jī)組成。其中，幀檢查狀態(tài)機(jī)實時監(jiān)測UART收發(fā)器的工作狀態(tài)，若發(fā)現(xiàn)收發(fā)器接收到有效的幀字節(jié)數(shù)據(jù)，則根據(jù)該字節(jié)在接收數(shù)據(jù)幀中的位置，以及該數(shù)據(jù)幀的幀類型進(jìn)行幀格式檢查：若不符合幀格式，則復(fù)位狀態(tài)機(jī)，丟棄該幀；若為幀數(shù)據(jù)單元，則將其存入接收緩沖區(qū)中；若為其它幀字符，則從中提取相關(guān)狀態(tài)信息，如是否存在地址擴(kuò)展、使用的服務(wù)存取點等，為幀處理狀態(tài)機(jī)的工作做好準(zhǔn)備。同時，該狀態(tài)機(jī)還負(fù)責(zé)控制校驗和計算模塊的工作，將最終校驗和與接收到的校驗和進(jìn)行比對，若不一致則認(rèn)為幀數(shù)據(jù)接收錯誤，將該幀丟棄。待接收的字節(jié)數(shù)達(dá)到長度字節(jié)規(guī)定的長度后，則認(rèn)為接收完畢，啟動幀處理狀態(tài)機(jī)。隨后幀處理狀態(tài)機(jī)對功能字節(jié)進(jìn)行分析：若為數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，則根據(jù)協(xié)議規(guī)定的服務(wù)規(guī)程進(jìn)行處理，并映射為相應(yīng)的服務(wù)通知上層協(xié)議；若為狀態(tài)請求，則進(jìn)行狀態(tài)應(yīng)答。

由于狀態(tài)機(jī)比較復(fù)雜，在此處將其工作流程圖簡單示意如圖6所示。

5 試驗驗證

該系統(tǒng)已經(jīng)在多次試驗中進(jìn)行驗證，試驗中觸發(fā)有效可靠，工作狀態(tài)反饋及時準(zhǔn)確，大大減少了誤觸發(fā)的概率。試驗時，將一臺主站通過兩臺從站分別控制位于5km處的兩臺Photron SA1型高速攝像機(jī)。主站的液晶屏可以進(jìn)行功能選擇及操作，例如：網(wǎng)絡(luò)檢測、信號強(qiáng)度檢測、高速觸發(fā)、系統(tǒng)幫助等。高速攝像系統(tǒng)操作界面如圖7所示。

通過液晶屏上按鈕可以實現(xiàn)遠(yuǎn)距離的“待觸發(fā)”和“觸發(fā)”設(shè)置，并能實時監(jiān)視高速攝像機(jī)的工作狀態(tài)。

6 結(jié)束語

本文提出了一種遠(yuǎn)距離觸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)了對高速攝像機(jī)遠(yuǎn)距離的無線觸發(fā)、狀態(tài)監(jiān)控、觸發(fā)復(fù)位，使得操作人員既可以在遠(yuǎn)距離監(jiān)控高速攝像機(jī)的工作狀態(tài)，又能夠控制高速攝像機(jī)的觸發(fā)復(fù)位，很大程度上避免了高速攝像機(jī)的誤觸發(fā)，提高了高速攝像機(jī)的觸發(fā)可靠性，提高了高速攝像系統(tǒng)的自動化程度和試驗的成功率。該設(shè)計也為要求高安全性和高可靠性的遠(yuǎn)距離遙控觸發(fā)的測試系統(tǒng)及軍民用遠(yuǎn)程起爆控制提供了一種解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1]婁華平等.遠(yuǎn)距離無線通信在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技情報開發(fā)與經(jīng)濟(jì)，2006，16（17）：229-230.

[2]張三喜等.高速攝影及其應(yīng)用技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2006.

[3]STM32F405xx and STM32F407xx advanced ARM-based 32-bit MCUs Reference manual[S].STMicroelectronics，2011.

作者簡介

孫倩華（1984-），男，山西省晉城市人。碩士研究生?，F(xiàn)為北京航天長征飛行器研究所工程師。研究方向為引信技術(shù)。

作者單位

北京航天長征飛行器研究所 北京市 100076