基于STM32的靶機(jī)安控器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研究

石 峰，李志宇，高艷輝，肖莉萍，朱夢(mèng)杰

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 中小型無人機(jī)先進(jìn)技術(shù)工信部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016；3.上海機(jī)電工程研究所，上海 201108)

0 引言

無人靶機(jī)是執(zhí)行特殊任務(wù)的一類無人機(jī)，主要用來在導(dǎo)彈武器研制、部隊(duì)作戰(zhàn)訓(xùn)練中扮演敵方空中目標(biāo)的角色[1]，作為我軍實(shí)戰(zhàn)化訓(xùn)練的靶子，在提升國(guó)防力量方面扮演非常重要的角色。在靶試試驗(yàn)時(shí)，靶機(jī)一般在規(guī)劃區(qū)域內(nèi)執(zhí)行任務(wù)。靶機(jī)作為大型無人機(jī)，如果發(fā)生故障或不受控，在安全區(qū)域外墜毀，其可能會(huì)對(duì)地面的城市、重點(diǎn)設(shè)施等造成不可估量的人員或財(cái)產(chǎn)損失。為了保證靶試試驗(yàn)安全，靶機(jī)應(yīng)具有安全控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱安控系統(tǒng)[2]。安控系統(tǒng)獨(dú)立于靶機(jī)工作，能夠確保在靶機(jī)飛行異常時(shí)及時(shí)控制靶機(jī)墜毀，降低對(duì)地面設(shè)施和人員的威脅。因此，作為安控系統(tǒng)的核心部件，安控器必須工作可靠。首先，安控器的硬件必須穩(wěn)定、可靠，比如串口必須能夠準(zhǔn)確地接收/發(fā)送數(shù)據(jù)、DO必須能夠正確輸出所需電平等。其次，安控器的軟件必須可靠且滿足實(shí)時(shí)性要求，比如安控器軟件必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)響應(yīng)接收到的指令等。所以在安控器試制、生產(chǎn)和試驗(yàn)時(shí)，安控器的功能和性能均需要進(jìn)行全面檢測(cè)。

目前，安控器地面檢測(cè)主要采用手動(dòng)操作、人工監(jiān)測(cè)和判斷的方式。操作人員需要對(duì)安控器的所有功能項(xiàng)進(jìn)行逐一檢測(cè)和記錄。然而，人工檢測(cè)主要針對(duì)安控器的功能進(jìn)行檢測(cè)，忽略了安控器的性能檢測(cè)，尤其是對(duì)安控器電壓、電流的檢測(cè)。而且人工檢測(cè)的方式操作繁瑣，需要操作人員手動(dòng)操作各種按鈕、觀察記錄檢測(cè)結(jié)果，所以這種檢測(cè)方式可能導(dǎo)致操作人員的誤操作和誤記錄。因此急需研制一套針對(duì)安控器功能和性能進(jìn)行檢測(cè)的安控器全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。

本文針對(duì)某型安控器的全自動(dòng)檢測(cè)需求開展研究，采用信號(hào)門限技術(shù)設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一套安控器全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)安控器功能和性能的一鍵式、全自動(dòng)快速檢測(cè)，同時(shí)生成檢測(cè)報(bào)告。

1 信號(hào)門限技術(shù)

一般來說，自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)將計(jì)算機(jī)軟硬件與測(cè)量設(shè)備相結(jié)合，通過軟件控制所有檢測(cè)步驟，產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)，分析測(cè)量結(jié)果[3]。信號(hào)門限技術(shù)是一種簡(jiǎn)單有效的故障檢測(cè)方法[4]，在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中具有廣泛的應(yīng)用，具體原理如下[5]：

設(shè)待測(cè)信號(hào)為x，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置待測(cè)信號(hào)的上下限xmin和xmax，如果：

xmin≤x(t)≤xmax

(1)

則認(rèn)為檢測(cè)信號(hào)正常，否則認(rèn)為出現(xiàn)一次異常，如果異常持續(xù)一段時(shí)間，則認(rèn)為該項(xiàng)檢測(cè)不通過。

對(duì)于不同的信號(hào)，其門限規(guī)則也不同，需要根據(jù)實(shí)際情況靈活設(shè)置。有些信號(hào)只需要設(shè)置上下限，而有些必須是固定值，表達(dá)式如下：

x(t)≤xmax或x(t)≥xmin

(2)

x(t)=x*

(3)

信號(hào)門限技術(shù)在自動(dòng)檢測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。本文所設(shè)計(jì)的安控器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要在安控器電壓、電流的檢測(cè)中使用到該技術(shù)。被檢安控器采用直流27 V供電，電流最高不能超過2 A，根據(jù)信號(hào)門限技術(shù)，工作電壓V(t)應(yīng)滿足指標(biāo)：

27(1-10%)≤V(t)≤27(1+10%)

(4)

工作電流i(t)應(yīng)滿足指標(biāo)：

i(t)≤2

(5)

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 安控器簡(jiǎn)介

安控器獨(dú)立于靶機(jī)，能夠在靶機(jī)不受控、飛出任務(wù)區(qū)域或緊急情況下及時(shí)控制靶機(jī)墜毀，從而減少靶試試驗(yàn)安全隱患[6]。某型安控器的主要功能、策略如下：

1)安控區(qū)：安控區(qū)分為安控警戒區(qū)和安控預(yù)警區(qū)。安控警戒區(qū)是靶機(jī)執(zhí)行任務(wù)的區(qū)域，為簡(jiǎn)單凸多邊形；安控預(yù)警區(qū)由安控警戒區(qū)沿徑向向內(nèi)等距離收縮一段距離構(gòu)成；

2)安控信號(hào)：安控信號(hào)是安控器產(chǎn)生的DO信號(hào)，一共有2路。安控信號(hào)經(jīng)繼電器控制舵機(jī)離合器的供電。當(dāng)靶機(jī)需要墜毀時(shí)，安控器產(chǎn)生低電平安控信號(hào)控制繼電器斷開舵機(jī)離合器的供電，使得升降舵面處于自由狀態(tài)。升降舵面在彈簧的拉力作用下變?yōu)檎淖畲蠖婷?，從而使得靶機(jī)低頭、快速墜毀；

3)BD2/GPS定位信息：本文所涉及安控器有兩個(gè)定位信息源：安控BD2/GPS和飛控BD2/GPS，兩個(gè)定位信息源互為備份。安控器默認(rèn)使用安控BD2/GPS定位，當(dāng)安控BD2/GPS不定位持續(xù)10秒后，安控器自動(dòng)切換到飛控BD2/GPS定位；

4)自主安控：安控器利用BD2/GPS定位信息，以1秒為周期判斷靶機(jī)是否處于安控區(qū)內(nèi)。若靶機(jī)飛出安控區(qū)，安控器自動(dòng)產(chǎn)生安控信號(hào)，切斷舵機(jī)離合器電門，使靶機(jī)快速墜毀；否則不執(zhí)行安控；

5)安控復(fù)位：當(dāng)定位信息受到人為干擾或欺騙或靶機(jī)仍處于可控飛行狀態(tài)時(shí)，若人為判斷不需要執(zhí)行安控，則可通過遙控發(fā)送“安控復(fù)位”指令，經(jīng)機(jī)載測(cè)控至安控器。安控器收到“安控復(fù)位”指令后，計(jì)時(shí)器全部清零，狀態(tài)回到預(yù)警區(qū)內(nèi)狀態(tài)，該狀態(tài)持續(xù)1分鐘后，安控器重新進(jìn)行安控狀態(tài)判斷；

6)人工安控：人工安控功能是指安控器利用北斗短報(bào)文功能，接收地面上傳的“安控墜毀”指令。安控器接收到“安控墜毀”指令后，立即執(zhí)行安控、迅速墜毀。

安控器采用27 V直流供電，通過4路串口與飛控計(jì)算機(jī)、機(jī)載測(cè)控設(shè)備、北斗導(dǎo)航板以及地檢設(shè)備(負(fù)責(zé)監(jiān)控與裝訂)進(jìn)行信息交互，通過2路DO控制電門盒執(zhí)行安控功能。安控器接口關(guān)系如圖1所示，包括：

1)安控器與飛控計(jì)算機(jī)采用RS422串口通信，用于安控器與飛控計(jì)算機(jī)之間BD2/GPS定位信息的交互(簡(jiǎn)稱：飛控口)；

2)安控器與測(cè)控設(shè)備之間采用RS422通信，用于安控指令的接收、安控器狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)的發(fā)送(簡(jiǎn)稱：測(cè)控口)；

3)安控器與內(nèi)部北斗導(dǎo)航板采用RS232串口通信，用于BD2/GPS定位、北斗指令信息的接收(簡(jiǎn)稱：安控GPS口)；

4)安控器與地檢設(shè)備采用RS232串口通信，用于安控區(qū)裝訂、安控器工作狀態(tài)監(jiān)控以及程序更新等(簡(jiǎn)稱：地檢口)。

圖1 安控器接口示意圖

2.2 安控器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了全面檢測(cè)安控器功能和性能，安控器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)需要具備安控器供電控制、性能監(jiān)測(cè)、功能檢測(cè)以及檢測(cè)報(bào)告生成功能。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主要功能如下：

1)安控器供電控制。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)通過1路DO驅(qū)動(dòng)繼電器控制安控器的上電和斷電操作。檢測(cè)系統(tǒng)通過2路AD實(shí)時(shí)采集經(jīng)過信號(hào)調(diào)理的安控器的電壓、電流。若安控器上電瞬時(shí)電壓、瞬時(shí)電流、工作電壓、工作電流出現(xiàn)異常，則安控器立即斷電；

2)接口信息模擬。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)按照通訊協(xié)議模擬產(chǎn)生飛控計(jì)算機(jī)信息、北斗導(dǎo)航板信息，以提供動(dòng)態(tài)的安控BD2/GPS、飛控BD2/GPS定位信息，用于檢測(cè)安控器的串口接收、傳感器切換策略、安控判斷策略等功能。另外，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)按照通訊協(xié)議模擬產(chǎn)生測(cè)控設(shè)備信息、監(jiān)測(cè)與裝訂信息，實(shí)現(xiàn)遙控指令、地檢指令的發(fā)送；

3)周期性檢測(cè)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)通過串口實(shí)時(shí)接收安控器輸出的安控BD2/GPS信息、遙測(cè)信息、地檢信息，并對(duì)安控器各串口發(fā)送周期、數(shù)據(jù)連續(xù)性進(jìn)行綜合檢測(cè)。同時(shí)為了檢測(cè)安控器是否正確接收到BD2/GPS定位信息，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)需要對(duì)飛控BD2/GPS狀態(tài)、安控BD2/GPS狀態(tài)進(jìn)行周期性檢測(cè)。此外，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)周期性檢測(cè)2路安控信號(hào)，檢測(cè)其是否有誤動(dòng)作；

4)單項(xiàng)功能檢測(cè)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)需要依次檢測(cè)安控區(qū)存儲(chǔ)、自主安控、安控復(fù)位指令、安控墜毀指令等功能，尤其后三項(xiàng)檢測(cè)，檢測(cè)系統(tǒng)通過綜合分析遙測(cè)、地檢、安控信號(hào)等信息，檢測(cè)功能的邏輯合理性、正確性、時(shí)間準(zhǔn)確性；

5)檢測(cè)報(bào)告生成。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)通過1路串口以100 ms為周期向上位機(jī)發(fā)送檢測(cè)結(jié)果、故障碼等信息。上位機(jī)根據(jù)上述信息形成檢測(cè)報(bào)告，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，上位機(jī)顯示報(bào)警信息。同時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)通過2路DO控制1組LED燈顯示檢測(cè)結(jié)果。當(dāng)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)出故障時(shí)，控制紅色LED燈長(zhǎng)亮；當(dāng)所有功能檢測(cè)完畢且無故障時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)控制綠色LED長(zhǎng)亮。

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)接口關(guān)系如圖2所示，其中自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)包括檢測(cè)設(shè)備和上位機(jī)兩部分，檢測(cè)設(shè)備和上位機(jī)通過RS232串口進(jìn)行通信。檢測(cè)設(shè)備通過RS232串口與安控器的地檢口、安控GPS口進(jìn)行通信，通過RS422口與安控器的測(cè)控口和飛控口進(jìn)行通信。檢測(cè)設(shè)備通過2路DO控制1個(gè)紅色LED燈和1個(gè)綠色LED燈顯示檢測(cè)結(jié)果，通過1路DO控制安控BD2/GPS實(shí)物和模擬的切換，通過1路DO控制安控器的上電和斷電，通過2路AD通道采集調(diào)理過的安控器電壓、電流。檢測(cè)設(shè)備通過2路DI采集安控器安控信號(hào)，通過1路DI接收檢測(cè)開始信號(hào)。

圖2 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)接口關(guān)系

3 安控器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

安控器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是以主控芯片為核心，通過串口與安控器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通過AD、DI/DO等進(jìn)行信息采集與處理，通過主控芯片對(duì)所接收的數(shù)據(jù)和所采集的信息進(jìn)行運(yùn)算，得出檢測(cè)結(jié)果，逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)安控器的檢測(cè)。

安控器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件由主機(jī)板、串口板以及電源板組成。基于易于拆卸、方便維護(hù)的原則，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)硬件采用堆棧式架構(gòu)。使用時(shí)，主機(jī)板、串口板和電源板通過電源線以及信號(hào)總線相連。

其中主機(jī)板除了集成了主控芯片STM32F767ZIT6及其外圍電路，還外擴(kuò)一片模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADAS3022，該芯片用于采集安控器電壓、電流。

串口板上集成了8路通用串行接口。8路串口通過串口轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的RS232/RS422接口，分別用于與安控器的地檢口、測(cè)控口、飛控口、安控GPS口、上位機(jī)以及調(diào)試計(jì)算機(jī)等通信。

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)各部件供電電壓不相同，主控芯片STM32F767ZIT6采用3.3 V供電，外擴(kuò)ADAS3022模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用±15 V供電，安控器采用27 V供電。電源板的作用是將外接220 V交流電源轉(zhuǎn)換為所需電壓并進(jìn)行濾波處理，通過電源線為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)供電。

3.1 主機(jī)板設(shè)計(jì)

主機(jī)板的設(shè)計(jì)主要包括主控芯片選型和模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADAS3022的擴(kuò)展。

3.1.1 主控芯片選型

主控芯片是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件，主要負(fù)責(zé)向其他模塊發(fā)送測(cè)試信號(hào)，同時(shí)接收反饋信息[7]。本文選擇STM32F767ZIT6作為檢測(cè)系統(tǒng)的主控芯片，該芯片資源豐富，支持UART、SPI等多個(gè)接口，擁有豐富的定時(shí)器資源，能夠滿足設(shè)計(jì)需求。STM32F767ZIT6芯片自帶大容量FLASH芯片[8]，能夠滿足安控區(qū)的存儲(chǔ)要求，無需外擴(kuò)存儲(chǔ)器。

STM32F767ZIT6芯片采用3.3 V供電，部分外圍器件采用5 V供電，本文通過AMS1084芯片將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V實(shí)現(xiàn)外圍器件與主控芯片統(tǒng)一供電。5 V轉(zhuǎn)3.3 V原理圖如圖3所示。

圖3 電壓轉(zhuǎn)換原理圖

3.1.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換擴(kuò)展

模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊用于安控器電壓、電流的采集。由于STM32F767ZIT6處理器內(nèi)部ADC只有12位，不能滿足精度要求，所以本文在主控芯片外部擴(kuò)展一片高性能ADC芯片——ADAS3022高速低功耗模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片具有8個(gè)通道，內(nèi)置溫度傳感器，16位精度，能夠滿足設(shè)計(jì)需求[9]。為了達(dá)到低漂移、低噪聲和高精度目標(biāo)，本文使用ADR434作為ADAS3022芯片的外部基準(zhǔn)電壓源。ADAS3022數(shù)據(jù)輸入、輸出串行口兼容SPI總線，在芯片管腳上只占4根線，具有連接線少、擴(kuò)展性好的優(yōu)點(diǎn)[10]。本文將ADAS3022芯片掛載在主控芯片的SPI2總線上，硬件接口電路圖如圖4所示。

圖4 ADAS3022芯片擴(kuò)展原理圖

3.2 串口板設(shè)計(jì)

STM32F767系列芯片的串口遵循TTL電平邏輯，而安控器的串口采用RS232/RS422電平，為了實(shí)現(xiàn)兩者的互聯(lián)，需要進(jìn)行相應(yīng)的電平轉(zhuǎn)換[11]。本文設(shè)計(jì)基于MAX3232和MAX490轉(zhuǎn)換芯片的轉(zhuǎn)換模塊，分別將主控芯片TTL電平轉(zhuǎn)換為RS232和RS422電平[12]。

以UART轉(zhuǎn)換RS232為例，本文選用MAX3232作為轉(zhuǎn)換芯片，該芯片采用+3～+5.5 V單電源供電，耗電0.3 mA，相比傳統(tǒng)的MAX232芯片功耗更低[13]。MAX3232芯片可以轉(zhuǎn)換2路UART，STM32F767ZIT6的UART5與UART8電平轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。

圖5 電平轉(zhuǎn)換電路

3.3 電源板設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)一款專用的電源板為自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的各部件供電。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采用交流220 V供電，220 V交流電經(jīng)過成品AC/DC模塊轉(zhuǎn)換為27 V直流電供自動(dòng)將檢測(cè)系統(tǒng)各部件使用和二次電源轉(zhuǎn)換。

除了給安控器供電的27 V直流電，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)還需要給主控芯片STM32F767ZIT6的5 V供電以及給模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ADAS3022的±15 V供電。

5 V供電由27 V經(jīng)XR10/24S05型號(hào)DC/DC隔離寬電壓?jiǎn)坞娫茨K轉(zhuǎn)換得到，原理如圖6所示；±15 V供電由5 V經(jīng)115D5HFS型號(hào)單/雙輸出DC/DC電壓轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換得到，原理如圖7所示。

圖6 27 V轉(zhuǎn)5 V原理圖

圖7 5 V轉(zhuǎn)±15 V原理圖

4 自動(dòng)檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)檢測(cè)軟件為嵌入式軟件，負(fù)責(zé)控制自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)流程、分析處理檢測(cè)結(jié)果并將其輸出顯示[14]。

安控器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境為Keil uvision5。軟件采用模塊化編程，由初始化模塊、硬件底層接口模塊、自動(dòng)檢測(cè)模塊以及設(shè)置與監(jiān)控模塊組成。

其中，初始化模塊主要負(fù)責(zé)初始化用到的變量、參數(shù)以及系統(tǒng)硬件；硬件底層接口模塊給上層應(yīng)用提供調(diào)用底層硬件的驅(qū)動(dòng)與接口，便于開發(fā)；自動(dòng)檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)安控器性能和功能的自動(dòng)檢測(cè)；設(shè)置與監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)安控區(qū)的裝訂與回檢、檢測(cè)結(jié)果監(jiān)控等功能。

4.1 整體檢測(cè)流程

系統(tǒng)上電后，先初始化變量及硬件資源。系統(tǒng)初始化結(jié)束后，等待檢測(cè)開關(guān)按下，開關(guān)按下后開始給安控器供電，同時(shí)檢測(cè)上電瞬時(shí)電壓、電流，若無誤，則自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)開始模擬發(fā)送接口信息。開關(guān)按下10秒后開始進(jìn)行檢測(cè)，其中周期性檢測(cè)包括對(duì)安控器工作電壓、電流的檢測(cè)。如果檢測(cè)出故障，則控制安控器斷電、上報(bào)故障并結(jié)束檢測(cè)。整體檢測(cè)流程如圖8所示。

圖8 整體檢測(cè)流程

4.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)

ADAS3022是一款16位的逐次逼近型模數(shù)數(shù)據(jù)采集芯片，采用四線式數(shù)據(jù)接口，兼容SPI總線接口[15]。本文采用SPI串行通信方式，將ADAS3022掛載在主控芯片SPI2總線，讀寫時(shí)序由主控芯片的硬件自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

4.2.1 SPI和ADAS3022初始化

ADAS3022初始化時(shí)，需要配置SPI2總線和ADAS3022芯片，主要如下：

1)配置主控芯片跟SPI2有關(guān)的主機(jī)輸入從機(jī)輸出(MISO)、主機(jī)輸出從機(jī)輸入(MOSI)、串行時(shí)鐘(SCK)以及片選控制(CS)引腳，并開啟SPI2總線時(shí)鐘；

2)配置SPI2寄存器。STM32F767系列芯片與SP1總線有關(guān)的寄存器主要有控制寄存器(SPI_CR)、狀態(tài)寄存器(SPI_SR)以及數(shù)據(jù)寄存器(SPI_DR)，通過設(shè)置上述3個(gè)寄存器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)SPI總線的控制。本文配置主控芯片為主設(shè)備，ADAS3022為從設(shè)備。主設(shè)備配置為全雙工模式，傳輸數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為16位，傳輸時(shí)高位在前，數(shù)據(jù)接收與發(fā)送均配置為中斷方式，SPI2中斷服務(wù)函數(shù)負(fù)責(zé)將收到的數(shù)據(jù)存放到接收緩沖區(qū)以及將發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)放入數(shù)據(jù)寄存器并發(fā)送。與串口緩沖區(qū)類似，SPI2總線接收、發(fā)送也采用循環(huán)FIFO緩沖區(qū)。SPI總線一共有4種工作模式，為了保證數(shù)據(jù)正確地接收與發(fā)送，主設(shè)備和從設(shè)備需要配置為同一模式[16]，本文配置CPHA=0，CPOL=1，即空閑時(shí)時(shí)鐘極性為高電平，在時(shí)鐘的下降沿采樣數(shù)據(jù)；

3)配置ADAS3022芯片。ADAS3022通過16位控制字進(jìn)行配置，該控制字的每一位對(duì)應(yīng)一項(xiàng)配置，主要包括通道選擇、序列器選擇、基準(zhǔn)電壓源選擇以及SPI模式選擇等配置選項(xiàng)。本文使用ADAS3022芯片的通道0和通道1分別采集安控器電壓、電流(通過電阻轉(zhuǎn)換為電壓)，并開啟基本序列器依序重復(fù)掃描通道0和通道1。硬件設(shè)計(jì)中外接有低噪聲外接基準(zhǔn)電壓源，所以配置時(shí)禁用內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源。向ADAS3022寫控制字時(shí)按照該芯片時(shí)序圖，先寫入一個(gè)16位無效控制字，再寫入16位有效控制字。根據(jù)芯片時(shí)序圖，寫入有效控制字后，需要再寫入兩個(gè)bit15為0的16位數(shù)據(jù)ADAS3022芯片才會(huì)輸出有效數(shù)據(jù)。

4.2.2 數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

利用SPI傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，只有SPI主設(shè)備才能發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸[17]，所以讀取ADAS3022轉(zhuǎn)換結(jié)果時(shí)，主控芯片需要向從設(shè)備寫入數(shù)據(jù)。為了防止覆蓋ADAS3022原先的配置，寫入的數(shù)據(jù)第16位(bit15)設(shè)置為0，即保持當(dāng)前的配置設(shè)置。

4.3 串口模塊設(shè)計(jì)

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)安控器檢測(cè)依賴于串口收發(fā)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及連續(xù)性，所以串口模塊軟件設(shè)計(jì)應(yīng)保證串口接收與發(fā)送的穩(wěn)定。

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)主控芯片STM32F767ZIT6共有8路串口，包括4路通用異步收發(fā)器(UART)和4路通用同步/異步收發(fā)器(USART)。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)與安控器按照約定的通訊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。在通訊程序中，使用循環(huán)FIFO緩沖區(qū)來存放發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)。

4.3.1 串口配置

以下UART5為例介紹串口的配置。

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)使用UART5與安控器的安控口進(jìn)行通信，需要配置UART5波特率、起始位、數(shù)據(jù)位以及停止位。本文配置UART5為1個(gè)起始位、8個(gè)數(shù)據(jù)位、0個(gè)停止位，傳輸數(shù)據(jù)時(shí)低位在前高位在后，串口發(fā)送與接收都采用中斷方式。

4.3.2 通訊協(xié)議

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)與安控器要進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，雙方必須遵循一定格式的協(xié)議[18]。本文使用自定義的通訊協(xié)議，協(xié)議主要包括以下3個(gè)域：幀頭、有效數(shù)據(jù)以及校驗(yàn)位，其中校驗(yàn)位采用和校驗(yàn)，同時(shí)協(xié)議定義了幀長(zhǎng)、幀周期、各個(gè)域的長(zhǎng)度以及每一位的含義。

4.3.3 循環(huán)FIFO緩沖區(qū)

本文采用循環(huán)FIFO緩沖區(qū)作為串口的接收、發(fā)送緩沖區(qū)，每個(gè)循環(huán)FIFO緩沖區(qū)都有1個(gè)頭指針和1個(gè)尾指針。

以發(fā)送循環(huán)FIFO緩沖區(qū)為例，將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)放到頭指針指向的空間，存放完成后頭指針自動(dòng)加1，如果頭指針超過循環(huán)FIFO緩沖區(qū)界限，則將頭指針清零。待發(fā)送數(shù)據(jù)全部存入循環(huán)FIFO緩沖區(qū)后，開啟發(fā)送中斷。發(fā)送中斷服務(wù)函數(shù)中，將尾指針指向的數(shù)據(jù)賦值給串口發(fā)送寄存器，同時(shí)尾指針加1，如果尾指針超過循環(huán)FIFO緩沖區(qū)界限，則將尾指針清零。如果尾指針等于頭指針，說明緩沖區(qū)沒有數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)全部發(fā)送完成，則關(guān)閉發(fā)送中斷。

4.4 安控區(qū)裝訂/回檢檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

安控區(qū)是安控器正常工作的前提。安控區(qū)的裝訂回檢檢測(cè)包括自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)安控區(qū)的裝訂與回檢和安控器的裝訂與回檢兩部分。

4.4.1 自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)安控區(qū)裝訂與回檢

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)將安控區(qū)存儲(chǔ)在內(nèi)置FLASH上。FLASH存儲(chǔ)器是非易失性存儲(chǔ)器，具有單一電壓供電、可分扇區(qū)讀寫等特點(diǎn)[19]。自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)接收到上位機(jī)發(fā)送的安控區(qū)數(shù)據(jù)后自動(dòng)將安控區(qū)數(shù)據(jù)寫入內(nèi)置FLASH。待存儲(chǔ)完畢，上位機(jī)發(fā)送回檢指令，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)收到回檢指令后從FLASH指定地址讀取安控區(qū)數(shù)據(jù)并發(fā)回給上位機(jī)進(jìn)行比對(duì)。

4.4.1.1 內(nèi)置FLASH配置

使用FLASH前需要對(duì)FLASH進(jìn)行配置，本文配置內(nèi)置FLASH讀等待周期數(shù)為8個(gè)CPU周期，32位編程/擦除并行位數(shù)。由于FLASH不支持覆蓋寫，所以每次向FLASH寫入數(shù)據(jù)之前需要擦除寫入地址所在的扇區(qū)。

4.4.1.2 內(nèi)置FLASH存儲(chǔ)校驗(yàn)

大量數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)部之間進(jìn)行存儲(chǔ)和傳遞時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)尤為重要[20]。為了保證存入FLASH數(shù)據(jù)和讀取FLASH數(shù)據(jù)的一致性，需要對(duì)存入的數(shù)據(jù)使用校驗(yàn)。本文采用和校驗(yàn)的方式對(duì)存入FLASH的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)：將所有需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)按順序賦值給結(jié)構(gòu)體，在結(jié)構(gòu)體的最后增加一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)位，使用累加和校驗(yàn)。存儲(chǔ)時(shí)將數(shù)據(jù)與校驗(yàn)位一起存入FLASH，讀取數(shù)據(jù)時(shí)計(jì)算數(shù)據(jù)的校驗(yàn)和并與讀出的校驗(yàn)位進(jìn)行比較，如果校驗(yàn)通過則認(rèn)為存入與讀出的數(shù)據(jù)是一致的。

4.4.2 安控器的安控區(qū)裝訂與回檢

安控器的安控區(qū)裝訂與回檢與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的裝訂與回檢過程類似，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)先從FLASH中指定地址讀取安控區(qū)數(shù)據(jù)和校驗(yàn)位，校驗(yàn)通過后將安控區(qū)數(shù)據(jù)發(fā)送給安控器。待安控器裝訂完成自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)發(fā)送回檢指令給安控器并接收安控器發(fā)回的安控區(qū)數(shù)據(jù)。通過比對(duì)原數(shù)據(jù)與回檢數(shù)據(jù)檢測(cè)安控器的安控區(qū)裝訂與回檢功能。

4.5 自主安控檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

自主安控功能是安控器的核心功能，檢測(cè)該功能所涉及的指標(biāo)較多，需要結(jié)合北斗定位信息綜合分析測(cè)控?cái)?shù)據(jù)、安控信號(hào)等信息，從而得出結(jié)論。檢測(cè)該功能時(shí)可以分為以下兩個(gè)步驟：

1)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)通過安控GPS模擬口定時(shí)發(fā)送模擬安控GPS數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀中的緯度信息每一幀大約增加0.000 25°，經(jīng)度保持不變，模擬靶機(jī)以大約280 m/s的速度向正北方向飛行，飛控?cái)?shù)據(jù)幀作同樣處理，通過飛控模擬口發(fā)送給安控器；

2)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)接收并提取測(cè)控?cái)?shù)據(jù)中的安控狀態(tài)變量，記錄安控狀態(tài)的變化，理想情況下安控狀態(tài)依次為“預(yù)警區(qū)內(nèi)”、“預(yù)警區(qū)外”、“警戒區(qū)外”以及“執(zhí)行安控”。當(dāng)靶機(jī)飛出安控警戒區(qū)外10秒后，采集安控器的2路安控信號(hào)，如果安控信號(hào)正常且實(shí)際安控狀態(tài)與理想安控狀態(tài)一樣，則認(rèn)為該功能正常，否則認(rèn)為該功能故障。具體檢測(cè)流程如圖9所示。

圖9 自主安控檢測(cè)流程圖

4.6 安控復(fù)位與人工安控檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)

安控復(fù)位功能與人工安控功能都是采取自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)模擬發(fā)送“安控復(fù)位”指令或者“安控墜毀”指令的方式進(jìn)行檢測(cè)。

4.6.1 安控復(fù)位檢測(cè)

檢測(cè)安控復(fù)位功能時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)先通過測(cè)控口發(fā)送模擬“安控復(fù)位”指令，發(fā)送指令后等待500毫秒，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)接收并提取測(cè)控?cái)?shù)據(jù)中的指令接收回報(bào)、指令執(zhí)行回報(bào)和安控復(fù)位狀態(tài)，如果指令接收回報(bào)與指令執(zhí)行回報(bào)均顯示“安控復(fù)位”，且安控復(fù)位狀態(tài)持續(xù)時(shí)間不少于1分鐘則認(rèn)為安控復(fù)位檢測(cè)通過，否則認(rèn)為該功能故障。

4.6.2 人工安控檢測(cè)

與安控復(fù)位檢測(cè)類似，檢測(cè)人工安控功能時(shí)，自動(dòng)檢測(cè)先通過安控口發(fā)送模擬“安控墜毀”指令，發(fā)送指令后等待1秒，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)采集安控信號(hào)，同時(shí)接收并提取以下狀態(tài)：

1)測(cè)控?cái)?shù)據(jù)中的指令接收回報(bào)、指令執(zhí)行回報(bào)和安控狀態(tài)；

2)飛控?cái)?shù)據(jù)中的安控停車狀態(tài)。

如果滿足以下4項(xiàng)：

1)指令接收回報(bào)與指令執(zhí)行回報(bào)均為“安控墜毀”；

2)安控狀態(tài)為安控墜毀；

3)安控停車狀態(tài)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行停車指令；

4)安控信號(hào)為低電平。

則認(rèn)為人工安控功能檢測(cè)通過，否則認(rèn)為該功能故障。

5 系統(tǒng)測(cè)試與分析

自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)研制完成后，對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試。首先將安控器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)、安控器以及上位機(jī)按照?qǐng)D2所示方式進(jìn)行連接。為了排除系統(tǒng)中的不穩(wěn)定因素，提高測(cè)試的覆蓋性，測(cè)試分為兩類，第一類測(cè)試選用狀態(tài)正常的安控器樣機(jī)作為被測(cè)對(duì)象，使用自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行全自動(dòng)檢測(cè)并記錄檢測(cè)結(jié)果；第二類測(cè)試在第一類的基礎(chǔ)上，對(duì)部分檢測(cè)項(xiàng)目采用故障注入的方法模擬真實(shí)的故障情形。嵌入式系統(tǒng)常用的故障注入方法有基于硬件的故障注入、基于模擬的故障注入以及基于軟件的故障注入[21]。對(duì)于串口輸出狀態(tài)檢測(cè)、地檢功能檢測(cè)、安控GPS模擬檢測(cè)以及飛控GPS檢測(cè)，本文采用基于硬件的故障注入方式注入故障，如斷開相應(yīng)串口；對(duì)于安控區(qū)裝訂回檢檢測(cè)、安控復(fù)位檢測(cè)、自主安控檢測(cè)以及人工安控檢測(cè)等不適合注入硬件故障的檢測(cè)，本文采用基于軟件的故障注入方式注入故障。經(jīng)過大量測(cè)試，第一類測(cè)試全部通過，其中部分檢測(cè)結(jié)果如表1所示，第二類測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表1 正常條件下檢測(cè)結(jié)果

表2 故障注入檢測(cè)結(jié)果

由表1可知，對(duì)于功能正常的安控器，經(jīng)過300次實(shí)際測(cè)試后，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)都能檢測(cè)通過。然而檢測(cè)次數(shù)相對(duì)較少，樣本總量不夠大，無法得出該檢測(cè)系統(tǒng)的虛警率等指標(biāo)，所以在后續(xù)開發(fā)及使用中需要繼續(xù)關(guān)注檢測(cè)系統(tǒng)自身的故障率，以便估算出系統(tǒng)的虛警率指標(biāo)。

從表2可知，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠檢出注入的故障并自動(dòng)完成安控器各項(xiàng)功能的檢測(cè)，所有檢測(cè)項(xiàng)目單次消耗時(shí)間最多不超過5分鐘，相比人工檢測(cè)方式，所需時(shí)間大大減少。

上述大量分類測(cè)試和考機(jī)表明，本文所研制的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)安控器的全自動(dòng)檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)中的故障項(xiàng)準(zhǔn)確識(shí)別并告警，達(dá)到了預(yù)期的檢測(cè)要求。

6 結(jié)束語

安控器是靶機(jī)安控系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，對(duì)保障靶機(jī)安全完成飛行任務(wù)意義重大，因此，安控器檢測(cè)必須高度重視。本文設(shè)計(jì)的安控器全自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一鍵式、全自動(dòng)、全面的功能性能檢測(cè)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證表明：該系統(tǒng)完全滿足某型靶機(jī)安控器的檢測(cè)需求，同時(shí)極大程度提高了檢測(cè)效率，已初步具備工程化應(yīng)用條件。