一种用于观瞄系统的指令分发与处理电路板设计

顾小兴，车喜林，李逸飞，丰传方，李强

（浙江华东光电仪器有限公司科研技术部，浙江嘉兴,314011）

随着电子行业的快速发展，对武器装备的信息化要求也越来越高。产品功能的实现需要和很多不同厂商的设备模块进行数据交互[1-6]。现有设备接口一般比较固定无法更改，在增加外设的情况下，如果增加设备接口则会导致成本过大且无法适应外设的增加需求。为此，本文设计了一种用于武器观瞄系统的指令分发与处理电路板（以下简称通讯板）。此电路采用STM32F407VET6作为主控芯片，设计了5路422通信接口，满足多个不同协议模块与电路之间的通讯要求，同时还具有温度采集和继电器控制功能[7-10]。STM32F407VET6芯片具有内嵌向量中断控制器，只需配置好中断优先级，就可以解决多设备在同一时间交互数据的冲突问题。通讯板方便调试，易于兼容新的厂商的设备，降低了设备更换成本，提高了系统的可扩展性。

通讯板可同时接收4台设备指令，并将接收到的指令进行整理、解析、再编码统一指令格式之后，通过第5路接口发送至上位机。还可对上位机下发的指令进行识别、分类，处理成目的设备的指令格式并下发。同时，可采集观瞄系统的机壳温度，根据设定温度预设值控制继电器的开合。通讯板的系统框图可见图1。

图1 系统框图

STM32F407VET6作为主控芯片，需要实时处理5个串口接收的回传信息，完成多设备交互的任务，同时还需要采集温度，在满足条件时，控制继电器对观瞄系统的观察玻璃进行除霜。由于各串口数据量比较大，需要配置好各串口中断的优先级，避免出现数据丢失、指令无响应等情况。

2.1 电源电路

采用REG1117-3.3低压差线性稳压芯片为单片机提供稳定的3.3V电压，该芯片可接受4.75V～12V的宽电压输入范围，最大负载电流为1A，静态电流仅为10mA，可实现低功耗待机模式。电路原理图如图2所示。

图2 电源转换电路

2.2 STM32最小系统

STM32F407VET6拥有6个USART（Universal Synchronous/Asynchronous Rec-eiver/Transmitter，通用同步/异步串行接收/发送器）、512Kb的FLASH以及82个I/O口，主频高达168MHz，可满足众多指令的快速解析与分发。下载及调试采用四线制的SWD（Serial Wired Dubug，串行调试）方式，以节约I/O口资源。最小系统如图3所示。为确保在恶劣环境下还可正常烧录程序，通讯板在SWD接口处给SWDIO（Serial Wired Dubug I/O，串行调试输入输出口）接口加一个上拉电阻，在SWCLK（Serial Wired Dubug Clock，串行调试时钟接口）加一个下拉电阻。

图3 最小系统原理图

2.3 串口通讯

观瞄系统一般工作于较为恶劣的环境下，TTL（Transistor-Transistor Logic，晶体管-晶体管逻辑电平）电平会受到比较严重的干扰，造成乱码或者丢失数据的情况，所以通讯板采用RS-422标准接口进行串口通信。RS-422全称是“平衡电压数字接口电路的电气特性”，由于RS-422标准只定义了接口电路的特性，没有对数据格式进行统一的标准定义，使得RS-422标准使用起来非常灵活。

在通讯板中，采用MAX491作为RS-422通讯芯片，该芯片供电电压为5V，最高传输速率可达2.5Mbps，有一对相互独立的发送器和接收器，可以实现全双工通讯。可兼容3.3V和5V的信号输入电压，当接收到STM32芯片的串口数据后，可立即转换成RS-422标准的电压信号对外输出。同样，从外部接收到差分数据后，也立刻转换成TTL电平输入至STM32芯片。

MAX491内部结构图如图4所示。图中，和DE为接收器和发送器的使能信号，当不使能时，差分信号端为高阻态。此功能适用于单独使用MAX491芯片的接收或者发出，亦或者是多个芯片共用一个单片机串口的情况时，可配合使能信号使用。RO和DI为串口信号输入、输出端；
A/B和Y/Z为差分信号的输入、输出端。

图4 MAX491内部结构图

MAX491电路原理图如图5所示。在差分信号端的正负极之间并联一个120Ω匹配电阻，可实现最长1km的传输距离。

图5 MAX491原理图

2.4 测温电路

测温电路采用DS18B20数字化温度传感器，该传感器具有“一线总线”接口，测温范围为-55℃～+125℃，精度为±0.5℃，供电电压为3V～5.5V。如图6所示，1脚为供电端，2脚为数据端，直接连接在单片机的I/O口，由于传感器的数据的输出模式是开漏输出，所以需要接一个上拉偏置电阻。

图6 DS18B20原理图

2.5 继电器电路

通讯板采用欧姆龙G5LE系列继电器。电路图如图7所示。STM32通过控制三极管的导通/关断来控制继电器的通断，在继电器的控制端并联一个续流二极管，防止烧坏三极管和继电器。

图7 继电器原理图

通讯板软件开发环境为Keil μVision5，使用C语言编写。秉承低耦合、高内聚的原则，提高程序的可移植性和可读性，便于优化、维护。初始化部分包括：时钟、5个USART及其中断配置、GPIO（General-purpose input/output，通用型输入/输出端口）、独立看门狗、温度传感器。

通讯板的软件系统流程图如图8所示。在接收到上位机发送的指令后，进行指令预处理和分发：1）将从上位机接收的指令进行重新编码后分发至其他模块；
2）接收到模块回传的信息进行处理后发送至上位机；
3）设置温度预设值，并存入FLASH；
4）可根据上位机的指令，开启串口数据透传功能，将模块回传的数据不经过任何处理，仅改变波特率，直接传给上位机。

图8 系统软件流程图

通讯板的主程序中协议判断与分发部分主要采用ifelse-if结构。在大量、快速的指令接收过程中，有一定概率会产生接收数组数据错位的情况，处理方法是在主程序中添加一段5ms的延时程序即可解决。对于STM32系列的微控制器在发送数据时，第一个字节会缺失，针对通讯板的处理方法是在发送数据前，等待发送完成标志位USART_FLAG_TC为0后，再开始发送数据，随后即可完整传输数据。

继电器用于控制观瞄系统加热装置的开启/关断。在天气寒冷时，观瞄镜玻璃会产生雾气，可通过温度传感器采集机壳温度，当温度达到预设值（通讯板阈值温度为15℃）后，继电器闭合，加热装置工作，从而达到除霜的目的。电路板实物图如图9所示。

图9 电路板实物图

如图10(a)所示，用串口模拟上位机发送指令“CC 01 05 35 7A FF”至通讯板，通讯板先回复上位机一个应答指令“CC 05 01 35 7A FF”通讯板提取有用数据，并整理成相应指令格式下发至对应设备，如图10(b)所示的“77 35 7A AA”。

图10 上位机发送指令功能验证

如图11(a)所示，用串口模拟下位机给通讯板发指令，通讯板接收后，将有用信息整理成上位机需要的指令格式并发送。整理后的协议如图11(b)所示。

图11 下位机发送指令功能验证

通讯板作为上位机与其它模块之间的桥接器，分担了上位机处理数据的负担，还可统一将各种模块不同波特率、不同协议格式的数据整理成上位机所需要的格式与传输方式，如果中间某个模块需要更换其他厂家的设备，也只需要在软件中更改部分代码即可，降低了更换设备模块的成本。