|
火箭炮配電箱在火箭炮作戰任務完成過程中起著極其重要的作用，它主要對火箭炮的高低和方向調炮及左右千斤頂放列、撤收進行配電控制。目前，火箭炮配電箱使用的控制器件仍是傳統的接觸器，這類器件觸點在切換過程中極容易出現觸點發熱、粘接、卡死，造成配電動作失敗，存在故障隱患時難以發現;同時，配電箱為減小大功率電機啟動時的沖擊電流，采用串聯啟動電阻限流的方法，當電機過載時，極易燒壞啟動電阻，造成配電箱無法工作，這些問題嚴重影響了配電箱的可靠使用，直接影響火箭炮作戰任務的完成。基于此，亟需改進火箭炮現有配電箱，設計新型智能配電箱來解決現有配電箱存在的問題，使火箭炮配電朝著自動化和智能化方向轉變。配電控制模塊是智能配電箱的控制單元，本文基于LPC2119設計配電控制模塊。 配電控制模塊總體設計 智能配電箱主要由配電控制模塊、智能配電模塊、CAN總線通信模塊和LIN總線通信模塊等組成。配電控制模塊是智能配電箱的控制單元，主要負責管理智能配電模塊，監控用電負載的運行狀態，同時通過雙CAN冗余通道與上位機進行數據通信，實現火箭炮配電箱的數字化、智能化管理。配電控制模塊結構組成如圖1所示，它以嵌入式微處理器LPC2119為控制核心，主要由CAN收發器、LIN收發器、輸入接口、輸出接口和電源模塊等組成。 圖1配電控制模塊結構組成圖 配電控制模塊選用ARM7TDMI版本的LPC2119微處理器作為控制核心，該微處理器將許多外圍功能集成到了芯片內部，性價比高;選用存儲器FM24C64存儲智能配電模塊的配置參數信息;配電控制模塊各種通信接口由專用的接口芯片來負責處理;CAN總線接口主要負責與上位機進行信息交互，LIN總線接口主要負責控制和管理智能配電模塊;串口部分主要預留系統升級、信息配置、讀取及修改等。 配電控制模塊上電后，從存儲器中讀取配電箱配置信息，根據信息對智能配電模塊進行核對和識別，完成信息分配初始化工作;實時掃描智能配電模塊輸出電流、電壓和溫度參數，響應CAN總線顯示控制命令，上傳配電箱工作狀態信息至上位機。配電控制模塊主要性能包括：①通訊協議采用CAN 2.0B，具有兩路CAN通訊接口，實現CAN總線的冗余備份;②具有LIN通訊接口，通訊協議采用LIN 2.0，實現對所有智能配電模塊的控制;③自動識別智能配電模塊，進行模塊參數自動下載，方便快速更換、維修智能配電模塊;④上位機通過CAN總線可以訪問配電控制模塊，實現對智能配電箱的維護和檢修;⑤微處理器通過CAN總線可以上傳配電狀態參數和配電箱故障信息等。 微處理器LPC2119選型 嵌入式微處理器是配電控制模塊的核心部件。本文在綜合考慮CAN總線和LIN通信要求，以及處理器性價比、功能完善等方面因素的基礎上，選擇Philips公司的LPC2119微處理器作為配電控制模塊的核心。LPC2119是一個支持實時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S核，并帶有128K片內FLASH、16K SRAM、雙CAN總線控制器、片內Boot裝載程序實現ISP和IAP、2個UART通用串口等。LPC2119滿足本設計對存儲、CAN總線和LIN總線的收發以及參數設置等需求，并且雙CAN總線控制器為系統的冗余設計提供了方便，LPC2119將處理器內核與CAN控制器模塊集成在一起，增強了該芯片的功能，不僅使CAN總線的通訊具有更高的可靠性，而且在硬件電路設計時不需再考慮選用何種CAN控制器，只需增加CAN收發器即可實現CAN總線通信，簡化了硬件結構，降低了成本。 存儲器電路設計 本設計選用存儲器FM24C64存儲智能配電模塊的配置參數信息，FM24C64是采用先進的鐵電技術制造的64K位非易失性存儲器。鐵電隨機存儲器(FRAM)具有非易失性，且可以像RAM一樣快速讀寫，數據在掉電后可以保存十年，相比EEPROM或其他非易失性存儲器，FRAM具有可靠性高、結構簡單等諸多優點。與EEPROM系列不同的是，FM24C64以總線速度進行寫操作，無須延時，數據發到FM24C64后直接寫到具體的單元地址，下一個總線操作可以立即開始。FM24C64可以支持1萬億次讀寫次數，是EEPROM的1百萬倍。 FM24C64非易失性鐵電隨機存儲器的特性包括：①工作電壓為5V;②動態工作電流為150μA;③總線速度可以達到1MHz;④可以直接替換EEPROM;⑤向上兼容100K和400K總線速度。這些特性使得FM24C64滿足配電控制模塊非易失性要求，使存儲具有更快的寫操作速度和更少的系統開銷。FM24C64采用工業標準兩線接口，8腳SOP封裝，操作溫度范圍為-40℃~+85℃。配電控制模塊采用鐵電存儲器FM24C64(8KB)，主要是作為數據存儲器，FM24C64與LPC2119的電路連接如圖2所示。 圖2 FM24C64與LPC2119的電路連接圖 圖3 MAX3232與LPC2119的電路連接圖 RS232通信接口電路設計 RS232標準是美國電子工業聯合會制定的一種串行物理接口標準，廣泛應用于計算機與終端或外設之間的近端連接。實際工作時，為了能夠與TTL器件連接，必須在RS232與TTL電路之間進行電平和邏輯關系的轉換;輸出、輸入信號都要分別經過電平轉換器，進行電平轉換后才能送到連接器或從連接器上接收。本配電控制模塊選用電平轉換芯片MAX3232進行電平轉換，MAX3232芯片與LPC2119的電路連接如圖3所示。LPC2119內部集成2個的通用異步收發器UART單元，提供了兩個獨立的異步串行I/O口。MAX232內部有電壓倍增電路和轉換電路，只需3.3V電源便可實現TTL電平與RS232電平的轉換，設計簡單、可靠性高。 CAN總線接口電路設計 CAN控制器是CAN通信的核心，CAN的通信底層協議的轉換主要由CAN控制器和CAN收發器實現。對于不同型號的CAN總線通信控制器，實現底層協議部分的電路結構和功能基本相同，而與微處理器接口部分的結構和方式存有不同。 在本配電控制模塊的CAN總線通信接口中采用CTM1050T總線接口模塊。CTM1050T為隔離型CAN收發器模塊，內部包含隔離電路、CAN收發器、總線保護和電源電路，CTM1050T主要是將CAN控制器的邏輯電平轉換為CAN總線的差分電平，且具有隔離功能、ESD保護功能以及TVS管防總線過壓功能。CTM1050T是CAN協議控制器和物理總線之間的接口。CAN總線接口電路如圖4所示，LPC2119與CTM1050T模塊構成的CAN節點具有設計簡單、穩定可靠的特點，能夠實現CAN總線上各節點在電氣、電源上完全隔離和獨立。由圖4可知，在設計過程中CTM1050T與CAN總線的接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。為了保護CTM1050T免受過流的沖擊，CTM1050T的CANL和CANH引腳各自通過一個5Ω的電阻和濾波電感與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用;為了濾除總線上的高頻干擾和預防電磁輻射，CANL和CANH與地之間并聯了兩個30P的小電容。當CAN總線有較高的電壓時，通過二極管的瞬態擊穿可起到一定的過壓保護作用，因此，在兩根CAN總線接入端與地之間分別反接了一個保護二極管。CTM1050T模塊的TXD、RXD引腳兼容+3.3V、+5V的CAN控制器，不需外接其他元器件，直接將+3.3V或+5V的CAN控制器發送、接收引腳與CTM1050T模塊的發送、接收引腳相連接。 圖4 CAN總線接口電路圖 LIN總線接口電路設計 在配電控制模塊的LIN總線通信接口中采用TJA1020作為總線數據收發器件，TJA1020收發器是LIN傳輸媒體之間的接口協議控制器和LIN主機/從機協議控制器，配電控制模塊充當LIN網絡的主節點，通過UART1串口連接到LIN收發器TJA1020，然后再由TJA1020連接到LIN物理總線上。TJA1020輸入引腳TXD的發送數據流被LIN收發器轉換成總線信號并且電平翻轉速率和波形都受到限制，以減少電磁輻射。TJA1020的接收器檢測到LIN總線上的數據流并通過RXD引腳將它傳送到協議控制器。LIN收發器TJA1020的主要特性是：①波特率最高達20kbps;②高抗電磁干擾性，極低的電磁發射;③未通電狀態下的無源特性;④在睡眠模式下電流消耗極低，可實現本地或遠程喚醒;⑤短路保護和過熱保護等。本設計采用LPC2119處理器的UART1作為LIN總線通訊接口，選用TLP113高速光耦進行信號隔離傳輸，LIN總線接口電路如圖5所示。 圖5 LIN總線接口電路圖 圖6 +15V控制電源電路圖 控制電源電路設計 根據配電控制模塊的工作要求，模塊需要電源提供+15V、+3.3V以及+1.8V的電壓。在進行配電控制模塊所需的+15V電源電路設計時，為提高電源穩定性，選用COSEL的電氣隔離型SFS152415 DC/DC電源模塊，+15V控制電源電路如圖6所示。 +3.3V和+1.8V電源電路如圖7示，分別選用3.3V和1.8V的SPX1117系列線性穩壓芯片得到模塊需要的+3.3V和+1.8V電源，選用COSEL的SUS32405型號DC/DC電源模塊控制電源電氣隔離，以提高電源系統的抗干擾能力。 圖7 +3.3V和+1.8V控制電源電路圖 結束語 本文基于LPC2119微處理器設計了配電控制模塊，首先給出了配電控制模塊的總體設計，然后介紹了微處理器LPC2119的選型，最后闡述了模塊的電路設計，包括存儲器電路、RS232通信接口電路、CAN總線接口電路、LIN總線接口電路以及控制電源電路。該配電控制模塊為火箭炮武器裝備數字化、自動化和智能化奠定了基礎，在武器裝備配電領域具有廣闊的應用前景。 |
