某型防空指揮系統(tǒng)是一個以微型計(jì)算機(jī)為核心的模塊化和節(jié)點(diǎn)化設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。全系統(tǒng)由6種基本工作站組成，組成了比較完整的防空作戰(zhàn)情報(bào)指揮系統(tǒng)，主要用于空中目標(biāo)情報(bào)的快速采集、處理和傳遞，實(shí)現(xiàn)實(shí)時有效的射擊指揮及辦公自動化。由于各工作站所要完成的工作都較復(fù)雜，安裝、搭載的軟件和設(shè)備也都很多，因此工作站的計(jì)算機(jī)上普遍裝有多個硬盤，并按照功能的分類裝有不同的系統(tǒng)，在使用時，根據(jù)需要對系統(tǒng)進(jìn)行選擇和系統(tǒng)間的切換。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展和軍事變革的不斷推進(jìn)，在應(yīng)用時對系統(tǒng)選控的實(shí)時性、可靠性和操控性都提出了更高的要求，傳統(tǒng)的控制手段已不能滿足新的需要?；诖嗽撐脑O(shè)計(jì)了一種由固態(tài)繼電器和單片機(jī)構(gòu)成的控制單元。該控制單元能夠利用固態(tài)繼電器的斷開和導(dǎo)通控制計(jì)算機(jī)中硬盤的斷電和上電。固態(tài)繼電器功耗較小，且多使用直流電源，是一種性能優(yōu)良、通用性強(qiáng)、體積小、工作可靠的元器件。利用這種元器件設(shè)計(jì)的控制單元有著廣泛的應(yīng)用范圍和良好的使用前景。
目前，單片機(jī)以其成本低、使用靈活、實(shí)時性強(qiáng)、具有一定的智能性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)的控制領(lǐng)域和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中。但對于某些復(fù)雜任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，如大數(shù)據(jù)量的計(jì)算、人機(jī)對話等，單片機(jī)卻無法勝任。相反，PC機(jī)在這方面卻有著較強(qiáng)的優(yōu)勢。因此，將它們進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，組成一個完善的系統(tǒng)就顯得非常有必要了。在系統(tǒng)中，單片機(jī)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的采集和執(zhí)行單元的控制，PC機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理的功能，這時就涉及到了一個單片機(jī)與PC機(jī)之間通信的問題。在單片機(jī)和PC機(jī)之間進(jìn)行高速、可靠的通信，目前較為流行的方式是采用串行通信方式。根據(jù)某型防空指揮系統(tǒng)通信距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)，本系統(tǒng)選用RS 485標(biāo)準(zhǔn)作為主要的通信方式。
在遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)中，控制指令一般通過數(shù)據(jù)總線進(jìn)行傳輸，而通信距離在幾十米到上千米的遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)現(xiàn)在通常采用RS 485總線標(biāo)準(zhǔn)。RS 485標(biāo)準(zhǔn)定義了一個基于單對平衡線的多點(diǎn)、雙向(半雙工)通信鏈路，提供了高噪聲抑制、高傳輸速率、長傳輸距離、寬共模范圍和低成本的通信平臺。
1 系統(tǒng)的組成及戰(zhàn)技指標(biāo)
作為某型防空指揮系統(tǒng)的子系統(tǒng)，本遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)由一臺PC機(jī)，若干個控制單元，以及連接PC機(jī)和控制單元的數(shù)據(jù)線組成，每個控制單元又分別對應(yīng)三個受控對象，即三個硬盤。其中控制單元主要由單片機(jī)和繼電器兩部分構(gòu)成，完成對主控機(jī)發(fā)出指令的接收、分析、處理，和對硬盤的控制等功能。工作原理如下：本系統(tǒng)采用半雙工主從通信方式，有一臺主機(jī)和多臺從機(jī)，主從機(jī)之間通過RS 485總線進(jìn)行由主機(jī)到從機(jī)的單向通信，且各從機(jī)之間互不通信。從機(jī)在讀取信息后，對其進(jìn)行分析、判斷，繼而完成相應(yīng)的控制功能。其結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。
本文所提出的控制系統(tǒng)方案是基于RS 485的有線傳輸，最大傳輸距離可達(dá)1．2 km，數(shù)據(jù)速率為1 200／2 400 b／s，誤碼率小于等于1×10-6，系統(tǒng)反應(yīng)時間小于等于2 s。某型防空指揮系統(tǒng)中，各站間的距離最大可達(dá)50 km，當(dāng)傳輸距離超過了有線通信的最大值時，可采用數(shù)傳電臺等無線通信的方法代替。當(dāng)傳輸距離在有線傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)時，宜采用有線傳輸，以降低誤碼率。
2 系統(tǒng)主要芯片。
2．1 C8051F020的性能特點(diǎn)
CYGNAL的C8051F020是集成模擬、數(shù)字信號于一體的混合信號系統(tǒng)級SoC單片機(jī)。與目前常用的51系列單片機(jī)指令集完全兼容具有64個數(shù)字I／O引腳。它采用Cygnal公司的專利CIP-51微處理器內(nèi)核，完全能夠滿足使用需要。
其主要特性如下：
(1)高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS)。
(2)真正12位、100 KSPS的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)。
(3)兩個12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式。
(4)64 KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器。
(5)可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口。
(6)硬件實(shí)現(xiàn)的SPI，SMBus／I2C和2個UART串行接口。
(7)5個通用的16位定時器。
(8)具有5個捕捉／比較模塊的可編程計(jì)數(shù)器／定時器陣列。
(9)片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。
2．2 MAX485性能特點(diǎn)
C8051F020是低功耗產(chǎn)品，在選擇芯片時應(yīng)優(yōu)先選擇3 V供電的芯片。為了實(shí)現(xiàn)C8051F020與主機(jī)的通信，本系統(tǒng)選用MAXIM公司的MAX485作為RS 485到TTL的電平轉(zhuǎn)換器，其引腳結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。
MAX485接口芯片是MAXIM公司的一種RS 485芯片，采用單一電源+5 V工作，額定電流為300μA，采用半雙工通訊方式，它完成將TTL電平與：RS 485電平之間轉(zhuǎn)換的功能。
3 接口電路
PC機(jī)有一個功能強(qiáng)大的可編程異步串行控制器8250和兩個采用RS 232C串行通信標(biāo)準(zhǔn)的接口COM1，COM2，而單片機(jī)中有一個TTL電平的可編程串口，采用RS 485進(jìn)行串行通信，目前常用的方法是將RS 232接口轉(zhuǎn)換成RS 485接口，然后用RS 485進(jìn)行長距離、高速的串行異步通信。利用PC現(xiàn)有的RS 232接口，本系統(tǒng)選用專用的RS 232／485轉(zhuǎn)換芯片S2 485實(shí)現(xiàn)232到485的轉(zhuǎn)換，在進(jìn)行完傳輸后，再通過MAX485實(shí)現(xiàn)TTL與RS 485之間的轉(zhuǎn)換。電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
C8051F020單片機(jī)內(nèi)集成了多種數(shù)字部件，它通過優(yōu)先權(quán)交叉開關(guān)譯碼器，按優(yōu)先權(quán)順序?qū)⒍丝?～3的引腳分配給數(shù)字外設(shè)，本系統(tǒng)中要用到UART0通用串口和PC機(jī)相連，該通用串口需要占用兩個通用引腳，根據(jù)優(yōu)先級順序?qū)0．0和P0．1引腳分配給UART0。
在應(yīng)用時，將RS 485總線的兩條數(shù)據(jù)線分別接至MAX485的A、B兩端，將RO經(jīng)過反相器后接至單片機(jī)的P0．1(即RX0)引腳。半雙工通信方式在任何時刻只能有一方處于發(fā)送狀態(tài)，所以將控制端RE和DE短接后接至單片機(jī)的P2．1引腳即可實(shí)現(xiàn)對MAX485通信方式的選擇。此外，由于主機(jī)發(fā)出的信號是從TTL先轉(zhuǎn)成RS 232，再由RS 232轉(zhuǎn)換成RS 485標(biāo)準(zhǔn)的，而從機(jī)在接收時，是將RS 485電平直接轉(zhuǎn)換成了TTL電平，所以需要在單片機(jī)與MAX485之間加反相器，才能還原相位正確的信號。本系統(tǒng)還采用光隔電路，在無信號傳輸時將MAX485和單片機(jī)進(jìn)行隔離，減小了各器件間可能存在的干擾。
4 繼電器控制電路
固態(tài)繼電器(又名固體繼電器，Solid State Relay，SSR)是用分離的電子元器件、集成電路及混合微電路技術(shù)結(jié)合發(fā)展起來的一種具有繼電特性的無觸點(diǎn)式電子開關(guān)。較之其他工作方式的繼電器，固態(tài)繼電器具有壽命長、可靠性高、開關(guān)速度快、電磁干擾小’、無噪聲、無火花等特點(diǎn)。
4．1 固態(tài)繼電器原理分析
固態(tài)繼電器是采用半導(dǎo)體器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)電接點(diǎn)作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點(diǎn)開關(guān)器件，為四端有源器件，其中兩個輸入控制端，兩個輸出端，輸入輸出之間為光隔離，輸入端加上直流或脈沖信號到一定電流值后，輸出端就能從斷態(tài)轉(zhuǎn)變成通態(tài)，從而接通交流或直流電路。
固態(tài)繼電器就相當(dāng)于一個無觸點(diǎn)的開關(guān)，如圖4所示，通過對輸入控制端信號的給定，對交流或直流電源的通斷進(jìn)行控制。
4．2 固態(tài)繼電器構(gòu)成的控制系統(tǒng)
本系統(tǒng)中，每臺從機(jī)上所搭載各硬盤的數(shù)據(jù)線均與PC機(jī)的主板相連。主控機(jī)發(fā)出指令后，由安裝在從機(jī)內(nèi)的控制單元進(jìn)行接收，并通過控制固態(tài)繼電器來完成對目標(biāo)硬盤電源的驅(qū)動，從而實(shí)現(xiàn)硬盤的選擇功能。在無控制信號時，繼電器控制端的兩端電勢相等，電位差為0。當(dāng)接收到控制信號后，單片機(jī)在經(jīng)過處理后，相應(yīng)的I／O口產(chǎn)生高電平，引導(dǎo)開關(guān)三極管導(dǎo)通，繼電器的控制端隨即接地，在繼電器控制端的兩端就產(chǎn)生了大小為Vcc的電位差，繼電器的輸出端轉(zhuǎn)變?yōu)橥☉B(tài)，外部電源便可通過電源接口給相應(yīng)的硬盤供電。其電路圖如圖5所示。
5 軟件及通信協(xié)議的設(shè)計(jì)
控制器軟件主程序包括初始化程序和主程序，以及串口的中斷服務(wù)子程序。主控機(jī)發(fā)送的信息大小為一個字節(jié)，包含兩部分內(nèi)容：高四位是地址，低四位是數(shù)據(jù)。由于RS 485總線并未對內(nèi)部各節(jié)點(diǎn)的地址給出明確的定義，所以本系統(tǒng)在單片機(jī)的P3．4～P3．7 I／O口外置一個四位撥碼開關(guān)，通過調(diào)節(jié)撥碼開關(guān)賦給各控制單元互異的地址，分別定義為0001，0010，OO11，0100，0101，0110，0111。數(shù)據(jù)部分所包含的信息就是待選擇硬盤的地址，每臺從機(jī)中各硬盤的地址依次為0001，0010，0011。
例如，主控機(jī)需要與雷達(dá)站的空情預(yù)警系統(tǒng)(3號機(jī)的2號硬盤)進(jìn)行交互，則發(fā)送指令0x32。其流程圖如圖6所示。
當(dāng)主機(jī)發(fā)送信息時，各個從機(jī)均可接收。在收到控制指令后，從機(jī)上單片機(jī)主程序首先進(jìn)行地址比較，將控制指令的高四位與I／O口P3的高四位進(jìn)行比較，經(jīng)判別后地址不符的返回程序初始狀態(tài)，等待下一條指令；地址相符的則按照數(shù)據(jù)部分的信息執(zhí)行下一步的指令。
6 可能存在的問題及解決方法
由于串口以起始位0觸發(fā)接收，所以RS 485總線上狀態(tài)的不穩(wěn)定可能導(dǎo)致接收器錯誤地接收一些數(shù)據(jù)。當(dāng)總線上沒有信號傳輸時，總線處于空置狀態(tài)，比較容易受到干擾信號的影響?？山oA，B兩端分別接10 kΩ的偏置電阻，并在A，B間串接20 kΩ的電阻，如圖3所示。這樣在無信號傳輸時，利用偏置電阻將A，B偏置在一個確定的電位，這樣即使有干擾信號，也很難產(chǎn)生串行通信的起始位0，從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。此外，還可采用總線匹配、給RO及DI端配置上拉電阻、總線隔離、完善接地系統(tǒng)等多種方法提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
7 結(jié) 語
該遠(yuǎn)距離控制系統(tǒng)以C8051F020單片機(jī)為核心處理器件，以繼電器為主要控制器件，具有性價比高、控制功能全、體積小以及使用方便快捷等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)際功能測試證明設(shè)計(jì)可靠、設(shè)計(jì)方案可行，且通用性強(qiáng)，維護(hù)方便，具有較大的實(shí)用價值。