STM32的远距离触发系统的设计

摘 要针对武器系统研制过程中测试系统的触发需求，以微控制器STM32和超短波无线数传电台为核心部件，提出了一种远距离触发系统的设计，给出了系统的网络构成、通信协议、工作原理及实现方式。试验结果表明，该系统具有通信距离远、安全性可靠性高、实时性好，能够全天候操作等优点，并且具有很强的扩展性。

【关键词】STM32 远距离触发 主从站 数据链路

1 引言

在武器系统的研制中，为了记录武器发射、飞行、攻击的整个过程以及准确获取外弹道和终点弹道参数，高速摄像是一种必不可少的测试手段，起到了举足轻重的作用。由于弹丸的飞行速度快，高速摄像的触发控制就成为重中之重。目前，多数的触发控制主要采用“通-断”或“断-通”的长线触发的方式，这需要参测人员铺设很长的电缆，并且无法实现多组测试系统的同步测试以及弹道分段接力测试，而在测试的过程中参测人员对于测试系统工作状态的反馈更是一无所知，只有试验完毕后到现场才能知道其是否正常工作，具有一定的不确定性。

随着微电子技术、现代计算机技术和无线通信技术的迅猛发展，测控系统发展无线化、智能化已成为必然趋势。超短波无线数传电台具有信号传输稳定、抗干扰能力强、通信距离远、技术比较成熟等优点，适合工作于条件恶劣的靶场环境。

本文针对高速摄像测试系统中的触发测控需求，提出了一种利用微控制器STM32和超短波无线数传电台实现测试系统远距离同步/接力触发以及远程监控相机工作状态的有效手段，对于提高测试系统的测量精度以及可靠性、安全性具有重要的意义。

2 总体结构

触发系统由主站和从站组成（包括一个主站和N个从站），主站为操作人员控制端，从站为高速摄像机控制端，如图1所示。

2.1 网络构成

该系统网络设计为主/从站网络，通信线路上主站与从站的通信按照主从方式进行，主站具有网络访问控制权，可以主动发出请求信号或接收其他主站命令信号并反馈相关信息，从站处于被动工作状态，只能应答主站的请求。构成网络的主要设备如下：

2.1.1 主站

由微控制器STM32、数传电台以及输入输出设备组成。主要功能是对网络通信进行控制和管理，在预定的周期内与从站循环地交换数据，传递主站的请求信号，并将从站采集的相机工作参数进行处理并在输出设备上予以显示。

2.1.2 从站

由微控制器STM32、数传电台以及相应的输入输出设备组成。其功能是对主站给予的输出信号驱动相机动作和采集现场设备的必要参数回馈给主站。特定的从站可以作为二类主站，暂代主站的功能与其他从站进行数据通信。

2.2 通信协议的构成

该系统的通信协议根据国际标准化组织（ISO）的开放系统互联（OSI）七层参考模型制定，将其简化后只使用了第一层物理层、第二层数据链路层以及用户层，如表1所示。

2.2.1 物理层

该系统的物理层协议采用超短波无线数传通信和RS485串口通信，采用半双工、异步的传输方式，1个字符帧由8个数据位、一个起始位、一个停止位和一个奇偶校验位组成。

2.2.2 数据链路层协议

数据链路层协议主要包括主站和从站间的主从通信机制以及主站的广播通信机制。在主从通信中，主站获得控制权后在一定的时间周期内与多个从站交换数据，主站下传命令，从站给出响应，配合主站完成对数据链路的控制，一个主站应与多个从站中的每一个从站建立一条数据链路。主站和某从站间的通信过程可具体分为三个阶段：

a.数据链路的建立，即主站向某从站发送状态请求帧，该从站发送一确认帧响应主站的请求。

b.数据帧的传输，即主站向某从站发送数据信息帧，与该从站进行数据通信。

c.数据链路的释放，即主站与某从站没有信息帧要发送，或者主站将与其他从站建立链路连接时，主站向该从站发送状态请求帧，请求释放链路连接，从站发送一确认帧应答主站，释放数据链路。

为了满足数据通信中的需要，数据链路层协议采用了两种帧格式。其中，数据信息帧的结构如图2所示。

为了满足测试系统同步触发的实时性要求，用到了主站的广播通信机制，这样的数据帧省去源地址和目的地址，在特殊的帧头指引下把任务传达给每一个从站，即相当于在这一时刻主站与所有从站同时进行数据通信。帧结构如图3所示。

3 工作原理

该系统基本工作原理如下：在正式数据通信之前，主站对所有从站进行通信测试和信号强度测试，当从站相机需要动作时，主站将相应的数据打包成从站能够识别的数据帧，通过无线数传模块按照从站相应的地址发送到需要动作的从站，从站接收数据后进入相应任务的处理。处理完成返回主站确认数据帧，处理过程结束。若从站有误动作，则从站将记录事件向主站报警，主站进行相应处理。

主站作为通信的发起方，是整个系统的中央控制器，其工作流程如图4所示。

其中，任务指的是触发请求，分为同步触发和接力触发。同步触发即主站把触发任务在同一时间发给所有从站；接力触发指的是主站在下发任务的时候按触发时间不同设置定时时间分别对不同的从站作延时触发。

从站作为通信的应答方，时刻准备接受来自主站的任务，其工作流程如图5所示。

4 通信协议的实现

本系统设计的关键是完成物理层的比特数据流和用户层数据的转换，维护对物理层和数据链路层的参数管理，并向上层协议提供数据传输服务，主要由STM32微控制器完成。

协议处理模块包括物理层接口和数据链路层处理。前者利用STM32自带的UART负责数据链路层与物理层之间的连接，完成物理层的比特数据流与数据帧之间的转换。后者是系统的核心功能模块，其主要工作为对UART收发器接收的数据根据协议规范进行具w分析和处理。该模块的工作过程说明如下：

模K由帧检查和帧处理状态机两个同步状态机组成。其中，帧检查状态机实时监测UART收发器的工作状态，若发现收发器接收到有效的帧字节数据，则根据该字节在接收数据帧中的位置，以及该数据帧的帧类型进行帧格式检查：若不符合帧格式，则复位状态机，丢弃该帧；若为帧数据单元，则将其存入接收缓冲区中；若为其它帧字符，则从中提取相关状态信息，如是否存在地址扩展、使用的服务存取点等，为帧处理状态机的工作做好准备。同时，该状态机还负责控制校验和计算模块的工作，将最终校验和与接收到的校验和进行比对，若不一致则认为帧数据接收错误，将该帧丢弃。待接收的字节数达到长度字节规定的长度后，则认为接收完毕，启动帧处理状态机。随后帧处理状态机对功能字节进行分析：若为数据传输服务，则根据协议规定的服务规程进行处理，并映射为相应的服务通知上层协议；若为状态请求，则进行状态应答。

由于状态机比较复杂，在此处将其工作流程图简单示意如图6所示。

5 试验验证

该系统已经在多次试验中进行验证，试验中触发有效可靠，工作状态反馈及时准确，大大减少了误触发的概率。试验时，将一台主站通过两台从站分别控制位于5km处的两台Photron SA1型高速摄像机。主站的液晶屏可以进行功能选择及操作，例如：网络检测、信号强度检测、高速触发、系统帮助等。高速摄像系统操作界面如图7所示。

通过液晶屏上按钮可以实现远距离的“待触发”和“触发”设置，并能实时监视高速摄像机的工作状态。

6 结束语

本文提出了一种远距离触发系统的设计，实现了对高速摄像机远距离的无线触发、状态监控、触发复位，使得操作人员既可以在远距离监控高速摄像机的工作状态，又能够控制高速摄像机的触发复位，很大程度上避免了高速摄像机的误触发，提高了高速摄像机的触发可靠性，提高了高速摄像系统的自动化程度和试验的成功率。该设计也为要求高安全性和高可靠性的远距离遥控触发的测试系统及军民用远程起爆控制提供了一种解决方案。

参考文献

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[2]张三喜等.高速摄影及其应用技术[M].北京：国防工业出版社，2006.

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

作者简介

孙倩华（1984-），男，山西省晋城市人。硕士研究生。现为北京航天长征飞行器研究所工程师。研究方向为引信技术。

作者单位

北京航天长征飞行器研究所 北京市 100076