基于STM32单片机的火控系统信号采集测试

基于STM32单片机的火控系统信号采集测试火控系统是控制火炮瞄准和发射的系统，火控计算机是火控系统的核心，在完成火控解算进而引导高炮射击时具有重要作用。由于火控系统信号众多，状态复杂，对其关键信号的采集测试就显得尤为重要[1].

普通信号采集测试装置具有结构复杂、造价昂贵、携带不便等特点，该方案结合最新型ARMv7系列STM32单片机，利用其丰富的外设接口和I/O资源，对某型火控系统的重点输出信号进行采集，存入板载Flash以备使用。另外，为便于使用和调试，还设计了CAN接口和RS-232串口。该信号采集盒大小为100mm×65mm，可由被测板提供电源信号，具有携带方便、使用简单的特点，对装备信号的实时采集具有重要的实用意义。

1总体设计方案

1.1总体设计框图

总体设计框图如图1所示，其中装备板是被测对象，STM32为控制核心，用于完成对各电路的控制，CAN总线用于与其他节点间的通信，RS-232串口用于调试及与LCD液晶屏通信。装备板被测信息分为模拟信号和数字信号，可向装备版提供5路数字控制信号，以模拟装备板的输入信号。

1.2硬件设计

该方案的硬件组成主要包括：电源转换模块、微控制器模块、信号调理模块、CAN接口电路、Flash接口模块和信号显示模块等。

1.2.1电源转换模块

被测装备板采用7.5V~8V电压供电，信号采集板需要3.3V、5V以及±12V四种电压等级，因此需要将测试板载电压等级进行转换。5V和3.3V采用两片Alpha公司高性能、低功耗AS117电源转换模块；±12V电压由两片输入输出隔离单输出DC/DC模块DLW02-05S12获得。经实验测试得知，用上述方法得到的电压纹波较小，电压幅值稳定，满足要求。

1.2.2微控制器模块

微控制器采用基于Cortex-M3内核型号为STM32F-103R8单片机，最高频率可达72MHz，具有性能强劲、代码密度高、位带操作、可嵌套中断、低成本和低功耗等众多优势。STM32拥有FSMC、TIMER、SPI、I2C、USB、CAN、I2S、SDIO、ADC、DAC、RTC和DMA等众多外设和功能，拥有优异的实时性能，可提供84个中断、16级可编程优先级，另外支持SWD和JTAG两种调试口，为设计带来很多方便[2]。

该微控制器带有的CAN接口，可方便本系统与其他节点互联，RS-232接口可用于调试及控制液晶显示模块，两路SPI接口可以完成MAX1270A/D转换器的通信控制及Flash存储器的读写，众多的I/O端口可以方便其他功能扩展。

1.2.3信号调理模块

火力控制板是某型火力控制系统的重要组成部分，其输出信号主要分为：8路模拟信号和8路输出信号。

(1)数字信号调理电路

为了便于处理火力控制板输出的8路数字信号，在进入单片机前需要对其进行同步及电平转换。图2为数字信号同步及电平转换电路，主要器件为74HCT245。需要注意的是,在输入单片机时要对比其数据手册,选择具有FT（容忍5V）标注的管脚，防止电平不兼容[3]。

(2)模拟信号调理电路

图3为模拟信号调理电路，它将火控板输出的模拟信号进行滤波及放大处理。图中,电容用来滤除一些来自地端的高频串扰；R37为电位器，用于灵活调整信号输出大小；2V稳压二极管用于保护运放LF412不被损坏。另外，LF412可使用双电压模式，且具有较高的转换速率，较为适合完成火控板上变化速率较快的信号处理工作。

1.2.4CAN接口电路

控制器局域网CAN可以以最小的CPU符合来高效处理收到的大量报文,可用软件配置报文发送的优先级特性。图4为bxCAN模块，通过CAN总线收发器65HVD290可以完成自动接收和发送CAN报文，对标准标识符(11bit)和扩展标识符(29bit)完全支持[4]。通过CAN接口电路可以完成信号采集板与其他设备CAN网络节点的连通。

1.2.5Flash接口电路

图5为Flash闪存接口电路,用于存放采集到的数据以及其他节点传送的信息。设计采用ST公司的M25P20闪存芯片,具有2MB存储空间,单片机通过SPI接口控制其读写过程，具有擦写速率快、寿命长等优点[5],可以较好地完成采集板数据高速存取。

1.2.6信号显示模块

液晶显示器（LCD）是提供友好人机界面、实现信息交互的关键器件，具有功耗低、体积小、显示效果好等相对于传统显示方式的优点[6].系统采用基于ARM920T内核的蓝海微芯7寸液晶屏，通过RS-232串口与STM32通信，完成信息显示工作。

1.3软件设计

STM32单片机使用Keil对其编程，使用J-Link下载器调试，下载采用JTAG方式，使用ST提供的库函数操作，非常方便。

1.3.1模拟信号数据采集子程序

模拟信号采集是通过美信MAX1270进行A/D转换实现的。A/D转换芯片MAX1270通过SPI接口与单片机通信。信号采集子程序流程图如图6所示，首先，对ADC进行初始化，进行采样时间、转换时钟的设定等；然后，启动ADC，对调理信号进行采集，任一时段采样结果为8次连续采样的平均值；A/D转换结束后，转入相应的中断服务程序，对采样得到的数据进行分析和处理。

1.3.2数字信号数据采集子程序

数字信号的采集通过STM32的输入引脚完成。数字信号经过调理同步后可以对其进行实时捕获，通过读取各管脚状态获得采集值。另外，对于一些频率信号的采集，可以通过设定相应管脚的中断状态进行，在信号的上升沿时刻进行捕获。频率信号数据采集子程序流程如图7所示。

2实验结果与分析

为了进一步检验采集板信号采集性能，利用C++Builder设计了数据简易分析程序，用RS-232串口与上位机通信，实时显示采集到的数据，图8是提取的一组数据。

模拟通道采用直流27V为测试源。由上图可知，采集值最小为26.93V，采集误差仅为0.26%，可见对直流模拟信号采集误差较小，稳定性较高。

数字通道采用信号发生器产生1kHz的测试源。由图8可知，采集值最小为996Hz，误差为0.4%，满足需求，稳定性较高。

本文根据某