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引 言
某型防空指揮系統是一個以微型計算機為核心的模塊化和節點化設計的網絡系統。全系統由6種基本工作站組成，組成了比較完整的防空作戰情報指揮系統，主要用于空中目標情報的快速采集、處理和傳遞，實現實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雜，安裝、搭載的軟件和設備也都很多，因此工作站的計算機上普遍裝有多個硬盤，并按照功能的分類裝有不同的系統，在使用時，根據需要對系統進行選擇和系統間的切換。隨著現代科技的發展和軍事變革的不斷推進，在應用時對系統選控的實時性、可靠性和操控性都提出了更高的要求，傳統的控制手段已不能滿足新的需要。基于此該文設計了一種由固態繼電器和單片機構成的控制單元。該控制單元能夠利用固態繼電器的斷開和導通控制計算機中硬盤的斷電和上電。固態繼電器功耗較小，且多使用直流電源，是一種性能優良、通用性強、體積小、工作可靠的元器件。利用這種元器件設計的控制單元有著廣泛的應用范圍和良好的使用前景。
目前，單片機以其成本低、使用靈活、實時性強、具有一定的智能性等優點，廣泛應用于國防工業的控制領域和數據采集系統中。但對于某些復雜任務的實現，如大數據量的計算、人機對話等，單片機卻無法勝任。相反，PC機在這方面卻有著較強的優勢。因此，將它們進行有機的結合，組成一個完善的系統就顯得非常有必要了。在系統中，單片機負責對數據的采集和執行單元的控制，PC機負責實現數據處理的功能，這時就涉及到了一個單片機與PC機之間通信的問題。在單片機和PC機之間進行高速、可靠的通信，目前較為流行的方式是采用串行通信方式。根據某型防空指揮系統通信距離遠的特點，本系統選用RS 485標準作為主要的通信方式。
在遠距離控制系統中，控制指令一般通過數據總線進行傳輸，而通信距離在幾十米到上千米的遠距離控制系統現在通常采用RS 485總線標準。RS 485標準定義了一個基于單對平衡線的多點、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、系統的組成及戰技指標
作為某型防空指揮系統的子系統，本遠距離控制系統由一臺PC機，若干個控制單元，以及連接PC機和控制單元的數據線組成，每個控制單元又分別對應三個受控對象，即三個硬盤。其中控制單元主要由單片機和繼電器兩部分構成，完成對主控機發出指令的接收、分析、處理，和對硬盤的控制等功能。工作原理如下：本系統采用半雙工主從通信方式，有一臺主機和多臺從機，主從機之間通過RS 485總線進行由主機到從機的單向通信，且各從機之間互不通信。從機在讀取信息后，對其進行分析、判斷，繼而完成相應的控制功能。其結構圖如圖1所示。
本文所提出的控制系統方案是基于RS 485的有線傳輸，最大傳輸距離可達1．2 km，數據速率為1 200／2 400 b／s，誤碼率小于等于1×10-6，系統反應時間小于等于2 s。某型防空指揮系統中，各站間的距離最大可達50 km，當傳輸距離超過了有線通信的最大值時，可采用數傳電臺等無線通信的方法代替。當傳輸距離在有線傳輸的范圍內時，宜采用有線傳輸，以降低誤碼率。
2、系統主要芯片
2．1 C8051F020的性能特點
CYGNAL的C8051F020是集成模擬、數字信號于一體的混合信號系統級SoC單片機。與目前常用的51系列單片機指令集完全兼容具有64個數字I／O引腳。它采用Cygnal公司的專利CIP-51微處理器內核，完全能夠滿足使用需要。
其主要特性如下：
（1）高速、流水線結構的8051兼容的CIP-51內核（可達25 MIPS）。
（2）真正12位、100 KSPS的8通道ADC，帶PGA和模擬多路開關。
（4）64 KB可在系統編程的FLASH存儲器。
（5）可尋址64 KB地址空間的外部數據存儲器接口。
（6）硬件實現的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數器／定時器陣列。
2．2 MAX485性能特點
C8051F020是低功耗產品，在選擇芯片時應優先選擇3 V供電的芯片。為了實現C8051F020與主機的通信，本系統選用MAXIM公司的MAX485作為RS 485到TTL的電平轉換器，其引腳結構圖如圖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電平之間轉換的功能。
3、接口電路
PC機有一個功能強大的可編程異步串行控制器8250和兩個采用RS 232C串行通信標準的接口COM1，COM2，而單片機中有一個TTL電平的可編程串口，采用RS 485進行串行通信，目前常用的方法是將RS 232接口轉換成RS 485接口，然后用RS 485進行長距離、高速的串行異步通信。利用PC現有的RS 232接口，本系統選用專用的RS 232／485轉換芯片S2 485實現232到485的轉換，在進行完傳輸后，再通過MAX485實現TTL與RS 485之間的轉換。電路結構圖如圖3所示。
C8051F020單片機內集成了多種數字部件，它通過優先權交叉開關譯碼器，按優先權順序將端口0～3的引腳分配給數字外設，本系統中要用到UART0通用串口和PC機相連，該通用串口需要占用兩個通用引腳，根據優先級順序將P0．0和P0．1引腳分配給UART0。
在應用時，將RS 485總線的兩條數據線分別接至MAX485的A、B兩端，將RO經過反相器后接至單片機的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送狀態，所以將控制端RE和DE短接后接至單片機的P2．1引腳即可實現對MAX485通信方式的選擇。此外，由于主機發出的信號是從TTL先轉成RS 232，再由RS 232轉換成RS 485標準的，而從機在接收時，是將RS 485電平直接轉換成了TTL電平，所以需要在單片機與MAX485之間加反相器，才能還原相位正確的信號。本系統還采用光隔電路，在無信號傳輸時將MAX485和單片機進行隔離，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結合發展起來的一種具有繼電特性的無觸點式電子開關。較之其他工作方式的繼電器，固態繼電器具有壽命長、可靠性高、開關速度快、電磁干擾小’、無噪聲、無火花等特點。
4．1 固態繼電器原理分析
固態繼電器是采用半導體器件代替傳統電接點作為切換裝置的具有繼電器特性的無觸點開關器件，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，輸出端就能從斷態轉變成通態，從而接通交流或直流電路。
固態繼電器就相當于一個無觸點的開關，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行控制。
4．2 固態繼電器構成的控制系統
本系統中，每臺從機上所搭載各硬盤的數據線均與PC機的主板相連。主控機發出指令后，由安裝在從機內的控制單元進行接收，并通過控制固態繼電器來完成對目標硬盤電源的驅動，從而實現硬盤的選擇功能。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。當接收到控制信號后，單片機在經過處理后，相應的I／O口產生高電平，引導開關三極管導通，繼電器的控制端隨即接地，在繼電器控制端的兩端就產生了大小為Vcc的電位差，繼電器的輸出端轉變為通態，外部電源便可通過電源接口給相應的硬盤供電。其電路圖如圖5所示。
5、軟件及通信協議的設計
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子程序。主控機發送的信息大小為一個字節，包含兩部分內容：高四位是地址，低四位是數據。由于RS 485總線并未對內部各節點的地址給出明確的定義，所以本系統在單片機的P3．4～P3．7 I／O口外置一個四位撥碼開關，通過調節撥碼開關賦給各控制單元互異的地址，分別定義為0001，0010，OO11，0100，0101，0110，0111。數據部分所包含的信息就是待選擇硬盤的地址，每臺從機中各硬盤的地址依次為0001，0010，0011。
例如，主控機需要與雷達站的空情預警系統（3號機的2號硬盤）進行交互，則發送指令0x32。其流程圖如圖6所示。
當主機發送信息時，各個從機均可接收。在收到控制指令后，從機上單片機主程序首先進行地址比較，將控制指令的高四位與I／O口P3的高四位進行比較，經判別后地址不符的返回程序初始狀態，等待下一條指令；地址相符的則按照數據部分的信息執行下一步的指令。
6、可能存在的問題及解決方法
由于串口以起始位0觸發接收，所以RS 485總線上狀態的不穩定可能導致接收器錯誤地接收一些數據。當總線上沒有信號傳輸時，總線處于空置狀態，比較容易受到干擾信號的影響。可給A，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，也很難產生串行通信的起始位0，從而增強了系統的抗干擾能力。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、完善接地系統等多種方法提高系統運行的可靠性。
7、結 語
該遠距離控制系統以C8051F020單片機為核心處理器件，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點。經實際功能測試證明設計可靠、設計方案可行，且通用性強，維護方便，具有較大的實用價值。
責任編輯：gt
工商網監
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