0 引言

    在火控系統(tǒng)中,，各設(shè)備分機(jī)節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)交換，系統(tǒng)內(nèi)某個(gè)分機(jī)需要在特定時(shí)刻接收外部的數(shù)據(jù),，并進(jìn)行數(shù)據(jù)解算,，在特定的時(shí)刻將解算后的數(shù)據(jù)發(fā)給系統(tǒng)內(nèi)其他分機(jī)，從而完成某些特定的功能,，要求系統(tǒng)內(nèi)各分機(jī)在特定時(shí)刻發(fā)送或接收的每個(gè)數(shù)據(jù)包均被對方在特定的時(shí)刻接收或發(fā)送,，因此系統(tǒng)需要對各分機(jī)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)一，具體的實(shí)現(xiàn)方法是系統(tǒng)向各分設(shè)備發(fā)送統(tǒng)一的時(shí)間間隔脈沖信號(hào)(即：時(shí)統(tǒng)信號(hào)),，各分機(jī)采用總線中斷方式響應(yīng)時(shí)統(tǒng)信號(hào),，完成相應(yīng)的收發(fā)數(shù)據(jù)操作。因此要求時(shí)統(tǒng)信號(hào)具有較高的精度和可靠度,，并具備較強(qiáng)的抗干擾能力,。

    時(shí)統(tǒng)信號(hào)作為一種非常重要的“心跳”信號(hào)在火控系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，為了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)和上級(jí)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)刻同步,，還需要本系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)和上級(jí)時(shí)統(tǒng)信號(hào)(一般是1 pps秒脈沖信號(hào))完全同步,，以達(dá)到整個(gè)大系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)完全同步的目的。傳統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)是用數(shù)十個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器IC對晶體時(shí)鐘源進(jìn)行計(jì)數(shù)分頻和邏輯組合,，從而產(chǎn)生不同周期的脈沖信號(hào),，要實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)(一般是20 ms)與上級(jí)系統(tǒng)的1 pps秒脈沖信號(hào)需要大量的計(jì)算器IC，電路非常復(fù)雜,，占用的PCB板面積大,，且電路一旦確定,，就無法對時(shí)統(tǒng)信號(hào)的脈沖寬度、脈沖周期,、脈沖時(shí)延等參數(shù)進(jìn)行二次修改,，采用傳統(tǒng)的計(jì)數(shù)器IC方法具有很強(qiáng)的局限性，電路復(fù)雜,，修改困難,，占用板幅空間大，通用性差,。

    采用復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD可容易解決內(nèi),、外時(shí)統(tǒng)時(shí)序同步、脈沖寬度可調(diào),、周期可變及多路同步分發(fā)等問題,，具有電路簡單、編程靈活,、控制精度高,、周期準(zhǔn)、可靠性高等特點(diǎn),。 

1 組成

    為滿足不同系統(tǒng)的不同要求,，需要一塊通用的時(shí)統(tǒng)信號(hào)板來完成不同的功能，該時(shí)統(tǒng)信號(hào)板應(yīng)具備以下幾方面功能：

    (1)能接收,、產(chǎn)生統(tǒng)一的時(shí)統(tǒng)信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給系統(tǒng)各分機(jī)設(shè)備,；

    (2)具有時(shí)序延遲功能,，能將某一路時(shí)統(tǒng)信號(hào)在時(shí)序上延遲一定時(shí)間(相對時(shí)間間隔)后提供給各分機(jī)設(shè)備；

    (3)具有脈寬調(diào)整功能,，能調(diào)整時(shí)統(tǒng)信號(hào)的脈沖寬度,；

    (4)能自動(dòng)檢測和同步外時(shí)統(tǒng)秒脈沖(1 pps)信號(hào)，如果有秒脈沖信號(hào),，則產(chǎn)生以秒脈沖信號(hào)同步的不同周期的時(shí)統(tǒng)信號(hào),。

    通用時(shí)統(tǒng)信號(hào)板由時(shí)統(tǒng)檢測模塊、外時(shí)統(tǒng)同步及時(shí)序延時(shí)模塊,、時(shí)統(tǒng)分發(fā)模塊及差分發(fā)送模塊組成,。組成原理見圖1。

2 外時(shí)統(tǒng)信號(hào)檢測

    在火控系統(tǒng)中,，外時(shí)統(tǒng)信號(hào)一般為上級(jí)系統(tǒng)給火控系統(tǒng)下發(fā)的RS422A差分秒脈沖信號(hào),，周期1 s，脈沖寬度一般為10 ms～50 ms之間,，采用屏蔽雙絞線傳輸,，為了實(shí)現(xiàn)火控系統(tǒng)和上級(jí)系統(tǒng)的時(shí)統(tǒng)信號(hào)時(shí)序同步,，便于火控系統(tǒng)接收上級(jí)系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)，因而火控系統(tǒng)需要對上級(jí)系統(tǒng)下發(fā)的秒脈沖信號(hào)進(jìn)行檢測,、接收處理,。

    外時(shí)統(tǒng)信號(hào)檢測有兩種檢測方法，即：單穩(wěn)IC硬件檢測和CPLD時(shí)序邏輯檢測,。

2.1 外時(shí)統(tǒng)信號(hào)接收

    外時(shí)統(tǒng)信號(hào)一般為符合RS422差分特性的脈沖信號(hào),，為消除脈沖信號(hào)在長線傳輸中形成的噪聲及反射干擾信號(hào)，需要在電路接收端加接終端負(fù)載電阻(R_t),，終端負(fù)載電阻的阻值約等于傳輸電纜的阻抗,，同時(shí)負(fù)載電阻還起到取樣電阻的作用，它將發(fā)送器的電流輸出轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),，通常情況下,，Rt取100 Ω～120 Ω，為提高電路的抗干擾能力和可靠性,，降低長距離傳輸帶來的信號(hào)干擾,，電路中R₁、R₃為上拉偏置電阻,，R₂為下拉偏置電阻(一般取2.2 kΩ),，V1、V2為TVS瞬變抑制二極管,，其電路原理見圖2,。

2.2 單穩(wěn)IC硬件檢測

    硬件檢測主要是利用單穩(wěn)態(tài)輸出集成電路54LS123作為檢測芯片，檢測外時(shí)統(tǒng)信號(hào),，工作原理為：當(dāng)輸入端輸入一個(gè)脈沖信號(hào)(上升沿觸發(fā))時(shí),，利用芯片配置的定時(shí)電阻(R_t)、電容(C_ext)自動(dòng)調(diào)整該脈沖的脈沖寬度,，輸出端輸出一個(gè)和輸入信號(hào)上升沿同步的大脈沖寬度(t_w)信號(hào),，脈沖寬度可以通過設(shè)置定時(shí)電阻(R_t)、電容(C_ext)的大小來確定,，當(dāng)外時(shí)統(tǒng)脈沖周期小于設(shè)定的脈沖寬度（為了提高可靠性,，一般取檢測脈沖周期的1.5倍）時(shí)，芯片輸出為一個(gè)穩(wěn)態(tài)的高電平“1”,，若外時(shí)統(tǒng)中斷,，則輸出端會(huì)延遲0.5個(gè)時(shí)鐘周期（外時(shí)統(tǒng)）后輸出穩(wěn)態(tài)的低電平“0”，從而實(shí)現(xiàn)對外時(shí)統(tǒng)脈沖信號(hào)的檢測,。

    根據(jù)單穩(wěn)態(tài)工作原理,，只要芯片輸出的脈沖寬度大于1個(gè)輸入脈沖(外時(shí)統(tǒng)周期)的周期，就能實(shí)現(xiàn)對外時(shí)統(tǒng)的檢測,，當(dāng)C_ext>1 000 pF時(shí),，其定時(shí)電阻的大小可以根據(jù)以下公式計(jì)算：

    為了提高檢測的可靠性,，一般t_w取1.5個(gè)外時(shí)統(tǒng)周期T，假定外時(shí)統(tǒng)脈沖周期T=1 s,，C_ext＝22 μF,，則由式(2)得：

    只需選擇一只15 kΩ電阻，匹配22 μF電容,，就能實(shí)現(xiàn)對1 s脈沖信號(hào)的檢測,，其電路原理見圖3。

2.3 CPLD邏輯編程檢測

    利用可編程邏輯器件(CPLD)通過邏輯編程來實(shí)現(xiàn),，邏輯模塊由時(shí)鐘倍頻器(2clk),、D觸發(fā)器、脈沖發(fā)生器(mccs)3個(gè)子模塊組成,，當(dāng)有外時(shí)統(tǒng)信號(hào)輸入時(shí)(WST_INPUT),，模塊輸出端(JC_OUTPUT)輸出為高電平，當(dāng)外時(shí)統(tǒng)輸入信號(hào)中斷時(shí),，則輸出端將會(huì)延遲0.1～0.5個(gè)外時(shí)統(tǒng)周期后輸出低電平“0”,。

    假設(shè)需要檢測的外時(shí)統(tǒng)周期T為1 s，當(dāng)D觸發(fā)器輸入端檢測到外時(shí)統(tǒng)信號(hào)時(shí)(上升沿觸發(fā)),，則輸出一個(gè)高電平“1”,，將該信號(hào)作為脈沖發(fā)生器(mccs)的使能信號(hào)，同時(shí)將外時(shí)統(tǒng)信號(hào)經(jīng)時(shí)鐘倍頻器處理后作為脈沖發(fā)生器的“置數(shù)”信號(hào),，脈沖發(fā)生器的輸出信號(hào)作為D觸發(fā)器的輸入清零信號(hào),，在本地時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，脈沖發(fā)生器開始工作,，只要脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖周期T_f大于外時(shí)統(tǒng)周期T,，脈沖發(fā)生器不會(huì)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，D觸發(fā)器的輸出信號(hào)就能保持為高電平,，否則,，輸出為低電平,，從而實(shí)現(xiàn)對外時(shí)統(tǒng)信號(hào)的檢測,，電路圖見圖4。

3 外時(shí)統(tǒng)信號(hào)同步及延時(shí)

3.1 計(jì)算器分頻計(jì)算

    采用計(jì)數(shù)分頻原理實(shí)現(xiàn)對脈沖信號(hào)進(jìn)行同步,、調(diào)整周期,、調(diào)整脈沖占空比等脈沖信號(hào)處理，其核心是采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)算分頻,，計(jì)算方法如下,。由：

其中T為計(jì)數(shù)周期，n為計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)值,，f為時(shí)鐘頻率,。一般情況,，本地時(shí)鐘頻率f=10 MHz，若需要產(chǎn)生20 ms的脈沖信號(hào)(即：T=20 ms),，則根據(jù)式(5)得：

    n=fT=10 000 000×0.02=200 000

    n=200 000,，轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制為“30D40”，需5個(gè)16位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)后才能實(shí)現(xiàn),。

3.2 外時(shí)統(tǒng)同步延時(shí)

    利用本地高精度時(shí)鐘將外時(shí)統(tǒng)脈沖信號(hào)的脈沖寬度調(diào)整為2個(gè)時(shí)鐘源周期,，形成同步脈沖信號(hào)，該脈沖信號(hào)和原外時(shí)統(tǒng)脈沖信號(hào)在時(shí)序上完全一致,，只是脈沖寬度不同而已,。這樣將同步脈沖信號(hào)作為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器(74LS163)的“LD”置數(shù)信號(hào)，并將計(jì)數(shù)器的進(jìn)位端(RCO)輸出信號(hào)反向后作為計(jì)數(shù)器的使能信號(hào),，這樣計(jì)數(shù)器工作后所產(chǎn)生的新的脈沖信號(hào)在時(shí)序上和原脈沖信號(hào)完全同步,，同時(shí)可以通過計(jì)數(shù)器設(shè)置時(shí)序延遲時(shí)間，通過修改計(jì)數(shù)器的參數(shù)可實(shí)現(xiàn)不同時(shí)序間隔的延遲,，其時(shí)序延遲誤差≤1.5個(gè)時(shí)鐘周期,，如果板上的時(shí)鐘源頻率越高、越穩(wěn)定,，那么時(shí)序延遲后的脈沖信號(hào)的誤差精度就越高,，時(shí)序延遲原理見圖5，同步延時(shí)后的脈沖信號(hào)見圖6（圖中通道“1”信號(hào)為原脈沖信號(hào),，通道“2”信號(hào)為相對原脈沖信號(hào)時(shí)序延遲10 ms后脈沖信號(hào)）,。

3.3 脈沖占空比調(diào)整

    脈沖占空比（即：脈沖寬度）調(diào)整，利用本地高精度時(shí)鐘,、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和D觸發(fā)器就能實(shí)現(xiàn)對脈沖信號(hào)的脈沖寬度調(diào)整,，通過設(shè)置計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值就能實(shí)現(xiàn)不同脈沖的寬度，將脈沖信號(hào)輸入D觸發(fā)器的觸發(fā)端,，將D觸發(fā)器的輸出端接入計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)使能端,，計(jì)數(shù)器的輸出端通過“非門”反向后接入D觸發(fā)器的清零端，這樣當(dāng)脈沖信號(hào)輸入D觸發(fā)器后,，在D觸發(fā)器輸出端輸出的信號(hào)就是脈沖寬度調(diào)整后的脈沖,，其時(shí)序和原脈沖信號(hào)完全同步，只是脈沖寬度發(fā)生變化,，其原理圖見圖7,，波形仿真見圖8。

    圖8中,，“MC-INPUT”為輸入的原始脈沖,，“MC-OUTPUT”為脈沖寬度調(diào)整后的脈沖，其周期和頻率和原始脈沖完全一樣，“CLK”為本地高精度時(shí)鐘,。

4 時(shí)統(tǒng)差分發(fā)送

    在火控系統(tǒng)中,，由于各分設(shè)備間隔相對較遠(yuǎn)，為了降低傳輸線路的干擾,，確保信號(hào)可靠傳輸?shù)礁鞣謾C(jī)設(shè)備上,，需要將信號(hào)轉(zhuǎn)換為符合RS422差分特性的脈沖信號(hào)，再采用雙絞差分傳輸電纜進(jìn)行長線傳輸,，為提高電路的抗干擾能力和可靠性,，降低長距離傳輸帶來的信號(hào)干擾，需在差分電路輸出端的“+”,、“-”極上分別配置TVS瞬變抑制二極管,，其電路見圖9。

5 誤差分析

    采用單穩(wěn)IC硬件電路檢測外時(shí)統(tǒng)的檢測誤差主要由電阻R_t和電容C_ext決定,。為了提高檢測精度,，可以根據(jù)外時(shí)統(tǒng)的周期，理論計(jì)算出電阻,、電容的大小,，但實(shí)際上很難找到和理論值相同的電阻、電容,，同時(shí),，即使找到，由于電阻,、電容和IC組合后的電路自身的物理特性,，也很難保證單穩(wěn)輸出的脈沖寬度和理論值相同，采用此方法的檢測精度一般只能定位到毫秒級(jí),。

    采用CPLD進(jìn)行組合邏輯編程檢測外時(shí)統(tǒng)的檢測誤差,，只和本地晶體振蕩器(時(shí)鐘)的頻率有關(guān)，晶體振蕩器越大,，周期越小,，檢測誤差就越小，理論上檢測精度可以控制在1個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi),，實(shí)際上考慮檢測外時(shí)統(tǒng)上升沿需要1個(gè)時(shí)鐘周期,，計(jì)數(shù)器置數(shù)及進(jìn)位輸出均需要1個(gè)時(shí)鐘周期，檢測誤差能控制到2個(gè)本地時(shí)鐘周期內(nèi),，本地時(shí)鐘周期越小,，誤差也就約小,，其精度可以控制在納秒級(jí),。

    綜合上述，采用單穩(wěn)IC硬件和CPLD組合邏輯兩種方法均能實(shí)現(xiàn)對外時(shí)統(tǒng)的檢測，兩種方法均需要事先確定檢測的外時(shí)統(tǒng)的周期,，前者通過配置不同大小的電阻,、電容來實(shí)現(xiàn)。后者通過CPLD邏輯編程實(shí)現(xiàn),，其檢測精度較前者高,，針對檢測不同周期的外時(shí)統(tǒng)編程靈活，電路更改容易,。

6 實(shí)現(xiàn)方法

6.1 CPLD的應(yīng)用

    采用CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件(EPM7512AEQI208-7)作為主控芯片,，選用帶溫度補(bǔ)償?shù)木w振蕩器(TCXO)作為時(shí)鐘源，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路作為檢測外時(shí)統(tǒng)信號(hào)的控制電路,，標(biāo)準(zhǔn)RS422差分接收,、發(fā)送器作為收發(fā)電路，利于CPLD在線可編程優(yōu)點(diǎn),，可根據(jù)用戶的需求修改控制程序,，接收或產(chǎn)生不同周期和脈沖寬度的的時(shí)統(tǒng)信號(hào)，具有良好的通用性,，滿足不同系統(tǒng)對時(shí)統(tǒng)信號(hào)的要求,。

6.2 TVS特性及應(yīng)用

    瞬變電壓抑制器(Transient Voltage Suppression Diode)又稱瞬變電壓抑制二級(jí)管，簡稱“TVS”器件,，能“吸收”高達(dá)數(shù)千瓦的浪涌功率,，當(dāng)TVS兩端經(jīng)受瞬間高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度把兩端間的阻抗值由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài),，吸收一個(gè)大電流,，從而把它兩端間的電壓鉗位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，保護(hù)后面的電路元件不因瞬態(tài)高電壓的沖擊而損壞,。

    將瞬變電壓抑制二極管接到電路的電輸入和輸出線上,，可防止瞬變電壓進(jìn)入，加強(qiáng)電路對外界干擾的抵抗能力,，從而保證電路能正常工作,，提高可靠性。

6.3 差分電路抗干擾技術(shù)

    RS422差分信號(hào)通信線由兩根雙絞線組成,，它是通過兩根通信線之間的電壓差的方式來傳遞信號(hào),，消除差模干擾的方法是在RS422差分電路的接收端增加一個(gè)偏置電阻(約100 Ω～120 Ω)，并采用雙絞屏蔽線,，抑制共模干擾的方法除了在信號(hào)線與地線之間加TVS二極管外,，還有以下幾方面的措施：

    (1)采用屏蔽雙絞線并有效接地；

    (2)電路板上每個(gè)IC要并接一個(gè)0.01 μF～0.1 μF高頻電容,，以減小IC對電源的影響,，注意高頻電容的布線,，布線時(shí)避免90°折線，減少高頻噪聲發(fā)射,；

    (3)CPLD器件加5～10個(gè)0.01 μF～0.1 μF高頻電容和3～5個(gè)33 μF電容,；

    (4)注意晶振布線，用地線把時(shí)鐘區(qū)隔離起來,，晶振外殼接地并固定,；

    (5)電路板合理分區(qū)，如強(qiáng),、弱信號(hào),，數(shù)字、模擬信號(hào),。盡可能把干擾源與敏感元件遠(yuǎn)離,，用地線把數(shù)字區(qū)與模擬區(qū)隔離。

    采用抗干擾技術(shù)前,、后的脈沖信號(hào)波形見圖10,。

7 結(jié)論

    時(shí)統(tǒng)信號(hào)板作為一個(gè)重要的功能模塊在火控系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，它利用可編程邏輯器件CPLD的在線編程技術(shù),，通過在線修改控制程序,，能靈活實(shí)現(xiàn)對不同周期的外時(shí)統(tǒng)檢測、脈沖寬度調(diào)整,、多路分發(fā),、時(shí)序延時(shí)等功能，具有功能強(qiáng),、性能穩(wěn)定,、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn),，能滿足不同系統(tǒng)對時(shí)統(tǒng)信號(hào)的要求,，具有較強(qiáng)的通用性和實(shí)用性。

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作者信息:

呂文發(fā)

(中國船舶重工集團(tuán)公司 江蘇自動(dòng)化研究所,，江蘇 連云港222006)