王靜雅，李黎明，任 西，尹國福

（陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所 應(yīng)用物理化學(xué)國家級重點實驗室，陜西 西安，710061）

可尋址集成式智能起爆系統(tǒng)（簡稱智能起爆系統(tǒng)）將起爆方式從中心式發(fā)火控制轉(zhuǎn)變?yōu)榧锌刂品植际狡鸨瑥母旧细淖兞似鸨到y(tǒng)的結(jié)構(gòu)，極大優(yōu)化了起爆系統(tǒng)的性能[1]。智能起爆系統(tǒng)在戰(zhàn)略導(dǎo)彈突防誘餌和多用途電子引信等點火引爆系統(tǒng)方面具有軍事需求，可用于導(dǎo)彈、火箭彈的起爆與點火、末制導(dǎo)導(dǎo)彈姿態(tài)調(diào)整[2]。美國Ensign Bickford航天防務(wù)公司研發(fā)的“Wizord TM”起爆系統(tǒng)是智能起爆系統(tǒng)的一個典范，其融合了半導(dǎo)體橋技術(shù)、微型電子器件及數(shù)字通信技術(shù)，可實現(xiàn)武器系統(tǒng)的多點可尋址點火起爆[1-3]。

根據(jù)國內(nèi)外智能點火起爆的發(fā)展現(xiàn)狀，本文研制了一款基于RS-485總線的智能起爆系統(tǒng)，其具備可靠性好、通信效率高、抗干擾能力強、體積小及重量輕的特性，通過采用總線尋址技術(shù)，可安全可靠地實現(xiàn)多種模式起爆，并且具有狀態(tài)自檢、解除保險、精確延時控制等功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該起爆系統(tǒng)由一個總線控制器、一條多接頭電纜和多個智能起爆器組成，如圖1所示，所有起爆器通過電纜與總線控制器相連，以多路復(fù)用的方式共享同一信道[4-6]。

圖1 智能起爆系統(tǒng)原理樣機Fig.1 Photo of intelligent initiation system

1.1 總線控制器

總線控制器作為起爆系統(tǒng)中的唯一主設(shè)備，集中控制整個系統(tǒng)的動作。其接收來自制導(dǎo)與控制單元的指令，并控制該指令與能量到達指定的起爆器；同時接收起爆器的響應(yīng)信息，并將該指令的執(zhí)行結(jié)果上報給制導(dǎo)與控制單元。

1.2 智能起爆器

智能起爆器接收總線控制器的命令，執(zhí)行相關(guān)的輸出操作，并將執(zhí)行結(jié)果反饋給總線控制器。采用微電子集成設(shè)計，如圖2所示，將通信電路、控制電路、安保機構(gòu)、發(fā)火電路及半導(dǎo)體橋芯片集成為一體，形成直徑Ф≤20mm的智能火工品。

圖2 智能起爆器硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of intelligent initiator

每個起爆器都帶有唯一可識別的地址編碼，在指令信號識別過程中，起爆器只有接收到地址碼吻合的指令信號，才會發(fā)生作用，其他雜散信號都會被信息識別模塊拒絕。在總線控制器的指令控制下，通過快速總線尋址，智能起爆器可實現(xiàn)狀態(tài)自檢、解除保險、多模式發(fā)火、精確延時等操作。

1.3 傳輸電纜

傳輸電纜起著電能傳輸與信號傳輸?shù)淖饔?，為起爆器提供低電壓、低電流及控制信號。采?芯屏蔽雙絞線電纜，包括2根電源線（1根操作能量線、1根自檢或發(fā)火能量線）、2根差分信號通信線和1根地線。通信線路采用RS-485串行總線標(biāo)準平衡傳輸差分信號，RS-485總線接口芯片選用帶隔離、多負載驅(qū)動的增強型ADM2483，磁隔離可有效抑制各種噪聲干擾，大大提高傳輸信噪比；1/8單位負載的輸入阻抗可允許多達256個收發(fā)器接入總線；最高傳輸速率可達500kbps[7]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 通信協(xié)議設(shè)計

為了保證總線控制器與起爆器之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性，除了使用抗干擾能力強的RS-485總線，還要設(shè)計一個高效可靠的通信協(xié)議。

通信采用指令/響應(yīng)式主從結(jié)構(gòu)，總線控制器將含有地址字段的指令幀傳送到總線上，地址吻合的起爆器執(zhí)行指令，并將響應(yīng)幀反饋給總線控制器；地址不吻合的起爆器因識別出該指令幀不是發(fā)給自己的，不會有任何動作。數(shù)據(jù)幀是單片機之間或單片機與PC機通信過程中傳送信息的基本單元，分為指令幀和響應(yīng)幀，包括地址字段、指令字段或響應(yīng)字段、檢錯字段，如圖3所示[1,8-10]。

圖3 數(shù)據(jù)幀基本格式Fig.3 Basic format of data frame

地址字段：被尋訪的起爆器地址，1個字節(jié)，0x00～0xEF作為0～254號起爆器唯一可識別的地址碼，0xFF作為所有起爆器共用的廣播地址。而在PC機與起爆器一對一的通信過程中，該字節(jié)固定為0xFF。指令字段：被尋訪起爆器需完成的動作，1個或多個字節(jié)，共設(shè)定了7個指令，分別為狀態(tài)檢測、地址編碼、單址充電、單址發(fā)火、系統(tǒng)自檢、廣播充電、廣播發(fā)火；其中前4個屬于單址命令，只有地址吻合的某個起爆器執(zhí)行該指令；后3個屬于廣播指令，所有起爆器同時執(zhí)行該指令。響應(yīng)字段：被尋訪起爆器反饋的執(zhí)行結(jié)果，1個字節(jié)。檢錯字段：采用校驗和的方法對傳送的數(shù)據(jù)進行校驗，1個字節(jié)，值為地址字段與指令或響應(yīng)字段所有字節(jié)的二進制算術(shù)和。和校驗差錯控制編碼，雖然只能檢測出存在錯碼而無法糾正錯碼，但是對于單片機控制系統(tǒng)來說，程序處理簡單、速度快，而且RS-485通信可靠，發(fā)生誤碼的概率很小，即使發(fā)生了只需重發(fā)一遍即可。

2.2 程序設(shè)計

智能起爆系統(tǒng)軟件分為總線控制器軟件和智能起爆器軟件兩部分。總線控制器和智能起爆器的主控芯片采用C8051Fxxx系列單片機，具有高模擬集成度、體積小、抗干擾能力好、低功耗、集成FLASH存儲器等特點[10]。

2.2.1 總線控制器程序設(shè)計

C8051F340具有兩個通用異步收發(fā)器：UART0和UART1，分別實現(xiàn)與制導(dǎo)、與控制單元和智能起爆器的通信。程序主要分為主函數(shù)、UART0中斷接收函數(shù)、UART0查詢發(fā)送函數(shù)、UART1中斷接收函數(shù)、UART1查詢發(fā)送函數(shù)。主函數(shù)流程如圖4所示。

圖4 總線控制器主函數(shù)流程圖Fig.4 Flow chart of main function for bus controller

首先，UART0以中斷方式接收來自制導(dǎo)與控制單元的指令信號，并判斷指令是否有效，若指令無效，則向制導(dǎo)與控制單元發(fā)送錯誤代碼55H，要求重發(fā)該指令，直到接收到正確指令；若指令有效，則按幀格式組裝成標(biāo)準指令幀，通過UART1下發(fā)給指定起爆器，對于自檢指令或解除保險指令，還需閉合自檢能量開關(guān)或發(fā)火能量開關(guān)，使自檢能量或發(fā)火能量通過總線傳送到起爆器。然后，UART1以中斷方式接收起爆器反饋的響應(yīng)幀，并將指令的執(zhí)行結(jié)果通過UART0上傳給制導(dǎo)與控制單元。

2.2.2 智能起爆器程序設(shè)計

起爆器程序主要分為主函數(shù)、指令幀接收函數(shù)、響應(yīng)幀發(fā)送函數(shù)及指令執(zhí)行函數(shù)，其中指令執(zhí)行函數(shù)包括狀態(tài)檢測子函數(shù)、地址編碼子函數(shù)、系統(tǒng)自檢子函數(shù)、單址充電子函數(shù)、廣播充電子函數(shù)、發(fā)火子函數(shù)。主函數(shù)流程如圖5所示。

圖5 智能起爆器主函數(shù)流程圖Fig.5 Flow chart of main function for intelligent initiator

當(dāng)指令幀傳送到總線上，起爆器以中斷方式接收并判斷數(shù)據(jù)格式是否正確，若出現(xiàn)地址不匹配、無效命令或校驗錯誤，則直接丟棄該幀。只有3個條件同時滿足，該起爆器才會判定這是發(fā)給自己的正確指令幀，根據(jù)指令內(nèi)容執(zhí)行相應(yīng)的操作：狀態(tài)檢測、地址編碼、系統(tǒng)自檢、單址充電、廣播充電、單址發(fā)火、廣播發(fā)火，并將執(zhí)行結(jié)果以響應(yīng)幀的形式反饋給總線控制器。

3 起爆系統(tǒng)功能測試

最小起爆測試系統(tǒng)包括上位機PC、總線控制器和2個智能起爆器，如圖6所示。PC機用于模擬制導(dǎo)與控制單元向起爆系統(tǒng)輸入指令信號，因為PC機不具備RS-485總線接口，所以必須通過RS-232/485轉(zhuǎn)換器接入485總線網(wǎng)絡(luò)。起爆器以磁隔離的方式接入總線網(wǎng)絡(luò)。

圖6 最小起爆測試系統(tǒng)框圖Fig.6 Structure diagram of initiating test system

3.1 狀態(tài)檢測與地址編碼

系統(tǒng)組裝前，利用“微電子火工品自檢及編碼控制軟件”[11]對每個起爆器進行狀態(tài)檢測，并為狀態(tài)正常者寫入一個可擦寫的地址編碼。狀態(tài)檢測與地址編碼指令保證了接入系統(tǒng)的起爆器都是合格且具有身份標(biāo)識符ID。如圖7所示，該起爆器硬件電路正常，并被成功寫入地址編碼1。

圖7 狀態(tài)檢測與地址編碼結(jié)果Fig.7 Test result of state inspection and address coding

3.2 系統(tǒng)自檢測試

總線控制器接收到來自制導(dǎo)與控制單元的自檢信號，立即閉合自檢能量開關(guān)，將自檢能量通過總線傳送到起爆器單元；同時將自檢信號按幀格式組裝成標(biāo)準指令幀，廣播下發(fā)給所有起爆器。每個起爆器識別廣播地址與自檢指令，快速檢測充電電路、泄放電路及發(fā)火電路的工作狀態(tài)，并將自檢結(jié)果分時反饋給總線控制器。自檢指令再次確認了系統(tǒng)上的起爆器都能正常工作。

2號起爆器5V自檢電壓測試波形如圖8所示，在規(guī)定時間內(nèi)，儲能電容上的電壓均能達到規(guī)定閾值，說明充電電路、泄放電路及發(fā)火電路正常。

圖8 5V自檢電壓測試波形Fig.8 Test waveform of self-check voltage 5V

而且，總線控制器的液晶屏上顯示出“2號起爆器自檢正?！保鐖D9所示。自檢的充電時間稍長，有利于安全性的提高。

圖9 2號起爆器自檢結(jié)果Fig.9 Test result of self-inspection

3.3 解除保險測試

總線控制器接收到來自制導(dǎo)與控制單元的解保信號，立即閉合發(fā)火能量開關(guān)，將發(fā)火能量通過總線傳送到起爆器單元；同時將解保信號按幀格式組裝成標(biāo)準指令幀，轉(zhuǎn)發(fā)給指定起爆器。若是單址充電指令，則地址吻合的起爆器識別ID與解保指令，然后閉合充電開關(guān)，儲能電容迅速充電，待充電完成后，將充電結(jié)果反饋給總線控制器；若是廣播充電指令，則每個起爆器識別廣播地址與解保指令，并將充電結(jié)果分時反饋給總線控制器。解除保險指令保證了待發(fā)火的起爆器充上電，處于發(fā)火狀態(tài)的準備。

2號起爆器27V發(fā)火電壓測試波形如圖10所示，經(jīng)過約180ms儲能電容上的電壓達26.75V，說明充電成功。而且，總線控制器的液晶屏上顯示出“2號起爆器充電成功”，如圖11所示。

圖11 2號起爆器解保結(jié)果Fig.11 Test result of arming

3.4 發(fā)火

總線控制器接收到來自制導(dǎo)與控制單元的發(fā)火信號，將發(fā)火信號按幀格式組裝成標(biāo)準指令幀，轉(zhuǎn)發(fā)給指定起爆器。若是單址發(fā)火指令，則地址吻合的起爆器識別ID與發(fā)火指令，然后閉合發(fā)火開關(guān)，儲能電容上的能量通過半導(dǎo)體橋換能元SCB起爆火工藥劑；若是廣播發(fā)火指令，則所有起爆器幾乎在同一時間發(fā)火。為了提高系統(tǒng)的安全性，未能正常發(fā)火的起爆器閉合泄放開關(guān)，將電容存儲的能量通過泄放電阻釋放掉。

圖12 單點與雙點起爆測試Fig.12 Test result of single-point and two-point initiation

由圖10可知，發(fā)火時間約為10μs。單點、雙點起爆測試如圖12所示，在單點起爆測試中，1號起爆器在規(guī)定參數(shù)范圍內(nèi)正常發(fā)火；在雙點同步起爆測試中，1號和2號起爆器幾乎在同一時間內(nèi)發(fā)火，無瞎火現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

基于RS-485總線的智能起爆系統(tǒng)是融合了微電子技術(shù)、通信技術(shù)、自控技術(shù)及火工技術(shù)而形成的結(jié)構(gòu)微型化、換能信息化的分布式智能火工系統(tǒng)，使武器系統(tǒng)中所有火工品網(wǎng)絡(luò)化，通過總線尋址，安全可靠地實現(xiàn)單點起爆、多點順序起爆、多點同步起爆、延時起爆等多種起爆模式，最多可尋址255個起爆器。系統(tǒng)通信采用RS-485串行總線標(biāo)準，嚴格按照通信協(xié)議規(guī)范，進行數(shù)據(jù)高效可靠的雙向傳輸。經(jīng)通信和功能測試，驗證了該起爆系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸準確無誤且實時性強，能夠穩(wěn)定可靠地執(zhí)行地址編碼、狀態(tài)自檢、解除保險、尋址發(fā)火及精確延時等功能。但由于起爆系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，有很多不定的干擾源存在，故還需對該智能起爆系統(tǒng)進行電磁干擾測試，進一步提高系統(tǒng)可靠性。

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