【摘要】介紹了AD公司的ADXL78系列加速度芯片的基本工作原理。利用該系列的AD22280芯片設(shè)計(jì)了一種飛行體引信電子保險(xiǎn)裝置，使集成微機(jī)電（iMEMS）技術(shù)成功地應(yīng)用于研制項(xiàng)目，改變了以往飛行體引信單純依靠機(jī)械慣性保險(xiǎn)裝置工作的狀況，并通過了多次實(shí)驗(yàn)室和外場試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明該電子加速度保險(xiǎn)裝置具有很高的可靠性，可完全取代原有機(jī)械慣性保險(xiǎn)裝置。此外，該設(shè)計(jì)還為飛行體引信進(jìn)一步朝電子化、智能化方向的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】iMEMS；加速度；引信；電子保險(xiǎn)

1.引言

微型電子機(jī)械系統(tǒng)是一個(gè)迅速發(fā)展的多學(xué)科技術(shù)交叉的領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體加工方法制作的微尺度的機(jī)械、流體、電子、光學(xué)及其它一些器件，常常同微電子電路集成在一起完成傳感、信號處理、計(jì)算、控制和執(zhí)行等功能。

隨著引信系統(tǒng)智能化的趨勢，機(jī)電和安全電子系統(tǒng)以其高度的信息化特點(diǎn)將逐步在引信設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)地位，安全系統(tǒng)也是如此。在某飛行體設(shè)計(jì)中，依據(jù)其所采用發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)，我們設(shè)計(jì)了一種基于加速度傳感器AD22280及其外圍電路的電子加速度保險(xiǎn)裝置，通過感知飛行體在飛行過程中的加速度來控制點(diǎn)火回路的接通，經(jīng)過數(shù)次試驗(yàn)證明了該設(shè)計(jì)的有效性與可靠性。該電子加速度保險(xiǎn)裝置可取代原有的機(jī)械慣性保險(xiǎn)裝置。

2.基于AD22280的電子加速度保險(xiǎn)裝置設(shè)計(jì)

2.1 AD22280介紹

AD22280是AD公司生產(chǎn)的ADXL78系列中的一款低功耗、單軸加速度測量系統(tǒng)，可測試動(dòng)態(tài)加速度和靜態(tài)加速度（重力加速度）。ADXL78系列是AD公司第四代低成本、高性能，表面微機(jī)械加速度計(jì)。其物理尺寸為5mm×5mm×2mm，8引腳陶瓷LCC封裝，量程為±50g，全差分傳感器，電路抗電磁干擾性能高。帶電或不帶電情況下可承受極限加速度值為4000g，工作和貯存溫度范圍為-40～105℃。圖1為ADXL78功能模塊圖。

2.2 ADXL78工作原理

ADXL78提供了一種完全地差分傳感器結(jié)構(gòu)和電路通道，達(dá)到了行業(yè)內(nèi)最高的抗電磁干擾和射頻干擾效果。這種最新的產(chǎn)品利用零壓力電反饋改進(jìn)精確性和穩(wěn)定性。該傳感器的共振頻率顯著地高于片上濾波器信號帶寬設(shè)置，避免了由信號帶寬附近的共振頻率峰值引起的信號分析問題。

圖2是ADXL78系列加速度芯片內(nèi)部差分傳感器原理的示意圖。每個(gè)傳感器包含幾個(gè)差分電容器單元。每個(gè)單元又由附著在基底的固定電極和附著在框架的移動(dòng)電極組成?？蚣艿囊苿?dòng)改變了片上電路測量的差分電容。

器件內(nèi)部補(bǔ)充的400kHz方波驅(qū)動(dòng)固定電極。電反饋調(diào)整方波的幅度確保移動(dòng)電極上的交流信號為0。傳感器反饋信號與外部施加的加速度線性成比例。這種獨(dú)特的反饋技術(shù)保證了沒有多余的靜電力作用于傳感器上。差分反饋控制信號同樣應(yīng)用到了濾波器的輸入端，輸入端被濾波并且轉(zhuǎn)換成了單端輸出信號。

2.3 引信電子加速度保險(xiǎn)裝置原理及組成

基于上述加速度傳感器，我們設(shè)計(jì)了一型電子加速度保險(xiǎn)裝置，用于替代傳統(tǒng)電子引信中的機(jī)械慣性保險(xiǎn)裝置。

2.3.1 電子加速度保險(xiǎn)裝置工作原理

電子加速度保險(xiǎn)裝置由引信電路為其提供+5V工作電源，提供時(shí)機(jī)為發(fā)射控制系統(tǒng)為引信提供工作電源的同時(shí)，確保保險(xiǎn)裝置能夠在飛行體發(fā)動(dòng)機(jī)工作的有效時(shí)間段內(nèi)檢測其運(yùn)動(dòng)加速度。保險(xiǎn)裝置上電工作后，微處理器開始檢測兩路加速度輸出信號，根據(jù)對加速度傳感器輸出信號的實(shí)時(shí)采集、判斷，確定當(dāng)加速度滿足飛行體運(yùn)動(dòng)全過程時(shí)，適時(shí)輸出一定時(shí)長的時(shí)鐘信號，使點(diǎn)火回路開關(guān)接通，保證飛行體后續(xù)正常的分離、布放點(diǎn)火。當(dāng)時(shí)鐘信號結(jié)束后，及時(shí)斷開點(diǎn)火回路，保證系統(tǒng)安全。

2.3.2 電子加速度保險(xiǎn)裝置組成

電子加速度保險(xiǎn)裝置主要由PIC處理器、冗余加速度模塊、單穩(wěn)態(tài)電路以及開關(guān)管電路組成，如圖3所示。

PIC處理器采用Microchip公司的PIC12F675低功耗單片機(jī)，該單片機(jī)為8引腳閃存CMOS單片機(jī)。內(nèi)部集成了看門狗、E2PROM、AD轉(zhuǎn)換器等功能單元，具有體積小、低功耗、寬電壓工作范圍等一系列優(yōu)勢。PIC處理器主要完成對兩路加速度信號的采集，根據(jù)判斷策略決定是否輸出開關(guān)接通信號。圖4給出了電子加速度保險(xiǎn)裝置中PIC單片機(jī)及其外圍電路。其中，D1為電子加速度保險(xiǎn)裝置工作指示燈。

電子加速度保險(xiǎn)裝置采用兩個(gè)加速度模塊電路作為系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)。加速度模塊電路由AD22280及其外圍電路組成。其外圍電路如圖5所示。

加速度模塊電路為AD公司推薦的典型電路。其中C2、C3為電源濾波電容，C4為加速度電壓輸出信號濾波電容，R2為電源去耦電阻。ST端為外部提供的測試電源輸入端，當(dāng)ST端輸入5V電壓時(shí)，加速度芯片的XOUT端將輸出約2.9V左右的電壓，相當(dāng)于10g加速度對應(yīng)的電壓值。

單穩(wěn)態(tài)電路主要采用74AHC123A芯片實(shí)現(xiàn)，將PIC單片機(jī)輸出的時(shí)鐘信號（CLOCK）轉(zhuǎn)換為Q端的高電平，保證保險(xiǎn)裝置持續(xù)接通。同時(shí)從系統(tǒng)上電，至保險(xiǎn)裝置開關(guān)接通前，利用低電平（CLEAR信號）使單穩(wěn)態(tài)電路Q端強(qiáng)制輸出低電平，確保保險(xiǎn)裝置開關(guān)不意外接通。待檢測到加速度完整過程后，改變CLEAR信號為高電平，解除單穩(wěn)態(tài)強(qiáng)制低電平輸出，再通過時(shí)鐘信號使保險(xiǎn)裝置開關(guān)接通。時(shí)鐘信號結(jié)束，單穩(wěn)態(tài)強(qiáng)制拉低，保險(xiǎn)裝置開關(guān)斷開，確保系統(tǒng)安全。

開關(guān)管電路利用單穩(wěn)態(tài)電路提供的高電平信號控制MOS管工作，MOS管的輸入輸出端分別接點(diǎn)火電源輸入及輸出，為點(diǎn)火序列提供發(fā)火能量。其中BATT_IN為點(diǎn)火電源輸入，BATT_OUT為點(diǎn)火電源輸出。

經(jīng)理論計(jì)算，電子加速度保險(xiǎn)裝置靜態(tài)功耗為15mA左右，符合引信低功耗設(shè)計(jì)要求。

3.電子加速度保險(xiǎn)裝置軟件設(shè)計(jì)

由于電子加速度保險(xiǎn)裝置采用了微處理器加傳感器的設(shè)計(jì)模式，因此需要對微處理器進(jìn)行程序編寫，借助軟硬件聯(lián)合手段實(shí)現(xiàn)電子加速度保險(xiǎn)裝置的功能。

電子加速度保險(xiǎn)裝置軟件的主要功能為：當(dāng)系統(tǒng)為保險(xiǎn)裝置提供5V工作電源后，電路開始工作，微處理器首先上電復(fù)位，完成系統(tǒng)初始化，隨后微處理器開始以一定時(shí)間間隔對連接到兩路加速度傳感器輸出的模擬輸入進(jìn)行交叉采樣，并在每路信號采樣結(jié)束后完成對采樣數(shù)據(jù)的判別處理，依據(jù)對連續(xù)結(jié)果的判斷，確定出每路加速度結(jié)果的上升沿（或下降沿）以及持續(xù)時(shí)間（上升沿還是下降沿依據(jù)加速度傳感器在飛行體的安裝方向，此處按初始出現(xiàn)下降沿介紹），根據(jù)加速度門限值與過門限值后的持續(xù)時(shí)間確定是否輸出一定時(shí)間的時(shí)鐘信號，使保險(xiǎn)裝置開關(guān)在該時(shí)間段內(nèi)接通，為點(diǎn)火任務(wù)提供點(diǎn)火電源。時(shí)鐘信號的輸出時(shí)間到達(dá)后，微處理器結(jié)束時(shí)鐘信號輸出，保險(xiǎn)裝置開關(guān)斷開，確保系統(tǒng)安全。電子加速度保險(xiǎn)裝置軟件流程圖如圖8所示。

4.試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證

如圖3所示，電子加速度保險(xiǎn)裝置與引信電路有兩路加速度的接口，而加速度芯片的輸出也通過跳線與PIC12F675單片機(jī)的模擬采樣端口連接。因此在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證時(shí)，可跳開跳線，斷開加速度芯片與PIC單片機(jī)的連接，通過引信接插件端口為電子加速度保險(xiǎn)裝置后級電路提供模擬加速度信號，檢驗(yàn)除加速度模塊之外的其他電路功能的正確性。圖9給出了實(shí)驗(yàn)室模擬信號輸入情況下的驗(yàn)證結(jié)果，電子加速度保險(xiǎn)裝置在加速度判斷滿足判決準(zhǔn)則后可靠接通。

4.2 外場試驗(yàn)驗(yàn)證

電子加速度保險(xiǎn)裝置經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證后，又在外場試驗(yàn)中經(jīng)歷了近百次檢驗(yàn)，均可靠地完成了其使命任務(wù)。這足以證明電子加速度保險(xiǎn)裝置在實(shí)際使用過程中的有效性，足以替代原有的機(jī)械慣性保險(xiǎn)裝置。

圖10為某飛行體一次飛行試驗(yàn)過程中的軸向加速度曲線及對應(yīng)的電子加速度保險(xiǎn)裝置開關(guān)工作狀態(tài)記錄。同實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證結(jié)果一致，電子加速度保險(xiǎn)裝置在彈體軸向加速度出現(xiàn)且持續(xù)一定時(shí)間后可靠解除保險(xiǎn)。此外，圖10還記錄了該飛行體飛行過程中的幾個(gè)典型階段的軸向加速度。A、B、C、D分別代表了其發(fā)射、分離、開傘以及觸地四個(gè)階段的軸向加速度示意圖。

5.結(jié)束語

本文給出了基于加速度芯片AD22280的引信電子加速度保險(xiǎn)裝置的基本原理、硬件電路和軟件設(shè)計(jì)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證和多次外場試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了電子加速度保險(xiǎn)裝置的有效性與可靠性，可完全替代原有引信的機(jī)械慣性保險(xiǎn)裝置。同時(shí)，電子加速度保險(xiǎn)裝置的設(shè)計(jì)還為飛行體引信設(shè)計(jì)進(jìn)一步朝電子化、智能化方向的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡介：姚海濤（1979—），女，碩士，現(xiàn)供職于宜昌測試技術(shù)研究所，主要從事電子對抗技術(shù)研究。