王 鵬，袁士偉，劉子琦

(北京航空航天大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100191)

在現(xiàn)代兵器中，大部分武器依靠戰(zhàn)斗部對(duì)目標(biāo)進(jìn)行毀傷。戰(zhàn)斗部需要依靠引信起爆，因此引信在現(xiàn)代武器中起著至關(guān)重要作用。要保證引信的安全可靠，對(duì)引信進(jìn)行檢測(cè)十分必要。由于武器進(jìn)行長(zhǎng)途的輸運(yùn)，外部環(huán)境惡劣，或者長(zhǎng)期儲(chǔ)存，對(duì)引信的功能可能會(huì)帶來(lái)影響，對(duì)引信進(jìn)行出廠和戰(zhàn)前檢測(cè)是保證武器安全可靠的必不可少的步驟。研制一臺(tái)便攜式檢測(cè)儀具有很高的實(shí)用價(jià)值。

直列式起爆裝置最早應(yīng)用于核技術(shù)，在20 世紀(jì)80年代后迅速發(fā)展［2］。由于直列式起爆裝置解除保險(xiǎn)后可以恢復(fù)到安全狀態(tài)，因此直列式起爆裝置可以反復(fù)檢測(cè)全部功能。本檢測(cè)儀是針對(duì)某型號(hào)水中兵器使用的直列式起爆裝置研制的。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 直列式起爆裝置原理

直列式起爆裝置主要包括4 部分:電子安全邏輯模塊，高壓引爆模塊，沖擊片雷管，傳爆序列［1，7］，如圖1 所示。

圖1 直列式起爆系統(tǒng)示意圖

工作原理是t0時(shí)刻上電，此時(shí)為計(jì)時(shí)原點(diǎn)，當(dāng)信號(hào)EV1來(lái)時(shí)將27 V 電源接通，當(dāng)EV2 在規(guī)定時(shí)間來(lái)后，接通27 V供電的地線，EV3 在規(guī)定的時(shí)間窗來(lái)后動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)打開(kāi)，之后起爆裝置接收到EV4 觸發(fā)信號(hào)后，起爆裝置起爆［7］。

1.2 檢測(cè)儀組成及功能

檢測(cè)儀包括顯示模塊，手動(dòng)時(shí)序輸入模塊、時(shí)序信號(hào)發(fā)送模塊，電源管理模塊，反饋信號(hào)檢測(cè)模塊，如圖2 所示。

圖2 檢測(cè)儀原理圖

檢測(cè)儀檢測(cè)電子安全邏輯模塊以及高壓引爆模塊。檢測(cè)儀向直列式起爆裝置提供27 V 供電，和6 V 供電。并提供4 路模擬環(huán)境的時(shí)序電平信號(hào)，可以接收手動(dòng)模擬環(huán)境時(shí)序。具備手動(dòng)和自動(dòng)輸入切換功能。檢測(cè)儀既可以作為檢測(cè)直列式起爆裝置檢測(cè)儀使用，又可以作為驅(qū)動(dòng)直列式起爆裝置的驅(qū)動(dòng)器使用。

采用彩色液晶屏顯示，顯示內(nèi)容主要包括27 V 供電電壓值，6 V 供電電壓值，上電計(jì)時(shí)零點(diǎn)，EV1 ～EV4 輸入狀態(tài)，以及S1 ～S4 的狀態(tài)(S1 代表的是靜態(tài)開(kāi)關(guān)1 閉合狀態(tài)，S2代表的是動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)2 閉合狀態(tài)，S3 代表動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)狀態(tài)，S4 是高壓狀態(tài)檢測(cè)信號(hào))。以及S5 解除保險(xiǎn)狀態(tài)信號(hào)，S6 錯(cuò)誤狀態(tài)反饋信號(hào)。一個(gè)5 V 反饋信號(hào)，電壓值反映高壓電容兩端電壓，當(dāng)電壓為5 V 時(shí)表示電容兩端電壓為3 000 V。

2 STM32 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本檢測(cè)儀采用意法半導(dǎo)體的STM32F103VET6 芯片作為主控制器，STM32 系列是以Cortex -M3 為內(nèi)核的高性能，低功耗，低成本的芯片，適合應(yīng)用在便攜式設(shè)備上［6］。STM32F103VET6 工作頻率最高為72 MHz，512K 內(nèi)部flash，64KRAM，12 位ADC，采用2.0 ～3.6 V 供電和I/O 引腳。2個(gè)12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，16 個(gè)通道［6］。由于STM32 集成了豐富的外設(shè)功能，因此外部元件使用極少，使得電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)也降低功耗，此外由于ST 公司提供固件庫(kù)，使得其使用簡(jiǎn)單方便，大大縮短開(kāi)發(fā)周期，因而是本檢測(cè)儀的首選主控制芯片。

本檢測(cè)儀將要使用到的是其ADC 轉(zhuǎn)換器，GPIO 快速端口，看門狗定時(shí)器，靜態(tài)存儲(chǔ)控制器模塊(FSMC)，通用定時(shí)器，EXTI 中斷模塊。

使用8 MHz 外部晶振提供時(shí)鐘信號(hào)。復(fù)位電路和外部晶振電路［6］如圖3 所示。

圖3 復(fù)位電路和外部晶振電路

當(dāng)BOOT1 =x，BOOT0 =0 時(shí)從用戶閃存開(kāi)始運(yùn)行程序;當(dāng)要下載程序時(shí)BOOT1 =1，BOOT0 =0，從系統(tǒng)存儲(chǔ)器開(kāi)始啟動(dòng)［6］。電路圖如圖4 所示。

圖4 BOOT 引腳設(shè)置

3 檢測(cè)模塊

總共有7 個(gè)反饋信號(hào)，和2 個(gè)供電信號(hào)需要檢測(cè)。反饋信號(hào)有S1 ～S6，和一個(gè)5 V 反饋信號(hào)，供電電壓信號(hào)為一個(gè)27 V 供電電壓信號(hào)，一個(gè)6 V 供電電壓信號(hào)。反饋狀態(tài)信號(hào)是S1 ～S6，電平為27 V。檢測(cè)儀使用STM32 的ADC 轉(zhuǎn)換器來(lái)檢測(cè)這些信號(hào)，ADC 轉(zhuǎn)換器輸入電壓最大為3.6 V。因此需要對(duì)這幾路信號(hào)分壓，分壓之后接入OPA2335 運(yùn)放所組成的電壓跟隨器，OPA2335 屬于軌至軌輸入輸出運(yùn)放，有較寬的電源電壓范圍，這里采用3.3 V 供電，如圖5 所示。信號(hào)經(jīng)過(guò)低通濾波之后進(jìn)入ADC 的輸入通道之中，ADC 轉(zhuǎn)換器總共有16 個(gè)通道，這里使用9 個(gè)通道。

圖5 電壓跟隨器

4 顯示模塊設(shè)計(jì)

采用2.4 寸彩色液晶顯示屏，分辨率為320* 240，使用奕力科技的ILI9325 液晶控制芯片。采用MCU 接口模式，主要有片選信號(hào)CS，讀信號(hào)RD，寫(xiě)信號(hào)WR，數(shù)據(jù)命令選擇信號(hào)RS，16 位數(shù)據(jù)線。STM32 使用FSMC(可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器)與ILI9325 芯片相連，如圖6 所示。顯示內(nèi)容有輸入信號(hào)Start，EV1，EV2，EV3，EV4 的狀態(tài);反饋信號(hào)S1 -S6 的狀態(tài);27 V 和6 V 供電電壓，5 V 反饋的反饋電壓;Start 信號(hào)輸入后開(kāi)始計(jì)時(shí)的計(jì)時(shí)時(shí)鐘顯示。

圖6 顯示模塊示意圖

5 時(shí)序輸入輸出模塊

直列式起爆裝置為提高其可靠性，只有在規(guī)定的信號(hào)來(lái)之后，才會(huì)對(duì)儲(chǔ)能電容充電，只有在正確信號(hào)情況下才可以觸發(fā)。檢測(cè)儀主要依靠對(duì)信號(hào)的時(shí)序，脈寬，時(shí)間窗，閾值進(jìn)行判別來(lái)保證信號(hào)的正確性［7］，如圖7 所示是正確時(shí)序圖。由于正確的時(shí)序只有一個(gè)，故檢測(cè)儀可自動(dòng)提供正確時(shí)序，錯(cuò)誤時(shí)序較為復(fù)雜，所以錯(cuò)誤時(shí)序由手動(dòng)有選擇提供。

圖7 正確時(shí)序

手動(dòng)時(shí)序先輸入進(jìn)STM32，然后控制器驅(qū)動(dòng)外圍電路向直列式起爆裝置發(fā)送信號(hào)，由于后端接口是27 V 電平，因而STM32 無(wú)法直接輸出電平信號(hào)來(lái)直接驅(qū)動(dòng)起爆裝置，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。輸入信號(hào)可以直接接入STM32 的GPIO 端口，GPIO 最大可容忍5 V 輸入，采用撥動(dòng)開(kāi)關(guān)向端口輸入高低電平信號(hào)，軟件實(shí)現(xiàn)防抖功能，如圖8 所示。引腳設(shè)置成為數(shù)據(jù)輸入模式，設(shè)置相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，然后讀取引腳狀態(tài)，當(dāng)沒(méi)有按鍵按下時(shí)，引腳是高電平，使用中斷控制器來(lái)判斷輸入端口的電平信號(hào)狀態(tài)。

圖8 按鍵輸入電路示意圖

檢測(cè)儀向直列式起爆裝置發(fā)送27 V 電平信號(hào)的電路使用光耦與后端電路隔離開(kāi)，防止燒壞主控制器。GPIO 端口輸出高電平信號(hào)導(dǎo)通光耦，使得PMOS 管接通，向后端發(fā)送27 V 的電平信號(hào)，如圖9 所示。

圖9 27 V 電平信號(hào)輸出模塊

6 電源模塊設(shè)計(jì)

本檢測(cè)儀采用電池供電，使用4 節(jié)5 號(hào)干電池，因而可提供6 V，4.5 V，3 V 電壓。要求為TFT 屏，STM32，OPA2335提供3.3 V 電壓，為驅(qū)動(dòng)后端需提供27 V 電壓。因此電源模塊包含兩個(gè)部分，一個(gè)提供3.3 V，一個(gè)提供27 V。3.3 V 由TI 公司的TPS61016 芯片提供，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)96%［8］，如圖10 所示。

圖10 TPS61016 電源電路

27 V 由TPS61042 芯片提供［9］，電壓輸入為6 V，輸出為27 V，如圖11 所示。

圖11 TPS61042 電源電路

7 結(jié)論

本檢測(cè)儀使用ST 公司的STM32F103VET6 作為主控制芯片，由于有固件庫(kù)，使得使用大為方便，極大的縮短了開(kāi)發(fā)周期。并且充分利用其豐富的功能模塊和極低的功耗特點(diǎn)，減少外圍器件，降低檢測(cè)儀的功耗和體積，實(shí)現(xiàn)手持式，方便使用，使得直列式起爆裝置檢測(cè)儀更具實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值，更有利于直列式起爆裝置的大范圍推廣。

［1］袁士偉.固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)直列式點(diǎn)火系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.宇航學(xué)報(bào)，2006，27(5):1059-1062.

［2］楊振發(fā)，楊振英.直列式安全點(diǎn)火系統(tǒng)及其在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用前景［J］.火工品，2002(1):52-54.

［3］劉志強(qiáng)，李世義，申強(qiáng).ESA 多功能測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2004(增刊):398-403.

［4］曹圓圓.基于STM32 的溫度測(cè)量系統(tǒng)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2010(3):16-18.

［5］季力.基于STM32 芯片的電參數(shù)測(cè)量與數(shù)據(jù)傳輸［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2010(3):137-139.

［6］李寧.基于MDK 的STM32 處理器應(yīng)用開(kāi)發(fā)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

［7］黨瑞榮，楊振英.直列式爆炸序列的控制技術(shù)［J］.火工品，1994(4):74-79.

［8］TI Corporation，TPS6101x High-Efficiency，1-Cell and 2-Cell Boost Converters［EB/OL］.http://www.ti.com.2014.

［9］TI Corporation，TPS61042 Constant Current LED Driver［EB/OL］.http://www.ti.com.2014.