為電子時(shí)間引信增添CAN總線自檢模塊

沈 波,柏 舸,雷向莉,劉 杰

(西安機(jī)電信息研究所,陜西西安 710065)

0 引言

在子母火箭彈武器系統(tǒng)中,通常使用電子時(shí)間引信完成火箭彈的定時(shí)開艙功能。能不能達(dá)到預(yù)先設(shè)定的作戰(zhàn)目的,電子時(shí)間引信正常工作與否十分重要。如果武器系統(tǒng)能夠在裝定時(shí)對其進(jìn)行全面檢測,就可以剔除故障引信保證彈藥系統(tǒng)的毀傷效率[1-3]。目前國內(nèi)針對電子時(shí)間引信的自檢測存在空白。引信在實(shí)際使用過程中只是利用引信外部的裝定器對其進(jìn)行裝定,只要裝定成功即判定引信工作正常,火箭彈允許發(fā)射。這種使用方法只能確定引信的裝定功能是否正常,并不能反映引信內(nèi)部其他部件的工作狀態(tài),存在局限性。為此,本文提出電子時(shí)間引信的CAN總線自檢測方法。

1 一般裝定方法和CAN總線

1.1 一般電子時(shí)間引信的裝定方法

在總裝完成后,電子時(shí)間引信對外部只保留通信接口和供電接口。裝定器作為武器系統(tǒng)與引信之間的橋梁,負(fù)責(zé)為引信供電和時(shí)間裝定。裝定是指裝定器與引信之間的一個(gè)信息傳遞過程,數(shù)據(jù)傳輸采用自定義數(shù)字編碼方式[4]。這種傳輸方式結(jié)構(gòu)簡單、傳輸效率高,便于集成。但由于沒有統(tǒng)一的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn),通信協(xié)議由硬件固定不易更改,無法提供復(fù)雜數(shù)據(jù)信息的高速雙向傳輸,存在局限性。通過該接口,裝定器對引信發(fā)出裝定指令并接收引信的回答信號。在實(shí)際使用過程中,如果引信裝定正確,則判定引信工作正常。一般電子時(shí)間引信裝定的工作原理如圖1所示。

圖1 一般電子時(shí)間引信裝定的工作原理圖Fig.1 Primary electronic time fuze work schematic diagram

1.2 CAN總線

現(xiàn)場總線是在工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中運(yùn)行的全數(shù)字化、雙向、多變量、多點(diǎn)多站的通信系統(tǒng)。CAN總線是眾多現(xiàn)場總線技術(shù)中公認(rèn)最有前途的幾種之一,也是目前為止唯一具有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。CAN總線具有大量現(xiàn)成的器件可以選擇,結(jié)構(gòu)簡單,使用方便[5]。結(jié)合CAN總線的技術(shù)特點(diǎn),電子時(shí)間引信采用該接口具有以下優(yōu)勢:

1)CAN總線采用差分傳輸方式,每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn),具有很強(qiáng)的抗干擾能力,符合引信裝定數(shù)據(jù)傳輸可靠性要求高的特點(diǎn);

2)CAN總線具有國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,便于全武器系統(tǒng)的功能集成;可滿足多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),布局更加靈活,適應(yīng)性更強(qiáng),便于在不同的武器系統(tǒng)中跨平臺移植;

3)在多管火箭炮武器平臺上,多發(fā)電子時(shí)間引信與裝定器之間的通信方式可采用CAN總線的多主方式工作,大大減少裝定器與引信之間通信電纜的連接數(shù)量。

CAN總線可以在裝定器和引信之間建立一個(gè)雙向高速數(shù)據(jù)傳輸通道。通過該接口引信可以實(shí)時(shí)將自身狀態(tài)上報(bào)裝定器,裝定器負(fù)責(zé)管理和處理相關(guān)數(shù)據(jù),監(jiān)控每一發(fā)引信的工作狀態(tài),出現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)告火控系統(tǒng)。

2 自檢測電子時(shí)間引信的CAN總線檢測原理

2.1 自檢測電子時(shí)間引信的組成

通過電子時(shí)間引信的裝定原理可以看出,裝定器對引信的裝定過程僅能證明引信對裝定時(shí)間的接收是否正常,而無法說明引信其他模塊的狀態(tài),因此在一般電子時(shí)間引信的基礎(chǔ)上增加了CAN總線模塊和自檢測模塊。利用自檢測模塊,引信可實(shí)現(xiàn)對自身內(nèi)部參數(shù)的全面檢測。通過CAN總線模塊,裝定器能夠查詢引信自檢測的相關(guān)數(shù)據(jù),判斷引信的工作狀態(tài)是否正常。自檢測電子時(shí)間引信的CAN總線檢測原理圖如圖2所示。

圖2 自檢測電子時(shí)間引信的CAN總線檢測原理圖Fig.2 CAN-bus checking schematic diagram of self-checking electronic time fuze

2.2 自檢測模塊的工作原理

引信自檢測模塊電路采用的微處理器內(nèi)置12位精度、速率500 kHz的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和數(shù)字I/O口,可以同時(shí)處理多路模擬信號和數(shù)字信號量[6]。為保證檢測的全面性,檢測點(diǎn)須覆蓋組成引信的各個(gè)模塊。根據(jù)一般電子時(shí)間引信的組成和工作原理,電子時(shí)間引信自檢測工作原理如圖3所示。

測試點(diǎn)根據(jù)測量的特性可以分為以下四類:

1)電壓值測量:電源電壓、化學(xué)電源輸出電壓、電池激活執(zhí)行級儲能電容電壓、點(diǎn)火執(zhí)行級儲能電容電壓;

2)電阻值測量:電點(diǎn)火管內(nèi)阻;

3)時(shí)間值測量:定時(shí)時(shí)間;

4)開關(guān)信號測量:點(diǎn)火輸出信號、安全與解除保險(xiǎn)裝置的解保狀態(tài)。

微處理器配合外圍電路可完成上述四類測試點(diǎn)的測量。測試點(diǎn)涵蓋了引信內(nèi)部各個(gè)模塊的所有關(guān)鍵點(diǎn)。通過對這些點(diǎn)的連續(xù)檢測, 不但能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)引信控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)是否出現(xiàn)異常,還可以對故障進(jìn)行相對準(zhǔn)確地定位。

圖3 電子時(shí)間引信自檢測工作原理圖Fig.3 Electronic time fuze self-checking schematic diagram

2.3 裝定檢測方法

裝定器和引信之間的通信接口由自定義專用數(shù)字編碼方式更改為CAN總線通信方式。CAN總線更加靈活,可根據(jù)需要隨時(shí)更改通信數(shù)據(jù)內(nèi)容,通用性、互換性好,可靠性、傳輸速度更高。引信的時(shí)間裝定指令和一般引信基本相同。新增加檢測指令,該指令由裝定器發(fā)出,引信接收后,利用自檢測模塊進(jìn)行自檢,完成后再將信息反饋裝定器。裝定和自檢測方法相對于一般引信可為其各個(gè)階段提供更加方便、全面的檢測結(jié)果。

2.3.1 生產(chǎn)過程中檢測

引信的生產(chǎn)過程要經(jīng)過部件裝配、調(diào)試,產(chǎn)品總裝和出所驗(yàn)收等階段。自檢測功能可以應(yīng)用在各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)中,及時(shí)發(fā)現(xiàn)和定位故障,剔除在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中可能由元器件質(zhì)量差異、焊接方法不當(dāng)、灌封工藝缺陷等引發(fā)的不合格產(chǎn)品。

2.3.2 火箭彈發(fā)射前檢測

火箭彈在發(fā)射前,武器系統(tǒng)可通過裝定器對引信進(jìn)行周期性檢測。檢測指令分為兩種,一種是報(bào)警模式,一種是應(yīng)答模式。在報(bào)警模式下,自檢測功能由引信按照一定的周期自動(dòng)執(zhí)行,僅在發(fā)現(xiàn)問題時(shí)才向裝定器上報(bào)故障情況,可節(jié)省總線資源。在應(yīng)答模式下,引信接收一次裝定器的指令執(zhí)行一次檢測,并將詳細(xì)的檢測結(jié)果反饋。應(yīng)答模式主要用于武器系統(tǒng)對引信的全面檢測,其缺點(diǎn)是對總線的資源占用比較大。

2.3.3 火箭彈發(fā)射后檢測

火箭彈發(fā)射后,引信自檢測模塊繼續(xù)工作,在火箭彈飛行全過程中監(jiān)測引信的工作時(shí)序與狀態(tài),記錄第一級火工品短路開關(guān)打開時(shí)間、安全與解除保險(xiǎn)裝置解除保險(xiǎn)時(shí)間、點(diǎn)火電容充電時(shí)刻與電壓、引信開艙點(diǎn)火信號輸出時(shí)間等相關(guān)引信飛行數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)直接存儲在微處理器的FLASHROM中。在回收引信后,即可通過通信接口讀出所需數(shù)據(jù)。彈上存貯功能在引信研制階段非常有用。在科研靶試時(shí),如果出現(xiàn)引信沒有作用的情況,可以直接提供飛行時(shí)的原始數(shù)據(jù),便于問題的查找與定位。

3 可行性論證

3.1 新增模塊的影響分析

具有自檢測功能的電子時(shí)間引信在一般電子時(shí)間引信的基礎(chǔ)上共增加了兩個(gè)模塊,自檢測模塊和CAN總線模塊,其他功能模塊的設(shè)計(jì)保持不變。增加的模塊只在外圍工作,沒有更改電子時(shí)間引信的工作狀態(tài)。在增加新功能的同時(shí)具有良好的繼承性,不會對引信的主要技術(shù)性能造成不利影響。

3.2 功耗分析

實(shí)驗(yàn)室測得電子時(shí)間引信工作時(shí)的功耗為525.85 mW,增加自檢測模塊后功耗變?yōu)?567.4 mW,約增加了7%,幅度增加不大。使用一般的裝定器供電電源,其驅(qū)動(dòng)能力能夠滿足新的使用要求。

3.3 安全性及失效性分析

對檢測點(diǎn)進(jìn)行檢測時(shí),唯有對電點(diǎn)火管的檢測可能帶來安全問題。

總裝完成后引信的電點(diǎn)火管被短路開關(guān)短路,不具備可測性,所以對電點(diǎn)火管內(nèi)阻的檢測僅在火箭彈發(fā)射后進(jìn)行。其方法是在電點(diǎn)火管上串聯(lián)一只1 kΩ電阻,然后通過檢測開關(guān)接3.3 V直流電源。不測試時(shí),檢測開關(guān)打開不對電點(diǎn)火管加點(diǎn)。測試時(shí)檢測開關(guān)閉合,通過測量電點(diǎn)火管上的電壓即可計(jì)算出電點(diǎn)火管的內(nèi)阻。該方法在測試時(shí)經(jīng)過電點(diǎn)火管的測試電流為3.3 mA,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電點(diǎn)火管50 mA的安全電流,也小于QJ41型電雷管測試儀最大電流不超過27 mA的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

通過上述對檢測流程和檢測方法的分析,即使模塊出現(xiàn)故障,無法完成通信檢測功能,至多導(dǎo)致引信無法正常工作,但不會對引信帶來安全性隱患。

3.4 經(jīng)濟(jì)性分析

自檢測模塊采用的微處理器為完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU,該處理器集成度高,只需要配合少量的外圍器件即可滿足檢測要求。同時(shí)該MCU整合了CAN總線控制器2.0B,只需外掛一個(gè)CAN總線收發(fā)器,就可以實(shí)現(xiàn)CAN總線的通信。因此增加兩個(gè)模塊對于引信整體來說只增加了很少的電路,價(jià)格便宜,但能有效提高引信作用可靠性,相對一發(fā)火箭彈的成本來說是非常經(jīng)濟(jì)的。

3.5 通信接口改變的影響分析

在和武器系統(tǒng)信息交聯(lián)的接口設(shè)計(jì)上,電子時(shí)間引信一般采用自定義的專用數(shù)字編碼通信。其與CAN總線通信的性能對比分析見表1。

表1 自定義的專用數(shù)字編碼和CAN總線通信的性能對比Tab.1 Communication performance comparison of self defined special-purpose digital coding and CAN-Bus

通過對比,不論是在抗干擾能力還是數(shù)據(jù)傳輸速率等各個(gè)參數(shù)方面,CAN總線都優(yōu)于一般電子時(shí)間引信所采用的通信方式。CAN總線驅(qū)動(dòng)芯片采用單片式設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。采用該接口使得引信與裝定器的通信鏈路具有更強(qiáng)的抗干擾能力、更高的傳輸速率和靈活性。

3.6 檢測數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證電子時(shí)間引信自檢測方法的有效性,在實(shí)驗(yàn)室利用C8051F041單片機(jī)測試板對電子時(shí)間引信控制電路進(jìn)行了測試,其中電點(diǎn)火管使用10 Ω的電阻模擬,安全與解除保險(xiǎn)裝置狀態(tài)由開關(guān)模擬。測試試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 測試試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test result

從試驗(yàn)結(jié)果能夠看出,電子時(shí)間引信自檢測方法可以對電子時(shí)間引信內(nèi)部的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測量,常溫下測試精度均高于3%,檢測后得到的數(shù)據(jù)可以反映電子時(shí)間引信各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的工作狀態(tài)。

4 結(jié)論

本文在一般電子時(shí)間引信基礎(chǔ)上提出了引信自檢測方法,該方法采用新的引信與外部通信接口,引入CAN總線通信方式,在控制電路中增加自檢測模塊,對引信的工作時(shí)序進(jìn)行局部調(diào)整,使引信在生產(chǎn)過程中、火箭彈發(fā)射前、火箭彈發(fā)射后都具有全面的自檢測能力。分析表明,采用新的通信應(yīng)答方式提高了引信時(shí)間裝定的可靠性。沿用一般電子時(shí)間引信控制電路,保持其工作狀態(tài)不變,產(chǎn)品具有良好的繼承性。實(shí)驗(yàn)表明該檢測方法能夠全面地對引信進(jìn)行檢測,檢測方法合理可行。今后針對多引信和裝定器通信網(wǎng)絡(luò)模式下如何簡化引信編號方法的問題,還需要作進(jìn)一步研究。

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