基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路

李曉晨，柳海斌，李　仿

(1.西安機電信息技術研究所，陜西 西安　710065；2.西北工業集團，陜西 西安　710043)

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基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路

李曉晨1，柳海斌1，李仿2

(1.西安機電信息技術研究所，陜西 西安710065；2.西北工業集團，陜西 西安710043)

摘要:針對以磁電機為電源的引信模擬控制電路控制精度低、抗干擾能力差的問題，提出了基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路。該電路用穩壓器和微控制器組成的數字電路替代RC計時電路，采用專用的發火控制電路取代閘流管。試驗表明該電路功耗低，工作電流穩定，控制精度高。

關鍵詞:引信；磁電機；低功耗；數字控制電路

0引言

磁電機是引信一種常用的物理電源，通常利用后坐力或碰目標慣性力發電[1]。磁電機具有體積小、重量輕、輸出電壓滯后時間短、使用溫度范圍寬、能長期存儲、可100%進行檢驗等優點。但是，磁電機還有不能長時間供電、輸出能量小(幾個毫焦)等缺點[2]。這些缺點使磁電機大多應用于平射的、彈道時間短的火箭彈和破甲彈引信，而且引信工作電路多為模擬控制電路，而模擬電路具有控制精度低、抗干擾能力差等問題。目前引信數字控制電路的功耗最低如文獻[3]所述為14 μA[3]，相對于磁電機幾個毫焦的輸出能量功耗仍然偏大，不能滿足遠射程彈引信全彈道工作的使用要求。本文針對上述問題，提出了基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路。

1以磁電機為電源的模擬控制電路功耗

1.1以磁電機為電源的引信模擬控制電路

由于磁電機輸出能量少，所以目前以磁電機為電源的引信控制電路均采用模擬電路。磁電機在發射過載作用下工作，給電路工作儲能電容和發火儲能電容充電。當彈丸碰目標時碰合開關閉合，計時電路開始計時，計時到時后RC計時電路控制閘流管導通，發火儲能電容向雷管放電，引信發火[4]。原理框圖如圖1所示。

圖1　模擬控制電路原理框圖 Fig.1　Principle block diagram of analogue control circuit

1.2以磁電機為電源的模擬控制電路功耗

由圖1可知以磁電機為電源的模擬控制電路的功耗由RC計時電路的功耗和工作儲能電容、發火儲能電容的漏電流功耗組成。

電容的漏電流表示為[3]：

(1)

式(1)中，UC為電容兩端的電壓，單位為V，CR為電容的容量，單位為μF，IC單位為μA。在本文所述的模擬控制電路中工作儲能電容C1容值為1μF，發火儲能電容C3容值為0.33μF，磁電機在發射過載作用下將工作儲能電容充電至40V，將發火儲能電容充電至100V。根據式(1)計算發火儲能電容的漏電流為0.33μA，工作儲能電容的漏電流為0.4μA。碰合開關閉合后工作儲能電容C1開始通過R1向電容C2充電，900μs后C2電壓達到閘流管D1的正向轉折電壓2V，閘流管導通，發火電容C3向雷管放電引信發火。電路模型如圖2所示。電容C2的容值為0.01μF，通過計算RC計時電路的充電電流為22μA，整個模擬控制電路的功耗為22.7μA。

圖2　RC計時電路電路模型Fig.2　Model for RC timing circuit

2基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路

基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路原理框圖如圖3所示。電路由磁電機、工作儲能電容、發火儲能電容、穩壓器、微控制器和發火電路組成。

圖3　數字控制電路原理框圖Fig.3　Principle block diagram of digital control circuit

與圖1相比，基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路用穩壓器電路和微控制器代替RC計時電路來實現延時發火和自毀等功能，用專用的發火電路取代閘流管來控制引信發火。軟件延時發火和自毀與RC計時電路相比計時精度高，受溫度的影響小?；跇O低功耗微控制器的引信數字控制電路中通過能量匹配、設計低功耗的硬件和軟件來降低整個引信數字控制電路的功耗。專用發火電路與閘流管相比啟動能量高，提高了電路的抗干擾能力。

2.1低功耗的微控制器及其控制軟件

基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路中微控制器采用了nanoWattXLP極低功耗技術。為了降低功耗，同時又能保證微控制器可靠控制發火電路向雷管發火，設置微控制器在3.3V低電壓模式下工作。微控制器輸入/輸出口的輸入阻抗極高，容易感應電荷，隨著電荷的積累極有可能導致輸入/輸出口在高低電平間跳變，這些跳變可以把微控制器從低功耗的休眠模式中喚醒，使微控制器進入全功耗工作模式，造成能量的急劇消耗。為了使微控制器工作穩定可靠，通過下拉電阻把微控制器未使用的輸入/輸出口連接到微控制器的電源地。

微控制器采用了休眠模式。休眠模式是微控制器標準的低功耗模式，在休眠模式下該微控制工作電流僅有0.7μA，而且進入和退出休眠模式的能量開銷極小。將微控制器從休眠模式喚醒時間非常短，能夠滿足引信瞬發度的要求。微控制器上電后快速完成系統參數的初始化，系統初始化的時間僅有幾十微秒，消耗的能量少。系統初始化完成后，微控制器進入休眠模式。自毀到時或者碰合開關閉合都能將微控制器從休眠模式喚醒，微控制器控制發火電路導通，引信發火。

2.2低功耗的穩壓器電路

基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路中采用了集成的低壓差線性電壓穩壓器。穩壓器的功耗與輸入/輸出電壓差有關，輸入/輸出電壓差越大穩壓器的工作電流就越大。在電路中，將工作儲能電容器由4.7μF增大到9.4μF，使得通過能量匹配增大工作儲能電容的容量來降低工作儲能電容電壓，使穩壓器的輸入/輸出電壓差減小，降低穩壓器初始工作的功耗。隨著微控制器的工作消耗，儲能電容上的電壓變低，不過，由于微處理器功耗極低，電壓變化較慢。通過能量匹配穩壓器初始功耗低，隨著穩壓器輸入/輸出電壓差減小，穩壓器的功耗還會降低。

3分析及試驗驗證

依據上述對基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路的軟件和硬件設計，制作了基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路原理樣機，對電路的工作電流、工作時間和延時精度進行測試。

3.1數字控制電路功耗分析

由圖3可知基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路的功耗主要由穩壓器的功耗和微控制器的功耗組成。穩壓器采用低壓差線性電壓穩壓器，該穩壓器靜態工作電流只有1μA，輸入/輸出電壓差低可以充分利用工作儲能電容上的能量，是低功耗系統的一種理想的穩壓器。微控制器的功耗是整個電路最主要的功率消耗來源。微控制器的功耗主要由微控制器的電源電壓和工作頻率決定。降低微控制器的電源電壓、工作頻率可以降低微控制器的功耗。另外，微控制器軟件采用了休眠模式，在休眠模式下微控制器的工作電流僅有0.7μA。微控制器和穩壓器總的功耗為1.7μA比RC計時電路22μA的功耗小了一個數量級。

3.2靜態試驗

工作儲能電容為兩個4.7μF陶瓷電容并聯，微控制器工作電壓3.3V，工作頻率4MHz，用程控電源將工作儲能電容充電至不同的工作電壓測試電路的工作電流和工作時間，試驗數據如表1所示。

由表1可以看出電路在儲能電容不同的工作電壓下均能正常工作，工作電流小于3μA，工作電流穩定，達到了電路低功耗設計的目標。儲能電容充電電壓大于等于20V時，電路工作時間大于60s，大于中大口徑榴彈的彈道飛行時間，可以將基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路應用于中大口徑榴彈引信。另外，由表1可以發現，隨著工作儲能電容充電電壓的升高工作電流略有增加。經分析，電路工作電流的增加并不是由微控制器和穩壓器的工作電流的增加造成的，而是由電路中工作儲能電容和濾波電容的漏電流增加造成的。

表1　靜態試驗結果數據表

3.3動態試驗

電路按照3.1所述條件，用馬歇特錘擊磁電機給電路供電，該磁電機在不小于1 000 g的發射過載下可以可靠工作。用1 000～5 000 g過載模擬火箭彈的發射過載，用10 000～30 000 g過載模擬中大口徑榴彈的發射過載。用示波器測試工作儲能電容電壓與微控制器的工作時間，并通過儲能電容電壓和工作時間計算電路的工作電流，試驗結果如表2所示。

表2　動態試驗結果數據表

由表2可以看出，基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路在大于1 000 g的發射過載作用下電路工作時間不小于40s，在大于10 000 g的發射過載作用下電路工作時間不小于60s。理論計算電路工作電流穩定，均小于3μA，與靜態試驗中電路的工作電流基本一致。與文獻[3]所述電路相比，基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路在微控制器工作電壓高0.3V、工作頻率高200倍的條件下，電路工作電流降低了一個數量級。

基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路的自毀時間設定為64 s，自毀到時后電路輸出1 ms寬的發火控制信號。用馬歇特在10 000g的過載條件下錘擊磁后坐發電機給引信供電，測試電路的發火控制信號。電路的測試曲線如圖4所示。

圖4　電路輸出發火控制信號曲線圖Fig.4　The Ignition control signal of firing control circuit

圖4中，示波器通道1測試的是工作儲能電容上的電壓信號，通道2測試的是微控制器的電源電壓信號，通道3測試的是發火控制信號。經測試64 s自毀到時后電路輸出1 ms寬的發火控制信號，由圖4可以看出自毀到時時工作儲能電容具有5 V電壓，電容仍有能量維持電路工作。電路輸出發火控制信號后16 ms工作儲能電容電壓4 V，穩壓器停止工作，微控制器電源電壓由3.3 V開始下降，電路停止工作。由圖4可以看出，磁后坐發電機在10 000g的過載作用下，基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路64 s自毀到時后能夠輸出發火控制信號，而且在電路輸出發火控制信號后工作儲能電容仍有能量維持電路工作16 ms。

試驗表明基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路在不同的發射過載作用下工作電流穩定，小于3 μA。磁電機在10 000g的過載作用下，電路64 s自毀到時能夠可靠輸出發火控制信號，且電路輸出發火控制信號后工作儲能電容仍有能量維持電路工作16 ms。

3.4溫度試驗

電路按照3.1所述條件，延時發火時間設定為900 μs，在常溫+25 ℃、高溫+50 ℃、低溫-40 ℃的條件下各對五發模擬電路和數字電路測試延時發火時間，試驗結果如表3所示。由表3可以看出，基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路在全溫度范圍內延時精度為0.8%，以磁電機為電源的引信模擬控制電路在全溫度范圍內延時精度為3.3% ?；跇O低功耗微控制器的引信數字控制電路與模擬控制電路相比在全溫度范圍內延時精度提高四倍。

表3　溫度試驗結果數據表

4結論

本文提出了基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路。該電路用穩壓器和微控制器組成的數字電路替代RC計時電路，采用專用的發火電路控制電路取代閘流管。通過能量匹配、設計低功耗的穩壓器電路、設計低功耗的微控制器外圍電路和低功耗的軟件等措施降低引信數字控制電路的功耗。試驗表明該電路功耗低，工作電流穩定，控制精度高。基于極低功耗微控制器的引信數字控制電路為以磁電機為電源的引信電路提供了新型的應用方式，為引信電路的低功耗設計提供了新的技術途徑。

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Fuze Digital Control Circuit Based on Very Low Power Consumption Micro Controller

LI Xiaochen1，LIU Haibin1，LI Fang2

(1. Xi 'an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi 'an 710065，China；2. Northwest Industries Group，Xi 'an 710043，China)

Abstract:The fuze analog control circuit with magnetoelectric generator has the problems of low control accuracy and poor anti-interference performance. Aiming at this problem, a digital control circuit of fuze based on very low power consumption micro controller is proposed. The electric circuit used digital circuit consisting?of voltage regulator and microcontrollers as substitute for RC timing circuit. In addition, the electric circuit also used special firing control circuit as substitute for thyratron. The tests indicated that, the electric circuit had low power dissipation, stable working current and high control precision.

Key words:fuze; magnetoelectric generator; very low power consumption; digital circuit

中圖分類號:TJ431.5

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)02-0006-04

作者簡介:李曉晨(1982—)，男，山東濰坊人，碩士，研究方向：機電引信。E-mail：linqu262600@163.com。

*收稿日期:2015-12-15