智能化彈藥武器系統(tǒng)點(diǎn)火控制單元研究與設(shè)計*

張瑜潔,韓喜紅

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所, 西安 710065)

0 引言

智能化彈藥武器系統(tǒng)的點(diǎn)火控制單元的安全性和可靠性直接影響著武器系統(tǒng)整體性能指標(biāo)[1]。智能化彈藥武器系統(tǒng)一般采用電子式發(fā)射點(diǎn)火方式,主要功能是生成滿足時序要求和功率要求的脈沖點(diǎn)火信號,以驅(qū)動相應(yīng)的點(diǎn)火具輸出點(diǎn)火起爆功率信號,引爆或點(diǎn)燃火工品[2]。

20世紀(jì)90年代末,點(diǎn)火電路的設(shè)計實(shí)現(xiàn)為一塊標(biāo)準(zhǔn)ART板,且采用分離元器件,體積大、重量重、可靠性低,不利于系統(tǒng)電路的小型化、集成化設(shè)計。基于以上原因,文中結(jié)合點(diǎn)火控制的設(shè)計流程、設(shè)計方法,完成了典型點(diǎn)火控制單元設(shè)計實(shí)現(xiàn),即保證高可靠性,又確保安全性。

本文所描述的點(diǎn)火控制單元,通過了單元測試、集成測試和可靠性測試,經(jīng)過實(shí)際項目應(yīng)用后進(jìn)行了規(guī)范化設(shè)計,最終形成一種特定專用電路模塊,廣泛應(yīng)用于多個項目的發(fā)射點(diǎn)火控制中,并圓滿完成了數(shù)千枚的彈藥發(fā)射。

1 總體設(shè)計

1.1 典型點(diǎn)火電路組成

典型點(diǎn)火電路由3部分組成：

1)點(diǎn)火控制電路生成滿足點(diǎn)火時刻和脈寬要求的控制信號;

2)隔離電路實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火控制電路和點(diǎn)火驅(qū)動電路的電氣隔離;

3)點(diǎn)火驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)功率放大,形成滿足要求的點(diǎn)火信號。

1.2 通用點(diǎn)火電路設(shè)計準(zhǔn)則

通用點(diǎn)火電路設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：

1)將控制電路和點(diǎn)火驅(qū)動電路的電源進(jìn)行分離設(shè)計;

2)點(diǎn)火驅(qū)動電路上電時刻應(yīng)滯后于點(diǎn)火控制電路上電;

3)進(jìn)行偏置設(shè)計,消除上電過程中點(diǎn)火控制信號的不確定態(tài);

4)對點(diǎn)火控制電路和點(diǎn)火驅(qū)動電路進(jìn)行電氣隔離設(shè)計;

5)PCB設(shè)計中,將點(diǎn)火控制回路與點(diǎn)火驅(qū)動電路回路分區(qū)設(shè)計;

6)點(diǎn)火控制電路進(jìn)行軟件可靠性設(shè)計;

7)合理選取限流電阻。

1.3 彈上點(diǎn)火電路設(shè)計

彈上點(diǎn)火電路即典型點(diǎn)火電路,其組成框圖如圖1所示。點(diǎn)火控制電路電源和點(diǎn)火驅(qū)動電路電源由系統(tǒng)隔離電路分離且分時提供。

圖1 彈上點(diǎn)火電路組成框圖

1.4 地面發(fā)射點(diǎn)火電路設(shè)計

地面發(fā)射點(diǎn)火電路包括電源分離、點(diǎn)火電源控制電路、選彈及保護(hù)電路,其組成框圖如圖2所示。電源分離是將單一供電電源分為控制電路電源和點(diǎn)火驅(qū)動電路電源,點(diǎn)火電源控制電路的功能是實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火驅(qū)動電路的適時上電,選彈及保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)多發(fā)彈點(diǎn)火通路的切換及安全保護(hù)。

圖2 地面發(fā)射點(diǎn)火電路組成框圖

2 電源分離設(shè)計

2.1 設(shè)計準(zhǔn)則

設(shè)計準(zhǔn)則為:點(diǎn)火驅(qū)動電路和點(diǎn)火控制電路的電源進(jìn)行分離設(shè)計。

2.2 設(shè)計要點(diǎn)

電源分離設(shè)計要點(diǎn)為:

1)分離供電方式是指武器系統(tǒng)提供獨(dú)立的點(diǎn)火控制電路電源(即工作電源1)和點(diǎn)火驅(qū)動電路電源(即點(diǎn)火電源2)。電源2只有在執(zhí)行擊發(fā)時才會被接通和輸出。在彈上電源1和電源2分別由不同的彈上電源提供,直接完成電源分離。

2)統(tǒng)一供電方式是指武器系統(tǒng)僅提供一路電源。將點(diǎn)火控制電路電源和點(diǎn)火驅(qū)動電路電源進(jìn)行分離設(shè)計。典型電源分離設(shè)計的原理框圖見圖3所示,濾波器1后為點(diǎn)火控制電路電源,濾波器2后為點(diǎn)火驅(qū)動電路電源。

圖3 統(tǒng)一供電方式的電源分離設(shè)計框圖

3 分時上電

3.1 設(shè)計準(zhǔn)則

分時上電設(shè)計準(zhǔn)則為:點(diǎn)火驅(qū)動電路上電時刻滯后于點(diǎn)火控制電路初始化完成時刻。

3.2 設(shè)計要點(diǎn)

統(tǒng)一供電的武器系統(tǒng),在點(diǎn)火控制電路上電復(fù)位過程中,采用“分時上電”的方法。即點(diǎn)火控制電路首先上電且端口初始化完成后,再控制點(diǎn)火驅(qū)動電路電源延遲上電。延遲時間內(nèi)即使執(zhí)行級電路接收到了錯誤的點(diǎn)火指令或與其類似的干擾信號電路也不動作,保證了系統(tǒng)安全[3-4]。

分時上電電路的原理框圖如圖4所示[5]。有兩種方法:

圖4 分時上電電路的原理框圖

方法1為軟件延時控制點(diǎn)火電源,使其適時加電,有利于多任務(wù)的可靠執(zhí)行。

方法2為RC延遲電路控制的方法。RC延遲電路簡單可靠,有效屏蔽上電瞬間干擾信號。

4 隔離設(shè)計

4.1 設(shè)計準(zhǔn)則

隔離設(shè)計的準(zhǔn)則為：既要保證電氣信號可靠交互,又要將強(qiáng)弱信號分離。

4.2 設(shè)計要點(diǎn)

點(diǎn)火電源控制信號和點(diǎn)火控制信號屬于弱信號工作回路,點(diǎn)火驅(qū)動電路屬于強(qiáng)信號工作回路,進(jìn)行電氣隔離,避免增加回路中的“共地點(diǎn)”。

圖5 隔離電路框圖

5 I/O偏置設(shè)計

5.1 設(shè)計準(zhǔn)則

I/O偏置設(shè)計的準(zhǔn)則為：確保控制電路上電復(fù)位過程中,端口輸出狀態(tài)為固定值,避免引起后級電路的誤動作。

5.2 設(shè)計要點(diǎn)

控制電路在上電復(fù)位過程中,對輸出管腳進(jìn)行三態(tài)設(shè)計,通過上拉、下拉電阻使其初始輸出狀態(tài)確定,根據(jù)具體需求選取點(diǎn)火模塊偏置電壓。

6 地線設(shè)計

6.1 設(shè)計準(zhǔn)則

地線設(shè)計的準(zhǔn)則為：

1)單一供電系統(tǒng)中,控制電路和點(diǎn)火驅(qū)動電路的地線在電源輸入端單點(diǎn)共地;

2)點(diǎn)火控制回路與點(diǎn)火回路完全隔離;

3)在PCB設(shè)計中,點(diǎn)火信號地線短而粗,減少地線回路的壓降,縮短點(diǎn)火回路的長度;

4)結(jié)構(gòu)空間允許時,將點(diǎn)火回路單獨(dú)分區(qū)。

6.2 設(shè)計要點(diǎn)

點(diǎn)火電路的地線包括“點(diǎn)火控制電路地”、“點(diǎn)火驅(qū)動電路地”、 “數(shù)字地”和“模擬地”,在設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行隔離,如圖6所示。

單一供電系統(tǒng)對應(yīng)圖6“地面”模塊,在其輸入端只有“輸入地1”。“輸入地1”經(jīng)濾波器1和濾波器2分別生成點(diǎn)火控制電路地(Gndin)和點(diǎn)火驅(qū)動電路地(DHGND)。

分離供電系統(tǒng)對應(yīng)圖6 “彈上”模塊,在其輸入端有“輸入地1”和“輸入地2”。兩路輸入地在系統(tǒng)中已經(jīng)隔離,由其直接產(chǎn)生Gndin和DHGND。

點(diǎn)火控制電路中的“數(shù)字地”和“模擬地”均由Gndin隔離生成。

7 點(diǎn)火控制電路軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要包括:

1)初始化中對點(diǎn)火控制信號端口進(jìn)行無效態(tài)設(shè)置;

2)點(diǎn)火驅(qū)動電路電源上電時刻滯后控制電路上電時刻;

3)點(diǎn)火時刻和點(diǎn)火脈寬同時滿足相應(yīng)要求時才能判定有效;

4)點(diǎn)火輸出通過多個條件綜合判斷保證點(diǎn)火時序正常執(zhí)行;

5)周期性設(shè)置點(diǎn)火端口的輸出狀態(tài),防止CPU異常復(fù)位或程序跑飛后點(diǎn)火端輸出狀態(tài)錯誤;

6)在彈上點(diǎn)火時序信號生成過程中,出現(xiàn)異常復(fù)位時采用快速恢復(fù)狀態(tài)的方法繼續(xù)輸出點(diǎn)火時序信號。

8 結(jié)束語

點(diǎn)火電路設(shè)計是一個系統(tǒng)設(shè)計,從安全性、可靠性角度出發(fā),應(yīng)遵循“電源分離、分時上電、IO偏置、強(qiáng)弱隔離、地線合理、邏輯縝密、適當(dāng)冗余”的設(shè)計原則,應(yīng)具有可靠性高、響應(yīng)快速等特點(diǎn)[6]。實(shí)踐表明：文中設(shè)計的點(diǎn)火控制單元能可靠實(shí)現(xiàn)智能化彈藥武器系統(tǒng)地面/彈上安全準(zhǔn)確的點(diǎn)火控制,抗干擾能力強(qiáng),有效保障設(shè)備、人員安全。