基于STM32的引信多用途起爆電路設(shè)計*

陳海峰，聶偉榮

（南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，南京 210094）

0 引言

實現(xiàn)高效毀傷是信息化條件下常規(guī)彈藥的主要發(fā)展目標(biāo)之一，這要求引信能夠根據(jù)彈目交會特征及目標(biāo)特性，自動選擇起爆方式和起爆時機，以便將戰(zhàn)斗部的毀傷能量盡可能多地拋向目標(biāo)，進(jìn)而提高彈藥對目標(biāo)的毀傷效率［1-3］。引信多用途起爆電路是集近炸、觸發(fā)、延時等多種功能起爆于一體，其功能是接收前級電路發(fā)送來的多用途引炸信號，可靠輸出滿足起爆器能量要求的發(fā)火信號，進(jìn)而實現(xiàn)彈藥對目標(biāo)的高效毀傷。

起爆電路作為控制起爆器工作的關(guān)鍵部分，其可靠性要求極高；同時，它應(yīng)該擁有良好的抗干擾性能，保證接收到起爆指令后，既能可靠起爆，又不誤起爆。本文設(shè)計了一種引信多用途起爆電路，對起爆電路的安全性、抗干擾性進(jìn)行了分析，設(shè)計并完成印制線路板，并對起爆電路進(jìn)行了實驗研究。

1 起爆電路原理設(shè)計

鎳-鉻橋微起爆器具有體積小、起爆能量?。尚≈? mJ）、作用時間較短的特點［4］。通常情況下，在鎳-鉻橋絲上施加幾安培的電流后，可在很短時間內(nèi)實現(xiàn)起爆。由于起爆器的激活主要要求電流和功率，其動作瞬間完成。大容量電容器的儲能及瞬間放電能力可完全滿足電起爆器點火的電流及功率需求。因此，在引信中普遍采用先給電容充電儲能，再控制儲能電容對起爆器放電的方法。

引信中起爆電路多為模擬電路控制，其缺點在于模擬電路控制方式單一，電路復(fù)雜，且與上位機信息交換不便；執(zhí)行電路采用可控硅控制，可控硅容易受電磁兼容的影響，導(dǎo)通后狀態(tài)是鎖定的，不利于電路調(diào)試［5］。本文采用STM32控制方式，內(nèi)嵌多種通訊單元，控制形式靈活，可方便地完成對起爆器的多用途控制，且與上位機通訊方便。起爆電路采用電容充放電，場效應(yīng)管方式，其體積小、可靠性高。場效應(yīng)管方式起爆原理電路見圖1所示。

圖1 中二極管D1、限流電阻R1、儲能電容C1構(gòu)成充電回路，C1與場效應(yīng)管K2、微起爆器構(gòu)成放電回路，C1、R2構(gòu)成泄能回路。電路工作過程是：當(dāng)電源激活后，電能經(jīng)D1、R1給儲能電容C1充電至滿電荷。當(dāng)起爆控制指令來到時，K2閉合，由于導(dǎo)通后的K2與微起爆器內(nèi)阻較小，因此，儲能電容C1通過該回路快速放電，當(dāng)起爆元件內(nèi)部集聚的能量超過其點火能量時即被引爆。如果未能正常起爆，則C1的能量可以經(jīng)泄能電阻R2慢慢放掉，從而保證瞎火彈藥經(jīng)過安全周期后不會再發(fā)火，保證了瞎火彈處理的安全性。由于R2＞＞R1，在電源電壓維持正常的情況下，經(jīng)R2泄放掉的能量會從電源及時獲得補充，因此，R2的存在不會影響發(fā)火電路的正常工作。二極管D1起方向截止作用，防止C1通過電阻R1放電。限流電阻R1的作用是控制C2的充電速度。

2 多用途起爆電路系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示，該系統(tǒng)包括STM32、充電控制電路、多用途起爆電路3個部分。STM32作為多用途起爆電路控制的核心，具有與上位機通訊、發(fā)出控制指令等功能；充電控制電路起到控制儲能電容充電的功能；多用途起爆電路的功能為接收不同功能的起爆指令，經(jīng)過信號處理，輸出起爆信號。

STM32選用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103C8T6，主頻為72 MHz、32位RISC內(nèi)核，它基于哈佛體系，擁有多重總線，可以進(jìn)行并行處理，以保證信號處理的快速性和實時性［6］。其包含GPIO口、通用定時器及 USART等模塊接口［7］，STM32F103C8T6的GPIO用來進(jìn)行多用途起爆控制，USART內(nèi)部外設(shè)用來與上位機通信。

STM32接收到上位機指令信息后，經(jīng)內(nèi)部信息處理后，通過GPIO1發(fā)出電容充電指令，輸出到充電控制電路，GPIO1為高電平有效；GPIO2-GPIO6作為多選擇起爆電路的控制端口，GPIO3和GPIO4輸出延期/觸發(fā)指令1和延期/觸發(fā)指令2到延期/觸發(fā)起爆電路上，GPIO3為高電平有效，GPIO4為低電平有效；GPIO5和GPIO6輸出近炸指令1和近炸指令2到近炸起爆電路上，GPIO5為高電平有效，GPIO6為低電平有效。GPIO2為碰合開關(guān)閉合信號輸入端口，GPIO2為高電平表示碰合開關(guān)閉合。

電容充電指令經(jīng)過由電阻R3、電容C2組成的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后，輸出到場效應(yīng)管K1后。當(dāng)GPIO1為高電平時，K1導(dǎo)通，電源通過限流電阻R1向儲能電容C1充電至滿電荷。

通過對GPIO3-GPIO6的不同配置可實現(xiàn)近炸、觸發(fā)、延期等多選擇起爆功能。當(dāng)配置GPIO5為高電平、GPIO6為低電平時，近炸指令1和近炸指令2經(jīng)過由電阻R6和R7、電容C5和C6組成的阻容網(wǎng)絡(luò)濾波后，輸入到場效應(yīng)管K6，K6導(dǎo)通，電源經(jīng)R10分壓后作用到場效應(yīng)管K3上的電平為低電平，進(jìn)而K3導(dǎo)通，儲能電容C1快速對微起爆器放電，微起爆器內(nèi)部集聚的能量超過其點火能量時即被引爆。當(dāng)配置GPIO3為高電平、GPIO4為低電平時，觸發(fā)指令1和觸發(fā)指令2經(jīng)電阻R4和R5、電容C3和C4作用到場效應(yīng)管K5時，K5導(dǎo)通，電源經(jīng)R8分壓后作用到場效應(yīng)管K2上的電平為低電平，進(jìn)而K2導(dǎo)通，彈藥碰擊到目標(biāo)時，碰合開關(guān)閉合，儲能電容C1快速對微起爆器放電，引爆起爆器。延期起爆電路與觸發(fā)起爆電路共用一個放電回路，但兩者實現(xiàn)過程不同。當(dāng)彈藥碰擊目標(biāo)時，碰合開關(guān)閉合，此時GPIO2端口為高電平。STM32一旦檢測到GPIO2為高電平即開始延時，當(dāng)延時時間到達(dá)后，配置GPIO5為高電平、GPIO6為低電平，控制K5、K2導(dǎo)通，儲能電容C1快速對微起爆器放電，引爆起爆器，實現(xiàn)延期起爆功能。

3 起爆電路安全性設(shè)計

隨著戰(zhàn)場環(huán)境的日益復(fù)雜，干擾因素日益增多，如靜電干擾、電磁干擾等［8］。而本文設(shè)計的安全與起爆控制電路的控制信號電壓較低，開關(guān)開啟電壓低至1 V，電路易受干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通。因此，電路安全性設(shè)計是必須要考慮的因素。

3.1 阻容濾波網(wǎng)絡(luò)

在起爆控制指令輸入端設(shè)計阻容濾波網(wǎng)絡(luò)，可以有效濾掉線路上的尖峰干擾。如圖3所示，R2和C2組成阻容濾波網(wǎng)絡(luò)，對起爆控制端指令低通濾波，防止因尖峰干擾而使開關(guān)K2導(dǎo)通，造成電路誤發(fā)火。

3.2 防差錯設(shè)計

對起爆控制指令進(jìn)行防差錯設(shè)計，以防止控制電路誤動作，這有利于提高電路系統(tǒng)在上、下電以及惡劣的電磁環(huán)境中的工作安全性，如圖3中的控制指令應(yīng)為組合指令，只有組合指令同時有效時才能使K2導(dǎo)通，如圖4所示。

圖4 中的控制指令1為高電平，控制指令2為低電平時才能使K3導(dǎo)通，進(jìn)而控制K2導(dǎo)通完成起爆?？刂浦噶?和2應(yīng)來自同一個控制器件的同一類型端口，這樣在系統(tǒng)上電或下電時，其狀態(tài)均為高或均為低，從而不會使K3導(dǎo)通。另外，意外的電磁干擾一般為共模干擾，也不會造成K3的意外導(dǎo)通，確保了起爆安全。

4 實驗與結(jié)果分析

4.1 起爆功能實驗

依據(jù)圖2設(shè)計印制電路板，如圖5所示，儲能電容選用鉭電解電容，規(guī)格為470 μF。使用圖6所示實驗裝置進(jìn)行起爆實驗，鎳鉻橋電雷管的內(nèi)阻約為4 Ω，本實驗中用阻值為4 Ω電阻代替。圖7為示波器存儲的近炸起爆波形圖。STM32輸出組合近炸指令，1通道為起爆指令1，2通道為起爆指令2，3通道為近炸起爆信號。只有1通道為低電平，2通道為高電平時，才能輸出近炸起爆信號。

圖8為示波器存儲的觸發(fā)起爆波形圖。STM32輸出組合觸發(fā)指令，1通道為觸發(fā)起爆指令1，2通道為觸發(fā)起爆指令2，4通道為碰合開關(guān)閉合信號，3通道為觸發(fā)起爆信號。當(dāng)彈藥碰擊目標(biāo)時，碰合開關(guān)閉合，起爆電路導(dǎo)通，電路輸出觸發(fā)起爆信號。

圖9為示波器存儲的延期起爆波形圖。1通道為延期起爆指令1，2通道為延期起爆指令2，4通道為碰合開關(guān)閉合信號，3通道為延期起爆信號。當(dāng)彈藥碰擊目標(biāo)時，碰合開關(guān)閉合，此時通道4為高電平，STM32開始延時，延時500 ms后，STM32輸出組合延期起爆指令1、2，輸出延期起爆信號。

4.2 起爆可靠性實驗

起爆可靠性是指控制信號到來后，觸發(fā)電路應(yīng)該可靠觸發(fā)，開關(guān)導(dǎo)通，儲能電容輸出足夠能量，激發(fā)起爆元件。本實驗中用電阻代替鎳鉻橋起爆器，圖9為起爆信號到來后，電阻兩端的電壓值，根據(jù)歐姆定律可以得到流過電阻的電流值大小。根據(jù)鎳鉻橋起爆器的最小起爆電流，根據(jù)圖10可以得到電流大于最小起爆電流的時間約2 ms，可以確保鎳鉻橋微起爆器可靠起爆。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種集近炸、觸發(fā)、延期等功能于一體的引信多用途起爆電路。該電路結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)，具備數(shù)字控制功能，也具備與上位機通訊方便、控制方式靈活等特點，并且具有較高的起爆安全性、抗電磁干擾性、起爆可靠性，可以應(yīng)用于靈巧武器、智能彈藥中。

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