精確延時微爆轟再傳遞控制器設計

保慧琴，李 茹，李 婧

精確延時微爆轟再傳遞控制器設計

?；矍?，李 茹，李 婧

（西北工業(yè)大學明德學院，陜西 西安，710124）

針對新一代微爆轟型彈射救生系統在彈射通道清理過程中因機艙內外氣壓不平衡而可能引起彈射事故問題，設計了一種基于直列式點火的精確延時微爆轟再傳遞控制器。該控制器采用MLVDS總線實時接收機載計算機發(fā)送的飛行高度與艙內外氣壓差編碼數據，并嚴格按照數據交互協議與數據間的關系確定泄壓平衡時間，接收到泄壓窗口開啟爆轟信號時執(zhí)行氣壓平衡延時點火功能，使艙內外氣壓達到平衡后再引爆爆炸箔點火器，將執(zhí)行彈射任務的爆轟信號再傳遞，有效降低彈射救生事故發(fā)生可能性。試驗驗證結果表明，控制器的數據交互模塊運行正常，安全控制模塊精密執(zhí)行了500ms與1.1s程控延時，且控制高壓點火模塊在觸發(fā)后215ns處達到峰值電壓2.4kV，對應的爆發(fā)電壓為2.3kA，可靠引爆內嵌爆炸箔點火器的爆轟邏輯傳遞器。

直列式點火；控制器；彈射救生；通道清理；微爆轟傳遞

彈射救生系統是飛機、航天器等裝備在高速飛行過程中遇到故障、人為失誤和環(huán)境因素等導致飛機不能正常飛行，以及致使飛機不可挽回的情況下，確保飛行員迅速彈射離機并安全獲救的必不可少的關鍵裝備，其對最大限度地發(fā)揮飛機的作戰(zhàn)效能、增強飛行員的信心及保護飛行員生命起著非常重要的作用[1-3]。在彈射救生過程中由于艙內外氣壓不平衡將可能造成彈射救生失敗[4]，因此本文針對新一代微爆轟型彈射救生系統裝置對具有本質安全、精確延時及可靠傳爆控制模塊的需求[5-9]，設計了一種基于直列式點火的具備本質安全性的氣壓平衡與微爆轟再傳遞控制器。其實時采集機載計算機發(fā)送的飛機飛行高度與艙內外氣壓差數據信號，并根據飛行高度與艙內外氣壓差之間的關系，確定泄壓平衡時間，待接收到彈射救生系統中泄壓窗口開啟爆轟觸發(fā)信號后，控制器啟動精確延時，在確保艙內外氣壓達到平衡后立即觸發(fā)高壓點火模塊，使執(zhí)行彈射救生通道清理與彈射功能的爆轟信號可靠地傳爆下去，順利完成彈射救生。

1 控制器關鍵硬件設計與實現

1.1 總體設計

本文采用模塊化、集成化設計思路，設計了基于直列式點火技術的集安全控制模塊與高壓點火模塊于一體，具備本質安全特性的精確延時微爆轟再傳遞控制器。安全控制模塊由電源管理模塊、FPGA微處理器、數據交互模塊、爆轟觸發(fā)模塊構成，其中爆轟觸發(fā)模塊接受艙蓋泄壓孔開啟微爆轟信號，采用煙火開關將微爆轟信號轉換為電平信號；高壓點火模塊由升壓電路、高壓點火電路、高壓觸發(fā)電路、采樣電路構成?？刂破髟O計原理如圖1所示。

圖1 控制器設計原理

1.2 數據交互模塊設計

采用多點低電壓查分信號（MLVDS）數據傳輸方式作為機載計算機與氣壓平衡與微爆轟再傳遞控制器之間串行數據交互總線，并采用Xilinx FPGA器件與verilog HDL語言設計數據交互模塊以及氣壓平衡與微爆轟再傳遞控制器中確保安全的邏輯控制部分，串行數據交互模塊包含波特率發(fā)生器、串行數據接收模塊、高壓自檢模塊、同步FIFO和串行數據發(fā)送模塊，如圖2所示。

為了保證機載計算機與氣壓平衡與微爆轟再傳遞控制器之間數據傳輸的正確性，除了采用抗干擾能力強的MLVDS總線，還必須設計一個合理的通信協議，通信雙方必須按照協議的規(guī)范收發(fā)數據，才能保證系統通信順暢，準確實施各項操作，本文設計采用的數據交互幀格式如圖3所示。串行數據接收模塊接收機載計算機發(fā)送的飛行高度和機艙內外氣壓差的數據幀，將每個數據幀轉換成1個字節(jié)存儲在同步FIFO中，并進行奇偶校驗和CRC32校驗，如果校驗不正確丟包并向機載計算機發(fā)送重傳指令，如果校驗正確則計算當前飛行高度和機艙內外氣壓差條件下的延時時間。相應的有限狀態(tài)機的狀態(tài)跳轉如圖4所示。

圖2 頂層模塊圖

圖3 數據交互幀格式

注：狀態(tài)機包含6個狀態(tài)， IDLE(初始狀態(tài))、FIRST (判斷初始位)、ALTITUDE(接收飛機飛行高度)、PRESSURE(接收機艙內外氣壓差)、CRCRE CEIVE(接收CRC32數據)、CRC_ CHECK(CRC32校驗)。

圖5為串行數據接收模塊接收數據幀并把數據幀轉換成字節(jié)存儲在同步FIFO中，其中rxd為機載中央計算機發(fā)送的串行數據，realtime為數據幀轉換成的字節(jié)。機載計算機發(fā)送了8個數據幀，分別為8`HFF、8`H23、8`H28、8`HFF、8`HAD、8`HF0、8`HD2。根據數據交互協議第1個字節(jié)為初始位、第2和第3字節(jié)為飛機飛行高度、第4個字節(jié)為機艙內外氣壓差、最后4個字節(jié)為CRC32校驗碼。

圖5 串行數據接收和同步FIFO存儲

圖6 有限狀態(tài)機計算延時時間

圖6為計算延時時間的波形，當同步FIFO存儲的字節(jié)個數為8個，即機載計算機發(fā)送給泄壓平衡控制1個完整的數據包時，有限狀態(tài)機開始讀取同步FIFO中存儲的數據并根據飛機飛行高度和機艙內外氣壓差計算延時時間。有限狀態(tài)機state的時序為：初始狀態(tài)→判斷初始位是否是8`HFF→確定飛機飛行高度→確定機艙內外氣壓差→確定CRC32校驗碼→CRC32校驗是否正確→計算延時時間→返回初始狀態(tài)等待下1個完整數據包。

1.3 高壓點火模塊設計

高壓點火模塊是控制器的關鍵模塊之一，其必須具備很高的安全性與可靠性。為實現控制器將執(zhí)行拋蓋與彈射功能的爆轟信號安全可靠地再傳遞，本文設計了基于直列式點火的高安全性點火模塊，如圖7所示。圖7中FPGA控制電子安全保險模塊確保安全，其由2個靜態(tài)安全保險開關與1個動態(tài)安全保險開關構成，升壓電路由動態(tài)開關、升壓變壓器、整流二極管構成。動態(tài)安全保險開關采用場效應晶體管（MOSFET），升壓電路將12V電壓變換為2kV的交流高壓。FPGA輸出動態(tài)頻率信號控制動態(tài)開關MOSFET柵極施加特定的頻率電平信號，MOSFET導通，12V電源給變壓器原邊電感供電儲能；MOSFET截止，由于變壓器原邊電流無法突變，變壓器原邊極性發(fā)生調轉，且d/d很大，MOSFET漏極電壓可為12V電源的10~20倍，同時在副邊感應出交流高壓。本設計中MOSFET截止時，漏極電壓為100~150V，設計變壓比為20，因此，變壓器副邊最高輸出電壓為3kV。采樣電路由采樣電阻及比較器構成，采樣電阻跨接在高壓電容器兩端。設計參數1∶2=500∶1，即2kV高壓形成4V取樣電壓，并將該采樣電阻上的電壓采用電壓比較器轉換輸入至FPGA，實時檢測高壓電容器中的電壓是否達到點火閾值。高壓觸發(fā)電路由觸發(fā)儲能電容、觸發(fā)線圈、可控硅開關、光耦、穩(wěn)壓二極管等器件組成，當點火信號到來時，經過穩(wěn)壓二極管和光耦，使閘流管導通，觸發(fā)儲能電容對觸發(fā)線圈原邊放電，觸發(fā)線圈副邊產生2kV觸發(fā)脈沖，該觸發(fā)脈沖施加到高壓開關的觸發(fā)極，在觸發(fā)脈沖的作用下，高壓開關導通，發(fā)火電容產生2.3kA左右的強瞬時電流將爆炸箔點火器引爆，爆炸箔點火器再引爆后續(xù)執(zhí)行通道清理與彈射的功能微導爆索。

圖7 高壓點火模塊設計

2 試驗與結果分析

試驗采用計算機模擬機載中央控制器發(fā)送飛行高度與艙內外氣壓差數據，采用電子開關模擬爆轟觸發(fā)煙火開關，建立了控制器性能測試系統，如圖8所示。該測試系統驗證控制器的數據交互功能、爆轟觸發(fā)功能、精確延時功能以及發(fā)火電性能等。

圖9所示為控制器的爆發(fā)電壓與爆發(fā)電流曲線，高壓點火模塊點火觸發(fā)后215ns時達到峰值電壓2.4 kV，對應的爆發(fā)電壓為2.3kV，該高壓點火模塊的峰值電流可達2.5kA，爆發(fā)電流循環(huán)時間約為1 215ns。典型爆炸箔點火器的最小全發(fā)火電壓為1.8kV，因此，該控制器輸出的爆發(fā)電壓與爆發(fā)電流可激勵爆炸箔點火器可靠作用。

針對控制器在彈射救生系統中的應用問題，建立了控制器與彈射救生系統微爆轟傳遞控制裝置的氣壓平衡微爆轟傳遞控制系統，如圖10所示，重點驗證了數據交互控制的精確延時發(fā)火功能。

圖8 控制器性能測試系統

圖9 控制器爆發(fā)電壓與爆發(fā)電流

圖10 氣壓平衡微爆轟傳遞控制系統

計算機發(fā)送代表某飛行高度與氣壓差的2組編碼數據，只有數據交互模塊數據校驗正常的情況下控制器執(zhí)行500ms與1.1s泄壓平衡延時發(fā)火試驗。結果如圖11所示，控制器分別延時500ms與1.1s發(fā)火，表明控制器數據交互與爆轟觸發(fā)功能正常，且實現了精確延時點火，能使飛機艙內外氣壓達到平衡，提高彈射救生安全性。

圖11 500ms和1.1s延時點火試驗結果

3 結論

本文采用模塊化設計與一體化集成方法，設計了基于直列式點火的氣壓平衡與微爆轟再傳遞控制器，該控制器采用直列式點火實現微爆轟型彈射救生系統中爆轟信號的再傳遞，具有本質的安全性；經試驗驗證，控制器可通過MLVDS數據交互總線實現高速數據交互與精確延時發(fā)火控制，能夠確保艙內外氣壓達到平衡，降低彈射事故；同時，實現了微爆轟型彈射救生系統中執(zhí)行彈射通道清理與座椅彈射微爆轟信號的再傳遞，極大地提高了新一代微爆轟型彈射救生系統安全性。

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Design on A Precise Delay and Micro-detonation Retransmission Controller

BAO Hui-qin，LI Ru，LI Jing

(Northwestern Polytechnical University Ming De College, Xi’an,710124)

Aiming at the new generation micro-detonation transition model ejection escape system, the accident in the channel cleaning process of ejection escape might happen, due to the air pressure imbalance inside and outside the aircraft cockpit, so a controller was designed to realize precise delay and micro-detonation retransmission based on in-line initiation. The MLVDS bus was used to real-time receive the coded data from onboard computer, which is about flight height and the air pressure difference inside and outside the aircraft cockpit, based on the data interaction protocol and the relationship of data, the time to reach equilibrium for the air pressure inside and outside the cabin was determined. The delay ignition was executed as receiving the detonation signal from the pressure relief window. After the air pressure in the cabin was balanced, the high-security explosion foil initiator was exploded to re-transmit the detonation signal that performs the ejection function, so the possibility of catapult rescue accidents could be avoided. The test results showed that the data interaction module runs normally, safety control module can realize 500ms and 1.1s delay time, and after the high voltage ignition module is triggered for 215ns, the voltage will reach peak value of 2.4kV, corresponding to 2.3kV burst voltage, which can initiate the explosive foil initiator reliabily.

Ejection Escape System：Channel cleaning; Micro-detonation

1003-1480（2019）02-0027-04

TJ450.2

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2019.02.007

2019-02-05

?；矍伲?986-），女，講師，主要從事電子工程控制技術研究。