一種通用的導(dǎo)彈電點火具檢測系統(tǒng)設(shè)計

李曉穎，劉航航，李云嬌，李 波

(1.中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065；2.中國航天第九院十六研究所,西安 710010)

0 引言

點火具是引爆武器系統(tǒng)主裝藥的引爆裝置，點火具能否可靠點火決定著武器系統(tǒng)的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)，目前，導(dǎo)彈、火箭彈等的點火、起爆系統(tǒng)廣泛采用電點火具[1]。導(dǎo)彈、火箭彈總裝完成后，電點火具的導(dǎo)通電阻是判斷電點火具是否正常的重要參數(shù)，因此導(dǎo)彈、火箭彈出廠前、入庫前、出庫前及長期貯存后需要對電點火具的導(dǎo)通電阻進行檢測。導(dǎo)彈、火箭彈電點火具一方面導(dǎo)通電阻小，通常在0.5～3.0 Ω之間；另一方面屬于火工品，對檢測的安全性要求非常高[2-3]?；趯?dǎo)彈、火箭彈電點火具的以上兩個特點，要求電點火具導(dǎo)通電阻的檢測誤差要小，通常要求在-40～+55 ℃條件下檢測誤差小于等于0.1 Ω；另外，檢測電點火具導(dǎo)通電阻的激勵電流要小，要遠遠低于導(dǎo)彈電點火具的安全電流[4]。為了滿足檢測精度高、安全性高以及通用性強，設(shè)計了一種在-40～+55 ℃條件下可通用于不同型號導(dǎo)彈、火箭彈的電點火具導(dǎo)通電阻檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

所設(shè)計的通用電點火具(以下簡稱點火具)檢測系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1所示。該系統(tǒng)由通道切換電路、恒流電路、數(shù)據(jù)采集電路、控制與數(shù)據(jù)處理電路、供電電路、顯示屏、按鍵、檢測電纜和校準(zhǔn)頭等組成。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在點火具方面，不同型號的導(dǎo)彈、火箭彈的差異是1#接插件的型號、點火具數(shù)量和點火具在1#接插件的引出位置，因此檢測系統(tǒng)可以進行通用化設(shè)計。為了提高本系統(tǒng)的通用性，設(shè)計了通用的通道切換電路，本通道切換電路由繼電器陣列組成，實現(xiàn)將被測點火具引入數(shù)據(jù)采集電路，以采集點火具兩端的電壓；同時為了提高檢測安全性，利用繼電器設(shè)計了點火具短路保護電路，僅在檢測時點火具才能解除短路保險。對于不同型號的導(dǎo)彈、火箭彈，本系統(tǒng)只需適應(yīng)性地更換檢測電纜和稍微修改軟件，實現(xiàn)簡單方便。本系統(tǒng)的恒流電路為基準(zhǔn)電阻、被測點火具提供恒定的小電流激勵；數(shù)據(jù)采集電路實現(xiàn)電阻兩端電壓的高精度采集；控制與數(shù)據(jù)處理電路用于接收按鍵指令、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)解算及檢測信息的輸出；本系統(tǒng)采用標(biāo)稱電壓25.2 V的可充電鋰電池供電，供電電路用于將電池電壓轉(zhuǎn)化為系統(tǒng)需要的電壓；顯示屏采用北京迪文科技有限公司的分辨率為640×480的寬溫串口彩色液晶屏DMG64480K057_01WN，用于顯示檢測信息；用戶通過按鍵操作本系統(tǒng)；檢測電纜用于連接本系統(tǒng)和被測導(dǎo)彈或火箭彈，設(shè)計長度為3米；校準(zhǔn)頭采用與導(dǎo)彈或火箭彈1#接插件同型號的接插件，通過將接插件的所有引出端短接在一起制作而成，檢測前需要將校準(zhǔn)頭連接到檢測電纜以獲取本系統(tǒng)檢測通道和檢測電纜上的電阻值(稱為校準(zhǔn)值)，檢測點火具時去除該校準(zhǔn)值以得到準(zhǔn)確的點火具導(dǎo)通電值。下面將重點分析通道切換電路、恒流電路、數(shù)據(jù)采集電路、控制與數(shù)據(jù)處理電路的設(shè)計。

圖2 通道切換詳細電路圖

2 硬件設(shè)計

2.1 通道切換電路設(shè)計

通道切換電路由正通道繼電器陣列，負(fù)通道繼電器陣列和短路繼電器陣列組成，如圖2所示。對于小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、

火箭彈，點火具數(shù)量一般小于等于16個，因此本系統(tǒng)設(shè)計了16選1的通道切換電路。正通道繼電器陣列由4個2組電磁繼電器(JRW-210MC-012-01-II)實現(xiàn)16通道選8通道，再由2個2組電磁繼電器實現(xiàn)8通道選4通道，再由1個2組電磁繼電器實現(xiàn)4通道選2通道，最后由1個電磁繼電器實現(xiàn)2通道選1通道，最終實現(xiàn)16通道選1通道。以這種排列方式組成的繼電器陣列所用的繼電器數(shù)量最少。負(fù)通道繼電器陣列與正通道繼電器陣列的構(gòu)成相同，不再贅述。為了進一步提高檢測安全性，通過8個2組電磁繼電器的常閉觸點對16個點火具進行短路保護，僅在檢測時才對點火具解除短路保險。當(dāng)點火具數(shù)量小于16個時，該通道切換電路仍然通用，當(dāng)點火具數(shù)量大于16個時，可以采用本文的方法擴展檢測路數(shù)即可。另外，本系統(tǒng)采用國營四四三三廠的達林頓晶體管陣列FX2003驅(qū)動繼電器，F(xiàn)X2003的OC_COM引腳(即9引腳)需要和繼電器的12 V供電引腳連接在一起，當(dāng)FX2003停止驅(qū)動繼電器時，F(xiàn)X2003的OC_COM引腳為繼電器線圈提供泄放通路，將其電壓箝位在+12 V，以免損壞達林頓晶體管。

2.2 恒流電路和數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

因為要保證點火具檢測的安全性，所以選擇的恒流源的輸出電流要??；另外為了保證檢測的精度，恒流源的輸出穩(wěn)定性要好?；谝陨戏治?，選擇AD公司的恒流源LT3092IST#PBF。LT3092僅需要兩個電阻器就可設(shè)置輸出電流的大小，電路實現(xiàn)簡單，本系統(tǒng)設(shè)置LT3092輸出3.92 mA恒定的電流；LT3092的SET引腳具有1%初始準(zhǔn)確度和低溫漂系數(shù)，電流調(diào)節(jié)性能優(yōu)于100 ppm/V(在1.5 V至40 V的輸入電壓范圍)。

選擇TI公司的18位高精度單電源供電ADC ADS8699IPW采集電壓值。ADS8699可通過軟件設(shè)置輸入范圍：雙極范圍包括：±12.288 V、±10.24 V、±6.144 V、±5.12 V和±2.56 V，單極范圍包括：0～12.288 V、0～10.24 V、0～6.144 V和0～5.12 V；另外ADS8699具有出色的精度性能：DNL：±0.6 LSB，INL：±1.75 LSB。

選擇AD公司的多路復(fù)用器ADG1608BRUZ和AD公司的高精度儀表放大器AD620BRZ實現(xiàn)信號調(diào)理，AD620僅需要一個外部電阻器來設(shè)置增益，增益范圍可設(shè)置為1～10 000，本系統(tǒng)通過外接一個阻值為2.61 kΩ的電阻器設(shè)置AD620的增益為19.9。

選擇的基準(zhǔn)電阻阻值為5 Ω，精度為0.1%，溫漂為10 ppp/℃。

根據(jù)本系統(tǒng)的總體設(shè)計和所確定的器件指標(biāo)可知影響點火具檢測精度的因素包括基準(zhǔn)電阻的誤差、ADC的有效分辨率和儀表放大器的偏置誤差，具體分析如下：

1)所選基準(zhǔn)電阻的精度為0.1%，溫漂為10 ppm/℃(即0.1%/100 ℃)，因此基準(zhǔn)電阻的全溫度誤差小于等于0.2%；

2)設(shè)置18位ADC ADS8699IPW的量程為0～6.144 V，根據(jù)ADS8699IPW的精度可知其有效位數(shù)不低于15位，按照15位計算時，每位對應(yīng)的電壓值為0.188 mV/LSB，即ADC的最大誤差為0.188 mV；

3)儀表放大器AD620BRZ的輸入輸出偏置電壓全溫度范圍內(nèi)最大值為1.085 mV，因此電阻兩端的電壓采集最大誤差為0.188 mV+1.085 mV =1.273 mV。

由歐姆定律可知，被測點火具的導(dǎo)通電阻Rx為：

(1)

式中，Ux是待測點火具兩端的測量電壓，Re是基準(zhǔn)電阻的電阻值，Ue是基準(zhǔn)電阻兩端的測量電壓，則Rx與Ux、Ue、Re之間的微分關(guān)系為：

(2)

結(jié)合式(2)和Ux的測量誤差、Ue的測量誤差、Re的誤差，可推算出本系統(tǒng)的最大測量誤差為0.032 Ω，滿足檢測精度要求。

詳細恒流電路和數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計如圖3所示。其中，恒流源LT3092IST#PBF(U11)通過20 KΩ(R51)和51 Ω(R52)兩個精度為0.1%、溫漂為10 ppm的電阻器配置輸出3.92 mA恒定的電流；ADG1608BRUZ(U12、U13)在MCU的IO控制下實現(xiàn)八選一通路選擇；ADG1608BRUZ(U14)在MCU的IO控制下將阻值為2.61 kΩ的電阻器R58引入AD620BRZ(U15)的增益設(shè)置引腳，進而將AD620BRZ的增益設(shè)置為19.9；ADS8699IPWR(U16)單5 V供電，外接5 V轉(zhuǎn)4.096 V的基準(zhǔn)電壓芯片REF5040AIDR(U17)提供4.096 V基準(zhǔn)電壓，ADS8699IPWR通過SPI進行量程配置和輸出電壓采集結(jié)果；另外，由于AD620BRZ不是軌到軌放大器，并且要放大的是毫伏級的信號，因此AD620BRZ不能單電源供電，需要正、負(fù)雙電源供電，本文采用+5 V、-3 V供電；圖3中的5 V、12 V、-3 V分別經(jīng)過1/2(R61:10 kΩ、R62:10 kΩ)、1/4(R63:30 kΩ、R64:10 kΩ)、1/2(R65:10 kΩ、R66:10 kΩ)分壓，以滿足ADG1608BRUZ和AD620BRZ的輸入電壓范圍。

圖3 恒流和數(shù)據(jù)采集詳細電路圖

2.3 控制與數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計

考慮到目前32位ARM微控制器具有很高的性價比，運算和接口資源豐富[5-8]，本設(shè)計選用ST公司的ARM Cortex-M4 32位微控制器STM32F407ZET6作為核心控制器件。利用該MCU設(shè)計的控制與數(shù)據(jù)處理電路如圖4所示：該MCU 3.3 V供電，通過一個RC復(fù)位電路、一個8 MHz的有源晶振、一個32.768 kHz的無源晶振、一個3.3 V轉(zhuǎn)3 V的電壓基準(zhǔn)芯片和一些簡單的配置就可構(gòu)成工作系統(tǒng)；采用MCU內(nèi)嵌的SPI1接口完成ADC ADS8699IPW的配置和數(shù)據(jù)讀??；采用MCU內(nèi)嵌的SPI2接口，外接兆易創(chuàng)新的4 Mb SPI NorFlash GD25Q40CTIGR設(shè)計了檢測數(shù)據(jù)存儲電路；用MCU內(nèi)嵌的UART控制器，外接TI公司的電平轉(zhuǎn)換芯片MAX3232IPW構(gòu)成RS232，用來將顯示信息發(fā)送給顯示屏；繼電器陣列的控制信號直接利用MCU的IO實現(xiàn)；利用MCU的IO設(shè)計了4行×4列按鍵掃描電路，用于操作檢測系統(tǒng)；利用MCU的IO實現(xiàn)多路復(fù)用器的通路選擇。

3 軟件設(shè)計

圖4 控制與數(shù)據(jù)處理詳細電路圖

本檢測系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，具體包括主程序模塊、按鍵掃描模塊、顯示模塊、自檢模塊、通路校準(zhǔn)模塊、檢測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)查看模塊等。其中，主程序模塊首先完成系統(tǒng)初始化，包括MCU時鐘、IO、SPI、UART等初始化，ADS8699初始化，然后等待按鍵操作，根據(jù)不同的按鍵值執(zhí)行自檢、通路校準(zhǔn)、檢測或數(shù)據(jù)查看等功能。按鍵掃描模塊通過逐行逐列掃描方式和消抖處理獲取按鍵值，消抖處理時間可以選擇10～20 ms。根據(jù)串口液晶屏DMG64480K057_01WN的《工業(yè)串口屏指令集》，顯示模塊將要顯示的圖文界面通過RS232發(fā)送給串口液晶屏，圖文界面包括主界面、自檢界面、通路校準(zhǔn)界面、檢測界面和查看界面；其中，主界面是檢測系統(tǒng)啟動后進入的界面，在主界面下用戶根據(jù)界面上的提示可以通過按鍵選擇操作自檢、通路校準(zhǔn)、檢測或數(shù)據(jù)查看；自檢界面不僅能夠顯示總的自檢結(jié)果還能夠以列表方式顯示每一項自檢內(nèi)容，列表的每一行具體包括序號、自檢內(nèi)容、標(biāo)稱值、誤差和自檢結(jié)果，自檢結(jié)果正常用綠色字體顯示“正?！薄⒆詸z故障用紅色字體顯示“故障”；通路校準(zhǔn)界面同樣不僅能夠顯示總的通路校準(zhǔn)結(jié)果還能夠以列表方式顯示每一路的校準(zhǔn)結(jié)果，列表的每一行具體包括序號、信號名稱、參考地、標(biāo)準(zhǔn)值、檢測值，檢測值在標(biāo)準(zhǔn)值范圍內(nèi)用綠色字體顯示具體檢測值、否者用紅色字體顯示具體檢測值；檢測界面的顯示內(nèi)容和顯示方式與通路校準(zhǔn)界面的一樣，唯一的不同是列表的標(biāo)題不一樣；查看界面也是以列表方式顯示，顯示內(nèi)容和顯示方式在后面的數(shù)據(jù)查看模塊中有具體介紹。自檢模塊是為了證明檢測系統(tǒng)硬件資源完好，保證下一步檢測工作的硬件條件正常，包括3.92 mA恒流源自檢，關(guān)鍵電壓自檢，存儲NorFlash自檢和按鍵自檢，只有自檢正常才能進行通路校準(zhǔn)和檢測操作，以保證檢測的正確性和提高檢測的安全性。通路校準(zhǔn)模塊逐通道測量檢測通道和檢測電纜上的阻值(該阻值稱為校準(zhǔn)值)，如果所有通道的校準(zhǔn)值均小于等于6.0 Ω，則通路校準(zhǔn)正常，存儲校準(zhǔn)值，否則通路校準(zhǔn)失敗，不存儲本次校準(zhǔn)值，通路校準(zhǔn)失敗禁止執(zhí)行檢測操作。檢測模塊逐通道測量點火具阻值，測量完成減去相應(yīng)通道的校準(zhǔn)值得到準(zhǔn)確的點火具阻值，所有通道測量完成后存儲檢測結(jié)果，然后顯示總的檢測結(jié)果和各分項檢測結(jié)果，通過按鍵可以上、下頁切換顯示各分項檢測結(jié)果。數(shù)據(jù)存儲模塊最多存儲100組檢測結(jié)果數(shù)據(jù)，如果存儲的檢測結(jié)果個數(shù)大于等于100組，則移除存儲時間最早的一組。數(shù)據(jù)查看模塊用于將存儲的總檢測結(jié)果按照時間順序由新到舊顯示在顯示屏上，通過按鍵可以上、下頁切換總檢測結(jié)果，也可通過按鍵查看每一組的各分項詳細檢測結(jié)果。

4 實驗結(jié)果與分析

該檢測系統(tǒng)經(jīng)過了多種環(huán)境試驗，包括高溫貯存試驗、高溫工作試驗、低溫貯存試驗、低溫工作試驗、溫度循環(huán)試驗、濕熱試驗和可靠性試驗等，并且已應(yīng)用于多個武器系統(tǒng)，在環(huán)境試驗和實際應(yīng)用中，該系統(tǒng)安全可靠，檢測誤差小于0.03 Ω，該系統(tǒng)安全性高、精度高、通用性強得到了有效地驗證。

5 結(jié)束語

本文介紹的一種通用的導(dǎo)彈、火箭彈電點火具檢測系統(tǒng)適用于導(dǎo)彈、火箭彈電點火具導(dǎo)通阻值的檢測, 為評估導(dǎo)彈、火箭彈的點火具狀態(tài)提供了一個有效的工具, 該檢測系統(tǒng)安全性措施全面有效、精度高、通用性強，已在多個武器系統(tǒng)中成功應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟價值。