一種定深點(diǎn)火電路的設(shè)計(jì)

袁 日

（中國船舶集團(tuán)有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

應(yīng)用于水下攻防領(lǐng)域的海洋裝備，在水下試驗(yàn)時(shí)，需要在一定水深的位置完成點(diǎn)火動(dòng)作[1]，以實(shí)現(xiàn)一些預(yù)定的功能，這就要把深度測量與點(diǎn)火輸出功能結(jié)合在一起。需要同時(shí)滿足2方面的設(shè)計(jì)要求：1）準(zhǔn)確測量深度值；2）可靠、安全地輸出一定驅(qū)動(dòng)能力的點(diǎn)火電流[2]。本文針對(duì)這類需求設(shè)計(jì)了一種定深點(diǎn)火電路。通過選用高精度的傳感器及合適的AD轉(zhuǎn)換器保證深度測量的精度，通過點(diǎn)火控制口線保護(hù)電路、密碼選通電路保證點(diǎn)火輸出的安全、可靠，通過點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路保障點(diǎn)火輸出的能力。

1 電路整體組成

定深點(diǎn)火電路主要包括電源模塊、單片機(jī)系統(tǒng)（含AD轉(zhuǎn)換器及UART異步串口）、傳感器電路[3]及點(diǎn)火控制驅(qū)動(dòng)電路等模塊。電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)系統(tǒng)供電；傳感器電路負(fù)責(zé)水深信號(hào)的采集和調(diào)理；單片機(jī)系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)傳感器電路輸入信號(hào)的加工處理及系統(tǒng)整體工作流程的控制；點(diǎn)火控制電路負(fù)責(zé)系統(tǒng)輸出的保護(hù)和驅(qū)動(dòng)。定深點(diǎn)火電路組成框圖如圖1所示。

圖1 定深點(diǎn)火電路組成框圖Fig.1 Block diagram of depth setting ignition circuit

2 電源模塊及單片機(jī)系統(tǒng)

定深點(diǎn)火電路使用的電源是由 V_內(nèi)電、V_外電和點(diǎn)火電源3種組成，內(nèi)電和外電電壓范圍可以是4.75～32 V，點(diǎn)火電源大小可以根據(jù)需要輸出的點(diǎn)火電流及點(diǎn)火負(fù)載來決定。該電路中內(nèi)電電壓值范圍為19～25 V、外電電壓值范圍為25～30 V，點(diǎn)火電源電壓值范圍為37～43 V。內(nèi)電可由電池供電，外電可以由外部檢測設(shè)備提供電源。

定深點(diǎn)火電路工作時(shí)，內(nèi)電和外電為單片機(jī)系統(tǒng)等模塊供電，點(diǎn)火電源為輸出的點(diǎn)火信號(hào)提供驅(qū)動(dòng)能量。

1）內(nèi)外電識(shí)別電路。

定深點(diǎn)火電路需要識(shí)別內(nèi)外電，根據(jù)電源識(shí)別結(jié)果完成不同的功能，并且以內(nèi)電優(yōu)先。內(nèi)外電識(shí)別電路如圖2所示。

圖2 內(nèi)外電識(shí)別電路Fig.2 Internal and external electric identification circuit

內(nèi)電上電時(shí)，內(nèi)電激勵(lì)光耦激勵(lì)端，使光耦感應(yīng)端飽和。光耦感應(yīng)端輸出連接到單片機(jī)的IO端口（中斷端口）檢測[4]。內(nèi)電上電時(shí)輸出低電平，僅外電上電時(shí)輸出高電平。采用光耦對(duì)待測信號(hào)進(jìn)行隔離，避免了前后級(jí)互相間的影響，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2）電源變換電路。

電源變換電路將內(nèi)外電切換電路產(chǎn)生的內(nèi)外電“V_工作”變換為單片機(jī)系統(tǒng)以及點(diǎn)火控制電路等使用的+5 V和+3.3 V電源[5]。其電路如圖3所示。

圖3 電源變換電路Fig.3 Power conversion circuit

3）單片機(jī)系統(tǒng)及其接口。

本電路中使用了應(yīng)用較為成熟的 Atmel公司AVR系列單片機(jī)。單片機(jī)具體型號(hào)為ATmega1280–16AU[6-7]。其主要特點(diǎn)如下。

髙性能、低功耗的AVR 8–bit微控制器，基于高效的RISC結(jié)構(gòu)，在16 MHz時(shí)可以達(dá)到16 MIPS速度；內(nèi)部自帶程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無需擴(kuò)展；可在線編程和調(diào)試；擁有2個(gè)8位和4個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；擁有16通道10位AD轉(zhuǎn)換器；擁有4個(gè)可編程USART；具有大量外部和內(nèi)部中斷源；內(nèi)部電源監(jiān)測及看門狗電路。其電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure diagram

本系統(tǒng)中使用單片機(jī)的 16位定時(shí)器、AD轉(zhuǎn)換器、可編程異步串口以及外部中斷。定時(shí)器用于AD采樣的采樣頻率控制；AD轉(zhuǎn)換器用于采樣壓力傳感器的深度信號(hào)；可編程異步串口用于與外部檢測設(shè)備和上位機(jī)通訊，設(shè)定點(diǎn)火深度和回收試驗(yàn)數(shù)據(jù)；外部中斷用于監(jiān)測內(nèi)外電識(shí)別電路信號(hào)。

3 傳感器模塊

本電路為壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路提供+5 V電源，并采集一路壓力傳感器信號(hào)[4]。本電路+5 V電源輸出精度±2%（±0.1 V）。壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路輸出模擬信號(hào)范圍為0～5 V，單片機(jī)AD輸入范圍為0～5 V。因此，壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路輸出模擬信號(hào)不需要衰減。圖5所示為壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路。

圖5 壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路Fig.5 Signal processing circuit of pressure sensor

壓力傳感器信號(hào)由單片機(jī)自帶的 AD轉(zhuǎn)換器采集。單片機(jī)自帶16通道10位AD轉(zhuǎn)換器。電路中，AD轉(zhuǎn)換器配置為單端輸入方式，使用 16通道中的通道0作為采集通道。單片機(jī)在+5 V供電時(shí)，AD轉(zhuǎn)換器信號(hào)輸入范圍是0～5 V，滿足壓力傳感器信號(hào)調(diào)理電路輸出模擬信號(hào)范圍。

壓力傳感器選用麥克傳感器公司 MPM283型壓阻式壓力敏感元件。壓力傳感器具體型號(hào)為MPM283–13–S–L，測量范圍為 0～3.5 MPa，精度±0.15% FS。由傳感器精度帶來的誤差為±0.5 m，可達(dá)到一定深度測量精度要求。

4 點(diǎn)火控制電路

4.1 點(diǎn)火控制口線保護(hù)電路

在電路設(shè)計(jì)中，點(diǎn)火控制電路要求有極高的可靠性，如果點(diǎn)火信號(hào)無法正常給出，則會(huì)引起回收的失效；如果點(diǎn)火信號(hào)非正常輸出，就有可能發(fā)生安全事故。因此在電路設(shè)計(jì)時(shí)，必須對(duì)點(diǎn)火控制信號(hào)的可靠性與安全性進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)[2，8]，不允許出現(xiàn)誤動(dòng)作的情況。

系統(tǒng)上電時(shí)，單片機(jī)有上電初始化過程，此時(shí)單片機(jī)IO端口處于不確定狀態(tài)，而點(diǎn)火控制口線來源于單片機(jī)IO端口，在此過程中要對(duì)點(diǎn)火控制口線進(jìn)行保護(hù)[2]。定深點(diǎn)火電路中設(shè)計(jì)了口線保護(hù)電路，實(shí)現(xiàn)在系統(tǒng)上電過程中對(duì)點(diǎn)火控制口線的保護(hù)功能，電路示意圖如圖6所示。

圖6 點(diǎn)火控制口線保護(hù)電路Fig.6 Protection circuit of ignition control port wire

當(dāng)電源加到單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器 CD4098BM上時(shí)（單脈沖觸發(fā)），CD4098BM輸出一定脈寬的低電平信號(hào)，用此信號(hào)來實(shí)現(xiàn)上電過程中對(duì)點(diǎn)火控制口線的保護(hù)。

低電平持續(xù)時(shí)間與外圍所選的電阻、電容大小有關(guān)，計(jì)算公式為

單片機(jī)使用14.745 6 MHz外部晶振，工作電源為+5 V，其復(fù)位時(shí)間：

當(dāng)C13和C17僅有1個(gè)電容有效時(shí)，低電平持續(xù)時(shí)間：

當(dāng)C13和C17這2個(gè)電容均有效時(shí)，低電平持續(xù)時(shí)間加倍。單個(gè)電容有效時(shí)低電平持續(xù)時(shí)間大于單片機(jī)復(fù)位時(shí)間，可以確保在上電過程中，三輸入與門芯片SN74LV11AD的輸入端至少有1路是低電平，從而確保其輸出到點(diǎn)火口線的6腳始終處于低電平狀態(tài)，在上電過程中對(duì)點(diǎn)火口線進(jìn)行有效保護(hù)。

4.2 密碼選通電路

定深點(diǎn)火電路中要求根據(jù)設(shè)定的深度信號(hào)可靠輸出點(diǎn)火信號(hào)，在整個(gè)程序運(yùn)行過程中有且只有1次點(diǎn)火輸出，而其它時(shí)間點(diǎn)火控制口線必須處理為可靠的低電平狀態(tài)，程序不能隨意對(duì)其進(jìn)行寫操作，為此設(shè)計(jì)了密碼選通電路如圖7所示。

圖7 密碼選通電路Fig.7 Cipher gating circuit

在產(chǎn)品第1次到達(dá)設(shè)定深度時(shí)，向密碼選通電路的地址0x8000寫入0x7 F時(shí)打開密碼鎖，點(diǎn)火控制使能，此時(shí)點(diǎn)火控制信號(hào)可以正常輸出，輸出高則點(diǎn)火；當(dāng)向地址0x8000寫入0x80時(shí)關(guān)閉密碼鎖，關(guān)閉點(diǎn)火使能，此時(shí)無論點(diǎn)火控制信號(hào)高或者低，都不會(huì)點(diǎn)火。

4.3 點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路

定深點(diǎn)火電路要求提供一路點(diǎn)火信號(hào)，輸出電流不小于5 A（負(fù)載電阻0.8～1.5 Ω），脈沖寬度不小于200 ms，其電路示意圖如圖8所示。

圖8 點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路Fig.8 Ignition drive circuit

點(diǎn)火控制口線保護(hù)電路的輸出、密碼選通電路輸出和點(diǎn)火控制口線共同來控制光耦通斷。光耦導(dǎo)通時(shí)V3開啟，點(diǎn)火線變?yōu)楦唠娖健?/p>

采用 PNP型達(dá)林頓作為點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)，工作狀態(tài)有飽和導(dǎo)通和截止2種狀態(tài)[9]。型號(hào)BD652，最小放大倍數(shù)750，最大導(dǎo)通電流8 A，滿足5 A點(diǎn)火電流的要求。

點(diǎn)火電流要求不小于5 A，放大倍數(shù)750，則達(dá)林頓管b級(jí)電流為6.67 mA，考慮裕量，取7 mA。則電阻阻值：

按照阻值系列，R20取4.3 kΩ。電阻R18阻值取43 kΩ，光耦感應(yīng)端工作電流為

光耦激勵(lì)端工作電流取為16 mA，則電阻阻值：

按照阻值系列，R7取240 Ω，C24為濾波電容。

達(dá)林頓管導(dǎo)通壓降為2 V，導(dǎo)通時(shí)點(diǎn)火信號(hào)輸出電壓范圍是35～41 V，負(fù)載電阻0.8～1.5 Ω，為保護(hù)達(dá)林頓管，需要在點(diǎn)火輸出和負(fù)載之間加限流電阻，取R2阻值為5.1 Ω，則輸出的點(diǎn)火電流范圍是5.30（電壓35 V，負(fù)載電阻1.5 Ω）～6.95 A（電壓41 V，負(fù)載電阻0.8 Ω），既滿足指標(biāo)要求，又保證達(dá)林頓管安全。

5 試驗(yàn)結(jié)果

本電路在試驗(yàn)室調(diào)試時(shí)，用壓力調(diào)教儀給深度傳感器加壓，同時(shí)用示波器監(jiān)測負(fù)載兩端電壓值（負(fù)載電阻值取1.5 Ω），當(dāng)加壓至設(shè)定的深度值時(shí)，負(fù)載兩端輸出150 ms、40 V高脈沖，如圖9所示。由本電路實(shí)現(xiàn)的定深回收裝置在湖上進(jìn)行多次試驗(yàn)驗(yàn)證，裝置隨產(chǎn)品由船吊布入水，在到達(dá)設(shè)定深度時(shí)，自動(dòng)點(diǎn)火觸發(fā)氣囊膨脹上浮，完成裝置回收。在工作過程中設(shè)定點(diǎn)火深度值為 40 m，回收的深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示，可以看到，當(dāng)試驗(yàn)產(chǎn)品到達(dá)深度40 m時(shí)，產(chǎn)品停止下沉，開始上浮，說明定深點(diǎn)火電路在深度值為40 m時(shí)輸出了點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電流，觸發(fā)了產(chǎn)品的回收功能，工作正常。類似試驗(yàn)進(jìn)行多次，試驗(yàn)結(jié)果均如圖10所示，說明該電路工作穩(wěn)定、可靠。

圖9 負(fù)載電壓數(shù)據(jù)Fig.9 Load voltage data

圖10 深度試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.10 Depth test data

6 結(jié)束語

定深點(diǎn)火電路在某項(xiàng)目中得到了應(yīng)用，并安全、可靠地完成了設(shè)計(jì)的定深點(diǎn)火功能。定深點(diǎn)火電路采用高精度的壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)水下深度的精確檢測，確保在預(yù)定的深度可靠地輸出點(diǎn)火。定深點(diǎn)火電路在點(diǎn)火輸出端增加了點(diǎn)火口線保護(hù)電路、密碼選通電路，確保在系統(tǒng)上電的初始化時(shí)刻及軟件誤操作情況下不會(huì)誤點(diǎn)火。定深點(diǎn)火電路中工作電源與點(diǎn)火電源獨(dú)立設(shè)計(jì)，電路在點(diǎn)火輸出的時(shí)候不會(huì)影響到系統(tǒng)自身的工作電源，一方面保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，另一方面可以方便設(shè)計(jì)者根據(jù)輸出點(diǎn)火能力的需求靈活選擇合適的點(diǎn)火電源。同時(shí)，該點(diǎn)火驅(qū)動(dòng)電路中選用的達(dá)林頓管具有輸出最大8 A電流能力，能滿足各種點(diǎn)火的需求。該電路可以推廣應(yīng)用到其他對(duì)點(diǎn)火輸出有高安全、高可靠要求的海洋裝備項(xiàng)目中，助力水下攻防能力的發(fā)展。