基于STM32 的便携式直列式保险起爆装置检测仪设计

王 鹏，袁士伟，刘子琦

(北京航空航天大学宇航学院，北京 100191)

在现代兵器中，大部分武器依靠战斗部对目标进行毁伤。战斗部需要依靠引信起爆，因此引信在现代武器中起着至关重要作用。要保证引信的安全可靠，对引信进行检测十分必要。由于武器进行长途的输运，外部环境恶劣，或者长期储存，对引信的功能可能会带来影响，对引信进行出厂和战前检测是保证武器安全可靠的必不可少的步骤。研制一台便携式检测仪具有很高的实用价值。

直列式起爆装置最早应用于核技术，在20 世纪80年代后迅速发展［2］。由于直列式起爆装置解除保险后可以恢复到安全状态，因此直列式起爆装置可以反复检测全部功能。本检测仪是针对某型号水中兵器使用的直列式起爆装置研制的。

1 总体设计

1.1 直列式起爆装置原理

直列式起爆装置主要包括4 部分:电子安全逻辑模块，高压引爆模块，冲击片雷管，传爆序列［1，7］，如图1 所示。

图1 直列式起爆系统示意图

工作原理是t0时刻上电，此时为计时原点，当信号EV1来时将27 V 电源接通，当EV2 在规定时间来后，接通27 V供电的地线，EV3 在规定的时间窗来后动态开关打开，之后起爆装置接收到EV4 触发信号后，起爆装置起爆［7］。

1.2 检测仪组成及功能

检测仪包括显示模块，手动时序输入模块、时序信号发送模块，电源管理模块，反馈信号检测模块，如图2 所示。

图2 检测仪原理图

检测仪检测电子安全逻辑模块以及高压引爆模块。检测仪向直列式起爆装置提供27 V 供电，和6 V 供电。并提供4 路模拟环境的时序电平信号，可以接收手动模拟环境时序。具备手动和自动输入切换功能。检测仪既可以作为检测直列式起爆装置检测仪使用，又可以作为驱动直列式起爆装置的驱动器使用。

采用彩色液晶屏显示，显示内容主要包括27 V 供电电压值，6 V 供电电压值，上电计时零点，EV1 ～EV4 输入状态，以及S1 ～S4 的状态(S1 代表的是静态开关1 闭合状态，S2代表的是动态开关2 闭合状态，S3 代表动态开关状态，S4 是高压状态检测信号)。以及S5 解除保险状态信号，S6 错误状态反馈信号。一个5 V 反馈信号，电压值反映高压电容两端电压，当电压为5 V 时表示电容两端电压为3 000 V。

2 STM32 最小系统设计

本检测仪采用意法半导体的STM32F103VET6 芯片作为主控制器，STM32 系列是以Cortex -M3 为内核的高性能，低功耗，低成本的芯片，适合应用在便携式设备上［6］。STM32F103VET6 工作频率最高为72 MHz，512K 内部flash，64KRAM，12 位ADC，采用2.0 ～3.6 V 供电和I/O 引脚。2个12 位模数转换器，16 个通道［6］。由于STM32 集成了丰富的外设功能，因此外部元件使用极少，使得电路结构简单，同时也降低功耗，此外由于ST 公司提供固件库，使得其使用简单方便，大大缩短开发周期，因而是本检测仪的首选主控制芯片。

本检测仪将要使用到的是其ADC 转换器，GPIO 快速端口，看门狗定时器，静态存储控制器模块(FSMC)，通用定时器，EXTI 中断模块。

使用8 MHz 外部晶振提供时钟信号。复位电路和外部晶振电路［6］如图3 所示。

图3 复位电路和外部晶振电路

当BOOT1 =x，BOOT0 =0 时从用户闪存开始运行程序;当要下载程序时BOOT1 =1，BOOT0 =0，从系统存储器开始启动［6］。电路图如图4 所示。

图4 BOOT 引脚设置

3 检测模块

总共有7 个反馈信号，和2 个供电信号需要检测。反馈信号有S1 ～S6，和一个5 V 反馈信号，供电电压信号为一个27 V 供电电压信号，一个6 V 供电电压信号。反馈状态信号是S1 ～S6，电平为27 V。检测仪使用STM32 的ADC 转换器来检测这些信号，ADC 转换器输入电压最大为3.6 V。因此需要对这几路信号分压，分压之后接入OPA2335 运放所组成的电压跟随器，OPA2335 属于轨至轨输入输出运放，有较宽的电源电压范围，这里采用3.3 V 供电，如图5 所示。信号经过低通滤波之后进入ADC 的输入通道之中，ADC 转换器总共有16 个通道，这里使用9 个通道。

图5 电压跟随器

4 显示模块设计

采用2.4 寸彩色液晶显示屏，分辨率为320* 240，使用奕力科技的ILI9325 液晶控制芯片。采用MCU 接口模式，主要有片选信号CS，读信号RD，写信号WR，数据命令选择信号RS，16 位数据线。STM32 使用FSMC(可变静态存储控制器)与ILI9325 芯片相连，如图6 所示。显示内容有输入信号Start，EV1，EV2，EV3，EV4 的状态;反馈信号S1 -S6 的状态;27 V 和6 V 供电电压，5 V 反馈的反馈电压;Start 信号输入后开始计时的计时时钟显示。

图6 显示模块示意图

5 时序输入输出模块

直列式起爆装置为提高其可靠性，只有在规定的信号来之后，才会对储能电容充电，只有在正确信号情况下才可以触发。检测仪主要依靠对信号的时序，脉宽，时间窗，阈值进行判别来保证信号的正确性［7］，如图7 所示是正确时序图。由于正确的时序只有一个，故检测仪可自动提供正确时序，错误时序较为复杂，所以错误时序由手动有选择提供。

图7 正确时序

手动时序先输入进STM32，然后控制器驱动外围电路向直列式起爆装置发送信号，由于后端接口是27 V 电平，因而STM32 无法直接输出电平信号来直接驱动起爆装置，需要进行电平转换。输入信号可以直接接入STM32 的GPIO 端口，GPIO 最大可容忍5 V 输入，采用拨动开关向端口输入高低电平信号，软件实现防抖功能，如图8 所示。引脚设置成为数据输入模式，设置相应的数据传输速率，然后读取引脚状态，当没有按键按下时，引脚是高电平，使用中断控制器来判断输入端口的电平信号状态。

图8 按键输入电路示意图

检测仪向直列式起爆装置发送27 V 电平信号的电路使用光耦与后端电路隔离开，防止烧坏主控制器。GPIO 端口输出高电平信号导通光耦，使得PMOS 管接通，向后端发送27 V 的电平信号，如图9 所示。

图9 27 V 电平信号输出模块

6 电源模块设计

本检测仪采用电池供电，使用4 节5 号干电池，因而可提供6 V，4.5 V，3 V 电压。要求为TFT 屏，STM32，OPA2335提供3.3 V 电压，为驱动后端需提供27 V 电压。因此电源模块包含两个部分，一个提供3.3 V，一个提供27 V。3.3 V 由TI 公司的TPS61016 芯片提供，转换效率最高可达96%［8］，如图10 所示。

图10 TPS61016 电源电路

27 V 由TPS61042 芯片提供［9］，电压输入为6 V，输出为27 V，如图11 所示。

图11 TPS61042 电源电路

7 结论

本检测仪使用ST 公司的STM32F103VET6 作为主控制芯片，由于有固件库，使得使用大为方便，极大的缩短了开发周期。并且充分利用其丰富的功能模块和极低的功耗特点，减少外围器件，降低检测仪的功耗和体积，实现手持式，方便使用，使得直列式起爆装置检测仪更具实际的应用价值，更有利于直列式起爆装置的大范围推广。

［1］袁士伟.固体火箭发动机直列式点火系统设计［J］.宇航学报，2006，27(5):1059-1062.

［2］杨振发，杨振英.直列式安全点火系统及其在固体火箭发动机中的应用前景［J］.火工品，2002(1):52-54.

［3］刘志强，李世义，申强.ESA 多功能测试仪的设计与实现［J］.电子测量与仪器学报，2004(增刊):398-403.

［4］曹圆圆.基于STM32 的温度测量系统［J］.自动化与仪器仪表，2010(3):16-18.

［5］季力.基于STM32 芯片的电参数测量与数据传输［J］.自动化与仪器仪表，2010(3):137-139.

［6］李宁.基于MDK 的STM32 处理器应用开发［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2008.

［7］党瑞荣，杨振英.直列式爆炸序列的控制技术［J］.火工品，1994(4):74-79.

［8］TI Corporation，TPS6101x High-Efficiency，1-Cell and 2-Cell Boost Converters［EB/OL］.http://www.ti.com.2014.

［9］TI Corporation，TPS61042 Constant Current LED Driver［EB/OL］.http://www.ti.com.2014.