基于STM32的引信多用途起爆电路设计*

2018-05-09陈海峰聂伟荣

火力与指挥控制 2018年4期

陈海峰，聂伟荣

（南京理工大学机械工程学院，南京 210094）

0 引言

实现高效毁伤是信息化条件下常规弹药的主要发展目标之一，这要求引信能够根据弹目交会特征及目标特性，自动选择起爆方式和起爆时机，以便将战斗部的毁伤能量尽可能多地抛向目标，进而提高弹药对目标的毁伤效率［1-3］。引信多用途起爆电路是集近炸、触发、延时等多种功能起爆于一体，其功能是接收前级电路发送来的多用途引炸信号，可靠输出满足起爆器能量要求的发火信号，进而实现弹药对目标的高效毁伤。

起爆电路作为控制起爆器工作的关键部分，其可靠性要求极高；同时，它应该拥有良好的抗干扰性能，保证接收到起爆指令后，既能可靠起爆，又不误起爆。本文设计了一种引信多用途起爆电路，对起爆电路的安全性、抗干扰性进行了分析，设计并完成印制线路板，并对起爆电路进行了实验研究。

1 起爆电路原理设计

镍-铬桥微起爆器具有体积小、起爆能量小（可小至2 mJ）、作用时间较短的特点［4］。通常情况下，在镍-铬桥丝上施加几安培的电流后，可在很短时间内实现起爆。由于起爆器的激活主要要求电流和功率，其动作瞬间完成。大容量电容器的储能及瞬间放电能力可完全满足电起爆器点火的电流及功率需求。因此，在引信中普遍采用先给电容充电储能，再控制储能电容对起爆器放电的方法。

引信中起爆电路多为模拟电路控制，其缺点在于模拟电路控制方式单一，电路复杂，且与上位机信息交换不便；执行电路采用可控硅控制，可控硅容易受电磁兼容的影响，导通后状态是锁定的，不利于电路调试［5］。本文采用STM32控制方式，内嵌多种通讯单元，控制形式灵活，可方便地完成对起爆器的多用途控制，且与上位机通讯方便。起爆电路采用电容充放电，场效应管方式，其体积小、可靠性高。场效应管方式起爆原理电路见图1所示。

图1 中二极管D1、限流电阻R1、储能电容C1构成充电回路，C1与场效应管K2、微起爆器构成放电回路，C1、R2构成泄能回路。电路工作过程是：当电源激活后，电能经D1、R1给储能电容C1充电至满电荷。当起爆控制指令来到时，K2闭合，由于导通后的K2与微起爆器内阻较小，因此，储能电容C1通过该回路快速放电，当起爆元件内部集聚的能量超过其点火能量时即被引爆。如果未能正常起爆，则C1的能量可以经泄能电阻R2慢慢放掉，从而保证瞎火弹药经过安全周期后不会再发火，保证了瞎火弹处理的安全性。由于R2＞＞R1，在电源电压维持正常的情况下，经R2泄放掉的能量会从电源及时获得补充，因此，R2的存在不会影响发火电路的正常工作。二极管D1起方向截止作用，防止C1通过电阻R1放电。限流电阻R1的作用是控制C2的充电速度。

2 多用途起爆电路系统设计

系统设计如图2所示，该系统包括STM32、充电控制电路、多用途起爆电路3个部分。STM32作为多用途起爆电路控制的核心，具有与上位机通讯、发出控制指令等功能；充电控制电路起到控制储能电容充电的功能；多用途起爆电路的功能为接收不同功能的起爆指令，经过信号处理，输出起爆信号。

STM32选用意法半导体公司的STM32F103C8T6，主频为72 MHz、32位RISC内核，它基于哈佛体系，拥有多重总线，可以进行并行处理，以保证信号处理的快速性和实时性［6］。其包含GPIO口、通用定时器及 USART等模块接口［7］，STM32F103C8T6的GPIO用来进行多用途起爆控制，USART内部外设用来与上位机通信。

STM32接收到上位机指令信息后，经内部信息处理后，通过GPIO1发出电容充电指令，输出到充电控制电路，GPIO1为高电平有效；GPIO2-GPIO6作为多选择起爆电路的控制端口，GPIO3和GPIO4输出延期/触发指令1和延期/触发指令2到延期/触发起爆电路上，GPIO3为高电平有效，GPIO4为低电平有效；GPIO5和GPIO6输出近炸指令1和近炸指令2到近炸起爆电路上，GPIO5为高电平有效，GPIO6为低电平有效。GPIO2为碰合开关闭合信号输入端口，GPIO2为高电平表示碰合开关闭合。

电容充电指令经过由电阻R3、电容C2组成的阻容网络滤波后，输出到场效应管K1后。当GPIO1为高电平时，K1导通，电源通过限流电阻R1向储能电容C1充电至满电荷。

通过对GPIO3-GPIO6的不同配置可实现近炸、触发、延期等多选择起爆功能。当配置GPIO5为高电平、GPIO6为低电平时，近炸指令1和近炸指令2经过由电阻R6和R7、电容C5和C6组成的阻容网络滤波后，输入到场效应管K6，K6导通，电源经R10分压后作用到场效应管K3上的电平为低电平，进而K3导通，储能电容C1快速对微起爆器放电，微起爆器内部集聚的能量超过其点火能量时即被引爆。当配置GPIO3为高电平、GPIO4为低电平时，触发指令1和触发指令2经电阻R4和R5、电容C3和C4作用到场效应管K5时，K5导通，电源经R8分压后作用到场效应管K2上的电平为低电平，进而K2导通，弹药碰击到目标时，碰合开关闭合，储能电容C1快速对微起爆器放电，引爆起爆器。延期起爆电路与触发起爆电路共用一个放电回路，但两者实现过程不同。当弹药碰击目标时，碰合开关闭合，此时GPIO2端口为高电平。STM32一旦检测到GPIO2为高电平即开始延时，当延时时间到达后，配置GPIO5为高电平、GPIO6为低电平，控制K5、K2导通，储能电容C1快速对微起爆器放电，引爆起爆器，实现延期起爆功能。

3 起爆电路安全性设计

随着战场环境的日益复杂，干扰因素日益增多，如静电干扰、电磁干扰等［8］。而本文设计的安全与起爆控制电路的控制信号电压较低，开关开启电压低至1 V，电路易受干扰产生误导通。因此，电路安全性设计是必须要考虑的因素。

3.1 阻容滤波网络

在起爆控制指令输入端设计阻容滤波网络，可以有效滤掉线路上的尖峰干扰。如图3所示，R2和C2组成阻容滤波网络，对起爆控制端指令低通滤波，防止因尖峰干扰而使开关K2导通，造成电路误发火。

3.2 防差错设计

对起爆控制指令进行防差错设计，以防止控制电路误动作，这有利于提高电路系统在上、下电以及恶劣的电磁环境中的工作安全性，如图3中的控制指令应为组合指令，只有组合指令同时有效时才能使K2导通，如图4所示。

图4 中的控制指令1为高电平，控制指令2为低电平时才能使K3导通，进而控制K2导通完成起爆。控制指令1和2应来自同一个控制器件的同一类型端口，这样在系统上电或下电时，其状态均为高或均为低，从而不会使K3导通。另外，意外的电磁干扰一般为共模干扰，也不会造成K3的意外导通，确保了起爆安全。

4 实验与结果分析

4.1 起爆功能实验

依据图2设计印制电路板，如图5所示，储能电容选用钽电解电容，规格为470 μF。使用图6所示实验装置进行起爆实验，镍铬桥电雷管的内阻约为4 Ω，本实验中用阻值为4 Ω电阻代替。图7为示波器存储的近炸起爆波形图。STM32输出组合近炸指令，1通道为起爆指令1，2通道为起爆指令2，3通道为近炸起爆信号。只有1通道为低电平，2通道为高电平时，才能输出近炸起爆信号。

图8为示波器存储的触发起爆波形图。STM32输出组合触发指令，1通道为触发起爆指令1，2通道为触发起爆指令2，4通道为碰合开关闭合信号，3通道为触发起爆信号。当弹药碰击目标时，碰合开关闭合，起爆电路导通，电路输出触发起爆信号。

图9为示波器存储的延期起爆波形图。1通道为延期起爆指令1，2通道为延期起爆指令2，4通道为碰合开关闭合信号，3通道为延期起爆信号。当弹药碰击目标时，碰合开关闭合，此时通道4为高电平，STM32开始延时，延时500 ms后，STM32输出组合延期起爆指令1、2，输出延期起爆信号。

4.2 起爆可靠性实验

起爆可靠性是指控制信号到来后，触发电路应该可靠触发，开关导通，储能电容输出足够能量，激发起爆元件。本实验中用电阻代替镍铬桥起爆器，图9为起爆信号到来后，电阻两端的电压值，根据欧姆定律可以得到流过电阻的电流值大小。根据镍铬桥起爆器的最小起爆电流，根据图10可以得到电流大于最小起爆电流的时间约2 ms，可以确保镍铬桥微起爆器可靠起爆。