智能化弹药武器系统点火控制单元研究与设计*

张瑜洁,韩喜红

(西安现代控制技术研究所, 西安 710065)

0 引言

智能化弹药武器系统的点火控制单元的安全性和可靠性直接影响着武器系统整体性能指标[1]。智能化弹药武器系统一般采用电子式发射点火方式,主要功能是生成满足时序要求和功率要求的脉冲点火信号,以驱动相应的点火具输出点火起爆功率信号,引爆或点燃火工品[2]。

20世纪90年代末,点火电路的设计实现为一块标准ART板,且采用分离元器件,体积大、重量重、可靠性低,不利于系统电路的小型化、集成化设计。基于以上原因,文中结合点火控制的设计流程、设计方法,完成了典型点火控制单元设计实现,即保证高可靠性,又确保安全性。

本文所描述的点火控制单元,通过了单元测试、集成测试和可靠性测试,经过实际项目应用后进行了规范化设计,最终形成一种特定专用电路模块,广泛应用于多个项目的发射点火控制中,并圆满完成了数千枚的弹药发射。

1 总体设计

1.1 典型点火电路组成

典型点火电路由3部分组成：

1)点火控制电路生成满足点火时刻和脉宽要求的控制信号;

2)隔离电路实现点火控制电路和点火驱动电路的电气隔离;

3)点火驱动电路实现功率放大,形成满足要求的点火信号。

1.2 通用点火电路设计准则

通用点火电路设计应遵循以下原则：

1)将控制电路和点火驱动电路的电源进行分离设计;

2)点火驱动电路上电时刻应滞后于点火控制电路上电;

3)进行偏置设计,消除上电过程中点火控制信号的不确定态;

4)对点火控制电路和点火驱动电路进行电气隔离设计;

5)PCB设计中,将点火控制回路与点火驱动电路回路分区设计;

6)点火控制电路进行软件可靠性设计;

7)合理选取限流电阻。

1.3 弹上点火电路设计

弹上点火电路即典型点火电路,其组成框图如图1所示。点火控制电路电源和点火驱动电路电源由系统隔离电路分离且分时提供。

图1 弹上点火电路组成框图

1.4 地面发射点火电路设计

地面发射点火电路包括电源分离、点火电源控制电路、选弹及保护电路,其组成框图如图2所示。电源分离是将单一供电电源分为控制电路电源和点火驱动电路电源,点火电源控制电路的功能是实现点火驱动电路的适时上电,选弹及保护电路实现多发弹点火通路的切换及安全保护。

图2 地面发射点火电路组成框图

2 电源分离设计

2.1 设计准则

设计准则为:点火驱动电路和点火控制电路的电源进行分离设计。

2.2 设计要点

电源分离设计要点为:

1)分离供电方式是指武器系统提供独立的点火控制电路电源(即工作电源1)和点火驱动电路电源(即点火电源2)。电源2只有在执行击发时才会被接通和输出。在弹上电源1和电源2分别由不同的弹上电源提供,直接完成电源分离。

2)统一供电方式是指武器系统仅提供一路电源。将点火控制电路电源和点火驱动电路电源进行分离设计。典型电源分离设计的原理框图见图3所示,滤波器1后为点火控制电路电源,滤波器2后为点火驱动电路电源。

图3 统一供电方式的电源分离设计框图

3 分时上电

3.1 设计准则

分时上电设计准则为:点火驱动电路上电时刻滞后于点火控制电路初始化完成时刻。

3.2 设计要点

统一供电的武器系统,在点火控制电路上电复位过程中,采用“分时上电”的方法。即点火控制电路首先上电且端口初始化完成后,再控制点火驱动电路电源延迟上电。延迟时间内即使执行级电路接收到了错误的点火指令或与其类似的干扰信号电路也不动作,保证了系统安全[3-4]。

分时上电电路的原理框图如图4所示[5]。有两种方法:

图4 分时上电电路的原理框图

方法1为软件延时控制点火电源,使其适时加电,有利于多任务的可靠执行。

方法2为RC延迟电路控制的方法。RC延迟电路简单可靠,有效屏蔽上电瞬间干扰信号。

4 隔离设计

4.1 设计准则

隔离设计的准则为：既要保证电气信号可靠交互,又要将强弱信号分离。

4.2 设计要点

点火电源控制信号和点火控制信号属于弱信号工作回路,点火驱动电路属于强信号工作回路,进行电气隔离,避免增加回路中的“共地点”。

图5 隔离电路框图

5 I/O偏置设计

5.1 设计准则

I/O偏置设计的准则为：确保控制电路上电复位过程中,端口输出状态为固定值,避免引起后级电路的误动作。

5.2 设计要点

控制电路在上电复位过程中,对输出管脚进行三态设计,通过上拉、下拉电阻使其初始输出状态确定,根据具体需求选取点火模块偏置电压。

6 地线设计

6.1 设计准则

地线设计的准则为：

1)单一供电系统中,控制电路和点火驱动电路的地线在电源输入端单点共地;

2)点火控制回路与点火回路完全隔离;

3)在PCB设计中,点火信号地线短而粗,减少地线回路的压降,缩短点火回路的长度;

4)结构空间允许时,将点火回路单独分区。

6.2 设计要点

点火电路的地线包括“点火控制电路地”、“点火驱动电路地”、 “数字地”和“模拟地”,在设计时应进行隔离,如图6所示。

单一供电系统对应图6“地面”模块,在其输入端只有“输入地1”。“输入地1”经滤波器1和滤波器2分别生成点火控制电路地(Gndin)和点火驱动电路地(DHGND)。

分离供电系统对应图6 “弹上”模块,在其输入端有“输入地1”和“输入地2”。两路输入地在系统中已经隔离,由其直接产生Gndin和DHGND。

点火控制电路中的“数字地”和“模拟地”均由Gndin隔离生成。

7 点火控制电路软件设计

软件设计主要包括:

1)初始化中对点火控制信号端口进行无效态设置;

2)点火驱动电路电源上电时刻滞后控制电路上电时刻;

3)点火时刻和点火脉宽同时满足相应要求时才能判定有效;

4)点火输出通过多个条件综合判断保证点火时序正常执行;

5)周期性设置点火端口的输出状态,防止CPU异常复位或程序跑飞后点火端输出状态错误;

6)在弹上点火时序信号生成过程中,出现异常复位时采用快速恢复状态的方法继续输出点火时序信号。

8 结束语

点火电路设计是一个系统设计,从安全性、可靠性角度出发,应遵循“电源分离、分时上电、IO偏置、强弱隔离、地线合理、逻辑缜密、适当冗余”的设计原则,应具有可靠性高、响应快速等特点[6]。实践表明：文中设计的点火控制单元能可靠实现智能化弹药武器系统地面/弹上安全准确的点火控制,抗干扰能力强,有效保障设备、人员安全。