為電子時間引信增添CAN總線自檢模塊

沈 波,柏 舸,雷向莉,劉 杰

(西安機電信息研究所,陜西西安 710065)

0 引言

在子母火箭彈武器系統中,通常使用電子時間引信完成火箭彈的定時開艙功能。能不能達到預先設定的作戰目的,電子時間引信正常工作與否十分重要。如果武器系統能夠在裝定時對其進行全面檢測,就可以剔除故障引信保證彈藥系統的毀傷效率[1-3]。目前國內針對電子時間引信的自檢測存在空白。引信在實際使用過程中只是利用引信外部的裝定器對其進行裝定,只要裝定成功即判定引信工作正常,火箭彈允許發射。這種使用方法只能確定引信的裝定功能是否正常,并不能反映引信內部其他部件的工作狀態,存在局限性。為此,本文提出電子時間引信的CAN總線自檢測方法。

1 一般裝定方法和CAN總線

1.1 一般電子時間引信的裝定方法

在總裝完成后,電子時間引信對外部只保留通信接口和供電接口。裝定器作為武器系統與引信之間的橋梁,負責為引信供電和時間裝定。裝定是指裝定器與引信之間的一個信息傳遞過程,數據傳輸采用自定義數字編碼方式[4]。這種傳輸方式結構簡單、傳輸效率高,便于集成。但由于沒有統一的執行標準,通信協議由硬件固定不易更改,無法提供復雜數據信息的高速雙向傳輸,存在局限性。通過該接口,裝定器對引信發出裝定指令并接收引信的回答信號。在實際使用過程中,如果引信裝定正確,則判定引信工作正常。一般電子時間引信裝定的工作原理如圖1所示。

圖1 一般電子時間引信裝定的工作原理圖Fig.1 Primary electronic time fuze work schematic diagram

1.2 CAN總線

現場總線是在工業現場環境中運行的全數字化、雙向、多變量、多點多站的通信系統。CAN總線是眾多現場總線技術中公認最有前途的幾種之一,也是目前為止唯一具有國際標準的現場總線。CAN總線具有大量現成的器件可以選擇,結構簡單,使用方便[5]。結合CAN總線的技術特點,電子時間引信采用該接口具有以下優勢:

1)CAN總線采用差分傳輸方式,每幀數據都有CRC校驗,具有很強的抗干擾能力,符合引信裝定數據傳輸可靠性要求高的特點;

2)CAN總線具有國際標準規范,便于全武器系統的功能集成;可滿足多種網絡拓撲結構,布局更加靈活,適應性更強,便于在不同的武器系統中跨平臺移植;

3)在多管火箭炮武器平臺上,多發電子時間引信與裝定器之間的通信方式可采用CAN總線的多主方式工作,大大減少裝定器與引信之間通信電纜的連接數量。

CAN總線可以在裝定器和引信之間建立一個雙向高速數據傳輸通道。通過該接口引信可以實時將自身狀態上報裝定器,裝定器負責管理和處理相關數據,監控每一發引信的工作狀態,出現問題及時報告火控系統。

2 自檢測電子時間引信的CAN總線檢測原理

2.1 自檢測電子時間引信的組成

通過電子時間引信的裝定原理可以看出,裝定器對引信的裝定過程僅能證明引信對裝定時間的接收是否正常,而無法說明引信其他模塊的狀態,因此在一般電子時間引信的基礎上增加了CAN總線模塊和自檢測模塊。利用自檢測模塊,引信可實現對自身內部參數的全面檢測。通過CAN總線模塊,裝定器能夠查詢引信自檢測的相關數據,判斷引信的工作狀態是否正常。自檢測電子時間引信的CAN總線檢測原理圖如圖2所示。

圖2 自檢測電子時間引信的CAN總線檢測原理圖Fig.2 CAN-bus checking schematic diagram of self-checking electronic time fuze

2.2 自檢測模塊的工作原理

引信自檢測模塊電路采用的微處理器內置12位精度、速率500 kHz的模數轉換器(ADC)和數字I/O口,可以同時處理多路模擬信號和數字信號量[6]。為保證檢測的全面性,檢測點須覆蓋組成引信的各個模塊。根據一般電子時間引信的組成和工作原理,電子時間引信自檢測工作原理如圖3所示。

測試點根據測量的特性可以分為以下四類:

1)電壓值測量:電源電壓、化學電源輸出電壓、電池激活執行級儲能電容電壓、點火執行級儲能電容電壓;

2)電阻值測量:電點火管內阻;

3)時間值測量:定時時間;

4)開關信號測量:點火輸出信號、安全與解除保險裝置的解保狀態。

微處理器配合外圍電路可完成上述四類測試點的測量。測試點涵蓋了引信內部各個模塊的所有關鍵點。通過對這些點的連續檢測, 不但能夠及時發現引信控制系統的工作狀態是否出現異常,還可以對故障進行相對準確地定位。

圖3 電子時間引信自檢測工作原理圖Fig.3 Electronic time fuze self-checking schematic diagram

2.3 裝定檢測方法

裝定器和引信之間的通信接口由自定義專用數字編碼方式更改為CAN總線通信方式。CAN總線更加靈活,可根據需要隨時更改通信數據內容,通用性、互換性好,可靠性、傳輸速度更高。引信的時間裝定指令和一般引信基本相同。新增加檢測指令,該指令由裝定器發出,引信接收后,利用自檢測模塊進行自檢,完成后再將信息反饋裝定器。裝定和自檢測方法相對于一般引信可為其各個階段提供更加方便、全面的檢測結果。

2.3.1 生產過程中檢測

引信的生產過程要經過部件裝配、調試,產品總裝和出所驗收等階段。自檢測功能可以應用在各個生產環節中,及時發現和定位故障,剔除在生產環節中可能由元器件質量差異、焊接方法不當、灌封工藝缺陷等引發的不合格產品。

2.3.2 火箭彈發射前檢測

火箭彈在發射前,武器系統可通過裝定器對引信進行周期性檢測。檢測指令分為兩種,一種是報警模式,一種是應答模式。在報警模式下,自檢測功能由引信按照一定的周期自動執行,僅在發現問題時才向裝定器上報故障情況,可節省總線資源。在應答模式下,引信接收一次裝定器的指令執行一次檢測,并將詳細的檢測結果反饋。應答模式主要用于武器系統對引信的全面檢測,其缺點是對總線的資源占用比較大。

2.3.3 火箭彈發射后檢測

火箭彈發射后,引信自檢測模塊繼續工作,在火箭彈飛行全過程中監測引信的工作時序與狀態,記錄第一級火工品短路開關打開時間、安全與解除保險裝置解除保險時間、點火電容充電時刻與電壓、引信開艙點火信號輸出時間等相關引信飛行數據,數據直接存儲在微處理器的FLASHROM中。在回收引信后,即可通過通信接口讀出所需數據。彈上存貯功能在引信研制階段非常有用。在科研靶試時,如果出現引信沒有作用的情況,可以直接提供飛行時的原始數據,便于問題的查找與定位。

3 可行性論證

3.1 新增模塊的影響分析

具有自檢測功能的電子時間引信在一般電子時間引信的基礎上共增加了兩個模塊,自檢測模塊和CAN總線模塊,其他功能模塊的設計保持不變。增加的模塊只在外圍工作,沒有更改電子時間引信的工作狀態。在增加新功能的同時具有良好的繼承性,不會對引信的主要技術性能造成不利影響。

3.2 功耗分析

實驗室測得電子時間引信工作時的功耗為525.85 mW,增加自檢測模塊后功耗變為 567.4 mW,約增加了7%,幅度增加不大。使用一般的裝定器供電電源,其驅動能力能夠滿足新的使用要求。

3.3 安全性及失效性分析

對檢測點進行檢測時,唯有對電點火管的檢測可能帶來安全問題。

總裝完成后引信的電點火管被短路開關短路,不具備可測性,所以對電點火管內阻的檢測僅在火箭彈發射后進行。其方法是在電點火管上串聯一只1 kΩ電阻,然后通過檢測開關接3.3 V直流電源。不測試時,檢測開關打開不對電點火管加點。測試時檢測開關閉合,通過測量電點火管上的電壓即可計算出電點火管的內阻。該方法在測試時經過電點火管的測試電流為3.3 mA,遠遠小于電點火管50 mA的安全電流,也小于QJ41型電雷管測試儀最大電流不超過27 mA的設計指標。

通過上述對檢測流程和檢測方法的分析,即使模塊出現故障,無法完成通信檢測功能,至多導致引信無法正常工作,但不會對引信帶來安全性隱患。

3.4 經濟性分析

自檢測模塊采用的微處理器為完全集成的混合信號片上系統型MCU,該處理器集成度高,只需要配合少量的外圍器件即可滿足檢測要求。同時該MCU整合了CAN總線控制器2.0B,只需外掛一個CAN總線收發器,就可以實現CAN總線的通信。因此增加兩個模塊對于引信整體來說只增加了很少的電路,價格便宜,但能有效提高引信作用可靠性,相對一發火箭彈的成本來說是非常經濟的。

3.5 通信接口改變的影響分析

在和武器系統信息交聯的接口設計上,電子時間引信一般采用自定義的專用數字編碼通信。其與CAN總線通信的性能對比分析見表1。

表1 自定義的專用數字編碼和CAN總線通信的性能對比Tab.1 Communication performance comparison of self defined special-purpose digital coding and CAN-Bus

通過對比,不論是在抗干擾能力還是數據傳輸速率等各個參數方面,CAN總線都優于一般電子時間引信所采用的通信方式。CAN總線驅動芯片采用單片式設計,結構簡單、使用方便。采用該接口使得引信與裝定器的通信鏈路具有更強的抗干擾能力、更高的傳輸速率和靈活性。

3.6 檢測數據分析

為驗證電子時間引信自檢測方法的有效性,在實驗室利用C8051F041單片機測試板對電子時間引信控制電路進行了測試,其中電點火管使用10 Ω的電阻模擬,安全與解除保險裝置狀態由開關模擬。測試試驗結果見表2。

表2 測試試驗結果Tab.2 Test result

從試驗結果能夠看出,電子時間引信自檢測方法可以對電子時間引信內部的各個參數進行準確測量,常溫下測試精度均高于3%,檢測后得到的數據可以反映電子時間引信各個關鍵點的工作狀態。

4 結論

本文在一般電子時間引信基礎上提出了引信自檢測方法,該方法采用新的引信與外部通信接口,引入CAN總線通信方式,在控制電路中增加自檢測模塊,對引信的工作時序進行局部調整,使引信在生產過程中、火箭彈發射前、火箭彈發射后都具有全面的自檢測能力。分析表明,采用新的通信應答方式提高了引信時間裝定的可靠性。沿用一般電子時間引信控制電路,保持其工作狀態不變,產品具有良好的繼承性。實驗表明該檢測方法能夠全面地對引信進行檢測,檢測方法合理可行。今后針對多引信和裝定器通信網絡模式下如何簡化引信編號方法的問題,還需要作進一步研究。

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