基于AD22280的引信電子加速度保險裝置設計

【摘要】介紹了AD公司的ADXL78系列加速度芯片的基本工作原理。利用該系列的AD22280芯片設計了一種飛行體引信電子保險裝置，使集成微機電（iMEMS）技術成功地應用于研制項目，改變了以往飛行體引信單純依靠機械慣性保險裝置工作的狀況，并通過了多次實驗室和外場試驗驗證。結果表明該電子加速度保險裝置具有很高的可靠性，可完全取代原有機械慣性保險裝置。此外，該設計還為飛行體引信進一步朝電子化、智能化方向的發展奠定了基礎。

【關鍵詞】iMEMS；加速度；引信；電子保險

1.引言

微型電子機械系統是一個迅速發展的多學科技術交叉的領域，利用半導體加工方法制作的微尺度的機械、流體、電子、光學及其它一些器件，常常同微電子電路集成在一起完成傳感、信號處理、計算、控制和執行等功能。

隨著引信系統智能化的趨勢，機電和安全電子系統以其高度的信息化特點將逐步在引信設計中占主導地位，安全系統也是如此。在某飛行體設計中，依據其所采用發動機的設計參數，我們設計了一種基于加速度傳感器AD22280及其外圍電路的電子加速度保險裝置，通過感知飛行體在飛行過程中的加速度來控制點火回路的接通，經過數次試驗證明了該設計的有效性與可靠性。該電子加速度保險裝置可取代原有的機械慣性保險裝置。

2.基于AD22280的電子加速度保險裝置設計

2.1 AD22280介紹

AD22280是AD公司生產的ADXL78系列中的一款低功耗、單軸加速度測量系統，可測試動態加速度和靜態加速度（重力加速度）。ADXL78系列是AD公司第四代低成本、高性能，表面微機械加速度計。其物理尺寸為5mm×5mm×2mm，8引腳陶瓷LCC封裝，量程為±50g，全差分傳感器，電路抗電磁干擾性能高。帶電或不帶電情況下可承受極限加速度值為4000g，工作和貯存溫度范圍為-40～105℃。圖1為ADXL78功能模塊圖。

2.2 ADXL78工作原理

ADXL78提供了一種完全地差分傳感器結構和電路通道，達到了行業內最高的抗電磁干擾和射頻干擾效果。這種最新的產品利用零壓力電反饋改進精確性和穩定性。該傳感器的共振頻率顯著地高于片上濾波器信號帶寬設置，避免了由信號帶寬附近的共振頻率峰值引起的信號分析問題。

圖2是ADXL78系列加速度芯片內部差分傳感器原理的示意圖。每個傳感器包含幾個差分電容器單元。每個單元又由附著在基底的固定電極和附著在框架的移動電極組成。框架的移動改變了片上電路測量的差分電容。

器件內部補充的400kHz方波驅動固定電極。電反饋調整方波的幅度確保移動電極上的交流信號為0。傳感器反饋信號與外部施加的加速度線性成比例。這種獨特的反饋技術保證了沒有多余的靜電力作用于傳感器上。差分反饋控制信號同樣應用到了濾波器的輸入端，輸入端被濾波并且轉換成了單端輸出信號。

2.3 引信電子加速度保險裝置原理及組成

基于上述加速度傳感器，我們設計了一型電子加速度保險裝置，用于替代傳統電子引信中的機械慣性保險裝置。

2.3.1 電子加速度保險裝置工作原理

電子加速度保險裝置由引信電路為其提供+5V工作電源，提供時機為發射控制系統為引信提供工作電源的同時，確保保險裝置能夠在飛行體發動機工作的有效時間段內檢測其運動加速度。保險裝置上電工作后，微處理器開始檢測兩路加速度輸出信號，根據對加速度傳感器輸出信號的實時采集、判斷，確定當加速度滿足飛行體運動全過程時，適時輸出一定時長的時鐘信號，使點火回路開關接通，保證飛行體后續正常的分離、布放點火。當時鐘信號結束后，及時斷開點火回路，保證系統安全。

2.3.2 電子加速度保險裝置組成

電子加速度保險裝置主要由PIC處理器、冗余加速度模塊、單穩態電路以及開關管電路組成，如圖3所示。

PIC處理器采用Microchip公司的PIC12F675低功耗單片機，該單片機為8引腳閃存CMOS單片機。內部集成了看門狗、E2PROM、AD轉換器等功能單元，具有體積小、低功耗、寬電壓工作范圍等一系列優勢。PIC處理器主要完成對兩路加速度信號的采集，根據判斷策略決定是否輸出開關接通信號。圖4給出了電子加速度保險裝置中PIC單片機及其外圍電路。其中，D1為電子加速度保險裝置工作指示燈。

電子加速度保險裝置采用兩個加速度模塊電路作為系統冗余設計。加速度模塊電路由AD22280及其外圍電路組成。其外圍電路如圖5所示。

加速度模塊電路為AD公司推薦的典型電路。其中C2、C3為電源濾波電容，C4為加速度電壓輸出信號濾波電容，R2為電源去耦電阻。ST端為外部提供的測試電源輸入端，當ST端輸入5V電壓時，加速度芯片的XOUT端將輸出約2.9V左右的電壓，相當于10g加速度對應的電壓值。

單穩態電路主要采用74AHC123A芯片實現，將PIC單片機輸出的時鐘信號（CLOCK）轉換為Q端的高電平，保證保險裝置持續接通。同時從系統上電，至保險裝置開關接通前，利用低電平（CLEAR信號）使單穩態電路Q端強制輸出低電平，確保保險裝置開關不意外接通。待檢測到加速度完整過程后，改變CLEAR信號為高電平，解除單穩態強制低電平輸出，再通過時鐘信號使保險裝置開關接通。時鐘信號結束，單穩態強制拉低，保險裝置開關斷開，確保系統安全。

開關管電路利用單穩態電路提供的高電平信號控制MOS管工作，MOS管的輸入輸出端分別接點火電源輸入及輸出，為點火序列提供發火能量。其中BATT_IN為點火電源輸入，BATT_OUT為點火電源輸出。

經理論計算，電子加速度保險裝置靜態功耗為15mA左右，符合引信低功耗設計要求。

3.電子加速度保險裝置軟件設計

由于電子加速度保險裝置采用了微處理器加傳感器的設計模式，因此需要對微處理器進行程序編寫，借助軟硬件聯合手段實現電子加速度保險裝置的功能。

電子加速度保險裝置軟件的主要功能為：當系統為保險裝置提供5V工作電源后，電路開始工作，微處理器首先上電復位，完成系統初始化，隨后微處理器開始以一定時間間隔對連接到兩路加速度傳感器輸出的模擬輸入進行交叉采樣，并在每路信號采樣結束后完成對采樣數據的判別處理，依據對連續結果的判斷，確定出每路加速度結果的上升沿（或下降沿）以及持續時間（上升沿還是下降沿依據加速度傳感器在飛行體的安裝方向，此處按初始出現下降沿介紹），根據加速度門限值與過門限值后的持續時間確定是否輸出一定時間的時鐘信號，使保險裝置開關在該時間段內接通，為點火任務提供點火電源。時鐘信號的輸出時間到達后，微處理器結束時鐘信號輸出，保險裝置開關斷開，確保系統安全。電子加速度保險裝置軟件流程圖如圖8所示。

4.試驗結果及分析

4.1 實驗室驗證

如圖3所示，電子加速度保險裝置與引信電路有兩路加速度的接口，而加速度芯片的輸出也通過跳線與PIC12F675單片機的模擬采樣端口連接。因此在實驗室驗證時，可跳開跳線，斷開加速度芯片與PIC單片機的連接，通過引信接插件端口為電子加速度保險裝置后級電路提供模擬加速度信號，檢驗除加速度模塊之外的其他電路功能的正確性。圖9給出了實驗室模擬信號輸入情況下的驗證結果，電子加速度保險裝置在加速度判斷滿足判決準則后可靠接通。

4.2 外場試驗驗證

電子加速度保險裝置經過實驗室驗證后，又在外場試驗中經歷了近百次檢驗，均可靠地完成了其使命任務。這足以證明電子加速度保險裝置在實際使用過程中的有效性，足以替代原有的機械慣性保險裝置。

圖10為某飛行體一次飛行試驗過程中的軸向加速度曲線及對應的電子加速度保險裝置開關工作狀態記錄。同實驗室驗證結果一致，電子加速度保險裝置在彈體軸向加速度出現且持續一定時間后可靠解除保險。此外，圖10還記錄了該飛行體飛行過程中的幾個典型階段的軸向加速度。A、B、C、D分別代表了其發射、分離、開傘以及觸地四個階段的軸向加速度示意圖。

5.結束語

本文給出了基于加速度芯片AD22280的引信電子加速度保險裝置的基本原理、硬件電路和軟件設計。經過實驗室驗證和多次外場試驗驗證，證明了電子加速度保險裝置的有效性與可靠性，可完全替代原有引信的機械慣性保險裝置。同時，電子加速度保險裝置的設計還為飛行體引信設計進一步朝電子化、智能化方向的發展奠定了基礎。

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作者簡介：姚海濤（1979—），女，碩士，現供職于宜昌測試技術研究所，主要從事電子對抗技術研究。