基于數字加速度計的智能倒置開關

張紅艷，潘保青，馬鐵華

（1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094）

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基于數字加速度計的智能倒置開關

張紅艷1*，潘保青2，馬鐵華1

（1.中北大學計算機與控制工程學院，太原030051；2.北京跟蹤與通信技術研究所，北京100094）

摘要：倒置開關是實現放入式電子測壓器電源控制和低功耗的關鍵部件，已研制的幾種倒置開關在靶場試驗中多次出現上電不可靠的問題。為了提高膛壓測試的可靠性，運用微機械數字加速度計設計了一種智能倒置開關，該開關采取雙重判斷機制對上電條件進行判斷，可靠性高。利用馬歇特錘試驗機進行了抗沖擊性能檢測，結果表明，該開關最大能承受45 000 gn。設計的可靠性檢測系統，能模擬實際工作環境，對倒置開關進行篩選，提高了工作可靠性。該開關可推廣應用于其它存儲測試系統。

關鍵詞：倒置開關；數字加速度計；電源控制；膛壓測試

放入式電子測壓器（以下簡稱測壓器）是火炮膛壓專用測試儀器，它將傳感器、采集、存儲及數據通信電路、隨行電池集成在高強度殼體內，使用時直接放入藥筒底部或藥室內，自動測量射擊時的膛壓變化，事后回收讀取測試數據［1］。

火炮內彈道試驗方法中規定，測壓器的體積不應超過藥室容積的2.5%，在射擊試驗前測壓器必須在低溫（-40℃）、常溫（20℃～25℃）及高溫（+55℃）環境下與彈藥一起保溫至少48 h［2］。測壓器從接通電源到保溫再到測試數據要經歷2 d～3 d的時間，電池容量有限，必須減小系統功耗。倒置開關是實現測壓器電源控制和低功耗的關鍵部件。隨彈藥保溫時測壓器處于微功耗狀態，只有耗電微安級的“值更”電路工作，以感應倒置開關的動作。按照彈藥安全規程，彈藥在保存、保溫、運輸狀態只允許平放或彈丸前端朝上放置。保溫結束，在射擊試驗前5 min～10 min，使用專用翻彈機把彈藥按非常規姿態（彈丸的前端朝下）倒置0.5 min以上，通過倒置開關和電源控制器控制測壓器的上電（從微功耗態轉到準備采樣態）。

已經研制的水銀式、雙球式、干簧管式、電容式和光電式倒置開關等，由于工藝限制，存在體積大、低溫性能差等缺點，靶場試驗中多次出現上電不可靠的問題，影響了膛壓測試的可靠性［3-4］。為此，采用微機械數字加速度計MMA8453Q設計了具有功耗低、體積小、抗沖擊能力強、溫度范圍寬、可靠性高的智能倒置開關。

1　智能倒置開關的設計

1.1加速度傳感器特性

MMA8453Q是3軸微機械數字加速度傳感器，有3個量程：±2 gn/±4 gn/±8 gn，可用于方向檢測、三維姿態檢測、航跡推算或傾斜精度檢測［5-6］。工作電流僅為6μA，待機狀態下電流為1.8 μA，功耗極低。帶有電源管理功能，支持睡眠模式。供電電壓范圍1.95 V~3.6 V，工作溫度范圍是-40℃～+ 85℃，其體積為3 mm×3 mm×1 mm。內部補償糾正寄存器可彌補安裝造成的傾角誤差。數據通過I2C接口進行傳輸，對內部多個功能寄存器編程。可檢測多種動作，能夠智能判斷動作種類，帶有正面/背面檢測模式［7］。有兩個相互獨立的中斷引腳，當外界動作符合中斷條件時就會向外界輸出一個電平可編程的中斷信號，即上電控制信號。圖1是MMA8453Q 3軸方向示意圖，圖2是其電路原理圖。

圖1　MMA8453Q三軸方向示意圖（俯視圖）

圖2　MMA8453Q電路原理圖

1.2工作原理

單片機、ARM、DSP、CPLD和FPGA等都具備I2C接口或模擬I2C接口的功能，這類器件與數字加速度計MMA8453Q共同構成了智能倒置開關。圖3是智能倒置開關的原理框圖。

圖3　智能倒置開關的原理框圖

圖4是倒置開關在智能倒置開關在測壓器中的安裝示意圖。圖5是倒置開關的使用示意圖。當測壓器隨彈藥保溫時，彈藥平放或彈丸前端朝上放置，如圖5（a）或5（b）所示，倒置開關中加速度計的z軸向上或水平，此時測壓器處于微功耗狀態。射擊試驗前，利用翻彈機將彈丸倒置，如圖5（c）所示，倒置過程中，加速度計的Z軸角度會發生改變，直到等于或大于設定的角度閾值，并滿足一定的上電條件，倒置開關輸出上電信號使測壓器進入到準備采樣態，隨后倒置開關進入待機模式。MMA8453Q既是傳感器又是執行器，可以對外界動作變化做出感應，同時又能輸出上電控制信號。

圖4　智能倒置開關在測壓器中的安裝示意圖

圖5　智能倒置開關的使用示意圖

1.3防誤上電設計

倒置開關是實現測壓器電源控制的關鍵部件，其可靠性直接影響膛壓測試的可靠性［8］。倒置開關的可靠性問題主要是誤上電，誤上電是由測壓器在與彈藥的裝配、運輸和保溫過程中倒置開關誤動作引起的，誤上電會使測壓器在試驗前電量耗盡［9］，為了防止誤上電，智能倒置開關采取了雙重判斷機制對上電條件進行判斷。

倒置開關使用了MMA845Q的正面/背面模式檢測，當加速度計從正面（Z軸重力為1 gn）旋轉115°，便默認加速度計的姿態是背面。在現場試驗時，此過程就是將彈丸前端從豎直向上轉向地面。

設計中先利用加速度計的防抖動功能進行判斷，若連續10 s內倒置開關都處在背面姿態，倒置開關電路輸出中斷信號，測壓器的主控芯片接收到中斷信號后再開啟I2C通信功能。然后測壓器的主控芯片通過I2C總線不斷讀取加速度計Z軸加速度值，若連續20 s內此值都小于-0.8 gn，則認為滿足上電條件。即倒置開關必須連續倒置30 s以上才會產生上電信號。

圖6是智能倒置開關的姿態與Z軸所受重力值的關系示意圖。倒置開關的導通角區域為36°，雙重判斷機制能夠保證測壓器的可靠上電。

圖6　智能倒置開關通斷姿勢示意圖（側視圖）

2　性能測試

2.1抗沖擊試驗

膛壓測試時測壓器要承受數千個gn的沖擊加速度，因此，智能倒置開關能否承受高沖擊是其研制的關鍵。為了提高倒置開關的抗沖擊性能，采用樹脂膠真空灌封工藝對電路板進行二次灌封，再利用馬歇特錘實驗機對倒置開關進行抗沖擊性能檢測［10-11］。

馬歇特錘實驗機的錘頭上同時安裝標準加速度傳感器（BK8309）和倒置開關，如圖7和圖8所示。從5 000 gn開始測試，逐漸增加沖擊強度，每個量程進行2次沖擊試驗，沖擊后將智能倒置開關與測壓器的控制電路聯通，倒置5次，檢驗倒置開關能否正常工作。

圖7　馬歇特錘實驗機

圖8　標準加速度計和倒置開關安裝位置示意圖

試驗結果如表1所示，表1中a1、a2和a3分別是3個倒置開關受到的沖擊加速度。圖9為標準加速度傳感器輸出的加速度曲線。試驗結果表明，在超過45 000 gn時倒置開關已不能正常工作，采用數字加速度計的智能倒置開關具有45 000 gn的抗過載能力。

表1　倒置開關抗沖擊試驗結果

圖9　抗沖擊試驗加速度曲線

2.2可靠性試驗

倒置開關的可靠性是指其是否具有在高溫、低溫和常溫環境下產生上電控制信號使測壓器完成工作狀態轉換的能力。倒置開關的可靠性試驗以篩選試驗為主，根據倒置開關的工作原理，設計可靠性檢測系統，模擬倒置開關的實際工作環境，對所有的倒置開關進行篩選。

可靠性檢測系統原理框圖如圖10所示，實物圖如圖11所示。

圖10　倒置開關檢測系統原理框圖

圖11　倒置開關可靠性試驗裝置

檢測系統由小功率電機、轉筒和硬件檢測電路三部分組成。檢測系統工作分別工作在低溫箱、高溫箱和常溫環境，被檢測倒置開關固定在檢測電路上，檢測電路被固定于轉筒的槽中，轉筒最多可裝16個檢測電路。小功率電機帶動轉筒一起做勻速圓周運動，每轉一圈模擬每一個倒置開關一個工作周期的倒置過程，而且能不間斷的、多個倒置開關一次性進行檢測。選擇的電機能夠在低溫和高溫環境正常工作，滿足開關檢測的工作環境要求。對每一個倒置開關來講，在檢測系統旋轉一周的過程中，需要檢測開始進入倒置狀態的空間角度、在倒置狀態能否保持30 s以上、脫離倒置狀態的空間角度等3個狀態參數。在低溫和高溫環境檢測時，倒置開關至少先保溫48 h。

4　結論

針對測壓器上電不可靠問題，采用微機械數字加速度計MMA8453Q設計了一種新型的智能倒置開關。該倒置開關具有體積小、功耗低、抗沖擊能力強、溫度范圍寬、可靠性高等特點。該開關已應用于測壓器，大大提高了膛壓測試的可靠性和靶場工作效率，也可推廣應用于其它存儲測試系統。

參考文獻：

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［6］楊要恩，孫幸成，王慶敏.一種新型MEMS加速度傳感器的研制［J］.電子器件，2013，36（2）：235-238.

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［9］Zu Jing，Lin Zusen，Fan Jingbiao，et al. Study on Calibration Tech?nique of High Impact Acceleration Sensors［C］//Proceedin g of MSC，USA，2008.

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［11］周智君，石云波，唐軍，等.一種大量程加速度傳感器的性能測試［J］.傳感技術學報，2013，26（6）：834-837.

張紅艷（1978-），男，漢族，安徽淮北人，講師，主要從事動態測試與智能測控方面的研究，snow-zhang@163.com；

潘保青（1971-），女，漢族，上海青浦人，助理研究員，碩士，主要從事兵器測試理論、試驗技術研究，dragon-princess@ sina.com。

Analysis on Conduction Mode of Flyback Transformer Based on Current Ripple Ratio*

ZHOU Youping，CHEN Guojie*，LI Bin

（School of Science，Foshan University，Foshan Guangdong 528000，China）

Abstract：A method to design a flyback transformer and distinguish its conduction modes is proposed based on the current ripple ratio. An equation for the flyback transformer going into the discontinuous conduction mode from the initial continuous conduction mode is derived by using this method. According to the equation，the calculation is performed by MATLAB，and the effects of the input voltage，load current or reflected secondary voltage on the con?duction mode of the flyback transformer are analyzed. The calculation indicates the greater the minimum current rip?ple ratio or reflection voltage is，the more easily the flyback transformer goes into the discontinuous conduction mode when the input voltage increases or load current decreases. Then，a 24 V 1.5 A flyback switching power sup?ply is designed，and the current waveforms of the flyback transformer are measured. The experiment shows that the measured results are agreement with the derived equation，and the current ripple ratio is more intuitive and easier to be measured than the current wave factor.

Key words：flyback transformer；current ripple ratio；conduction mode；analysis

doi：EEACC：214010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.017

收稿日期：2015-04-14修改日期：2015-05-13

中圖分類號：TN606

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0077-04