水雷直列式保險起爆裝置檢測儀研制

陳興球

摘? 要：研制了一種手持式水雷直列式保險起爆裝置檢測儀，采用電平信號模擬某水雷引信工作時序中的各個環(huán)境信息。檢測儀以Altera公司的MAX Ⅱ系列的EPM1270T144C5N為主控制芯片，既可以對直列式保險起爆裝置的功能進行檢測，也可以做為試驗用起爆控制器。檢測儀與直列式保險起爆裝置還可以采用有線和無線兩種方式互聯(lián)。檢測儀自身也可以加入時序識別，并且通過下載端口可以更改時序來實現(xiàn)保密輸入。實現(xiàn)防止非操作人員的誤操作，提高試驗的安全性。

關(guān)鍵詞：CPLD;直列式保險起爆裝置;檢測儀

1前言

水雷是一種性價比極高的水中兵器，可以用來抗登陸作戰(zhàn)，封鎖敵島嶼，港口和基地;破壞敵人運輸線，對艦船進行破壞。并且可以對敵方造成心理上的威懾。因此水雷具有極高的作戰(zhàn)價值，被各國海軍所重視。

直列式保險起爆裝置最早應(yīng)用于核起爆，外軍在二十世紀八十年代后大量應(yīng)用于常規(guī)武器戰(zhàn)斗部起爆。直列式保險起爆裝置又稱非隔爆起爆系統(tǒng)，即起爆傳爆序列中個元件之間無任何機械的隔斷（包括錯位）。不再使用敏感的始發(fā)藥劑，而直接依靠高速的沖擊飛片撞擊鈍感藥柱，實現(xiàn)沖擊起爆，激發(fā)條件是上千安培的沖擊大電流。具有極高的安全性和可靠性，因而在水中兵器中有著廣闊的應(yīng)用前景。此外使用直列式保險起爆裝置可以大幅減少水雷武器系統(tǒng)的勤務(wù)處理和戰(zhàn)時準備工作量。本文研制的直列式保險起爆裝置檢測儀既可以對直列式保險起爆裝置的功能進行檢測，也可以做為試驗用起爆控制器。

通常的直列式保險起爆裝置原理如圖1所示。

2時序設(shè)計

直列式保險起爆裝置根據(jù)檢測儀模擬輸入的環(huán)境信號，判斷其是否符合解除各類保險的條件，來決定是否解除保險起爆，并根據(jù)檢測儀的引爆指令完成沖擊大電流輸出，使沖擊片雷管起爆。為提高安全性和可靠性，直列式保險起爆裝置對檢測儀提供的電平信號進行閥值、時序、時間窗、脈寬的判別。

為模擬水雷的工作時序，設(shè)計了圖2的時序。其中start為計時零點信號，一般由水壓開關(guān)驅(qū)動供電;EV1代表水雷入水延時信息，確認該信息后直列式保險起爆裝置解除第一道靜態(tài)保險;EV2表示水雷沉底環(huán)境信息，在這兩信號出現(xiàn)之前其他信號出現(xiàn)時直列式保險起爆裝置將視為無效信息，確認EV2后直列式保險起爆裝置解除第二道靜態(tài)保險;EV3表示發(fā)現(xiàn)目標的環(huán)境信息，此信號需在沉底信號來到之后，在規(guī)定的一段時間之后到來才能有效，EV3確認無誤后，直列式保險起爆裝置才解除第三道靜態(tài)保險，起爆裝置為高壓電容器充電待發(fā);EV4表示起爆指令，此信號必須在第三個信號發(fā)出之后規(guī)定時間內(nèi)到來視為有效，直列式保險起爆裝置根據(jù)EV4引爆沖擊片雷管及直列式傳爆序列，最終引爆水雷戰(zhàn)斗部。

3檢測儀設(shè)計

檢測儀采用Altera公司的EPM1270 CPLD芯片作為主控制器，具備向直列式保險起爆裝置發(fā)送環(huán)境電平信號的功能和對輸入信號判斷功能。CPLD接收到時鐘信號后，進行分頻，當接收到start信號后開始計時，CPLD內(nèi)部是由四個計數(shù)器組成，第一個計數(shù)器是十進制，第二個是六進制，剩下兩個也是十進制。然后轉(zhuǎn)換成七段碼，顯示時間。手動時序信號輸入后，信號分別進入兩個模塊，一個模塊不進行邏輯判斷，另一個模塊進行邏輯判斷，輸出時由外部開關(guān)決定是否使用邏輯判斷。當接收到5V反饋信號后，認為可以觸發(fā)，CPLD發(fā)出一個方波信號，使得LED閃爍。CPLD分為內(nèi)核心和外部I/O模塊供電，為方便設(shè)計，內(nèi)部核心及外部I/O均使用3.3V供電，使用66MHz有源晶振，下載使用JTAG口下載，有TDI、TDO、TCLK、TMS四個管腳，其中TDI為串行數(shù)據(jù)輸入端，TDO為串行數(shù)據(jù)輸出端，TCLK為串行時鐘，TMS為JTAG的狀態(tài)機模式控制端。顯示有兩個4位7段數(shù)碼管，10個LED指示燈。一個7段數(shù)碼管用來顯示計時時間，另一個7段數(shù)碼管用來顯示5V反饋電壓。EV1-EV4的信號輸入狀態(tài)有LED顯示。反饋回來的S1-S6（S1代表的是靜態(tài)開關(guān)1閉合狀態(tài)反饋值，S2代表的是動態(tài)開關(guān)2閉合狀態(tài)，S3代表動態(tài)開關(guān)狀態(tài)，S4是高壓狀態(tài)檢測信號，以及S5解除保險狀態(tài)信號，S6錯誤狀態(tài)反饋）。狀態(tài)也有LED顯示，當LED發(fā)光時代表工作正常，不亮時代表尚未工作。檢測儀CPLD內(nèi)部邏輯圖見圖3。

4電壓跟隨器設(shè)計

以電壓跟隨器設(shè)計為例，如圖4.需要檢測的是S1-S6信號和一個5V反饋信號，S1-S6為電平信號，因此采用電壓比較器OPA2335，因為是手持式檢測儀，使用4節(jié)干電池供電，因此很容易得到4.5V電壓，4.5V電壓接負端，反饋信號接正端，反饋信號為5V電平信號，當狀態(tài)正常時，直列式保險起爆裝置反饋給檢測儀5V電平信號，因而輸出端向CPLD輸出一個信號。5V反饋信號需要顯示器反饋的電壓值以判斷，首先接收到信號后先通過由OPA2335搭建成的電壓跟隨器中，接入ADC08904芯片，ADC08904為8位逐次逼近的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。然后轉(zhuǎn)換的8位數(shù)據(jù)出送給CPLD，再進行編碼然后在7段數(shù)碼管上顯示其數(shù)值。

5電無線控制模塊設(shè)計

由于在實際引爆試驗中，為保證試驗人員安全，必須遠距離起爆，因此檢測儀還設(shè)計了無線控制功能，無線控制功能可以省去上百米的電纜，并且降低對檢測儀遠距離驅(qū)動能力的要求，降低了對通信線路阻抗的匹配性要求，有利于試驗現(xiàn)場的管理和安全操作。

無線控制工作原理主要依據(jù)的是，將輸入經(jīng)濟的每一個電平信號賦予一個八位編碼，然后是使用串口通信，輸出給無線發(fā)送模塊，無線發(fā)送模塊采用工作頻率在433MHz的無線透明傳輸模塊，可靠傳輸距離可達800m，滿足安全試驗的范圍，數(shù)據(jù)波特率為9600bps，接口未UART或者USB接口，可采用5V或者3.3V供電，手動輸入有4個信號，反饋有S1-S5一共五個信號。分別進行編碼，然后在CPLD芯片中設(shè)計一共串口模塊。當CPLD芯片接收到上述信號后生產(chǎn)一共與之對應(yīng)的8位碼，然后傳輸?shù)酱谀K，串口輸出給無線傳輸模塊。由于CPLD的I/O口使用的是3.3V供電，因此可以允許最大5V電平輸入，3.3V也可以驅(qū)動無線傳輸模塊，因而將無線傳輸模塊的指接接在CPLD的I/O口上。

6電源設(shè)計

檢測儀需要分別對其核心和外圍接口供電，如圖5。其核心電路都可以接1.8V、2.5V、3.3V三種供電方式，I/O接口可以接1.5V、1.8V、2.5V和3.3V四種電壓。由于3.3V可以與5V的電平電路兼容，為了其它器件方便連接，所以選用外圍接口電路的供電電壓為3.3V。為了簡化電路，因此內(nèi)部核心電路供電電壓也選用為3.3V。因此電源需提供一個3.3V的電壓，這里采用TI公司的TPS60501芯片。TPS60501的轉(zhuǎn)換效率為90%，輸入電壓為2.5V-6.5V，輸出電壓為3.3V，最大輸出電流為250mA。休眠時的功耗為40μA，關(guān)斷時可以將電池隔斷。電容Co為22μF的陶瓷電容，Ci為4.7μF的陶瓷電容，C1F和C2F均為1μF的陶瓷電容，R1取位10MΩ電阻。EN為信號接收端，可接收不超過7V的電平，接地時芯片開始工作。PG為開漏電源探測器，當電壓達到預(yù)定值的97%時，PG引腳為高電平。

7起爆試驗驗證

檢測儀已經(jīng)應(yīng)用與直列式保險起爆裝置的功能檢驗，其中日常功能檢驗采用沖擊片雷管代用件，檢驗保險功能和起爆功能，驅(qū)動直列式保險起爆裝置短路放電超過500次，均正常使用。此外檢測儀還用于直列式保險起爆裝置起爆試驗中，其中起爆沖擊片雷管超過30發(fā)，起爆帶導(dǎo)爆管的傳爆試驗超過15發(fā)，起爆聚能傳爆管的傳爆試驗4發(fā)，均正常工作。

8結(jié)論

經(jīng)過近3年的使用，證明此檢測儀性能優(yōu)秀。既可以對直列式保險起爆裝置的功能進行檢測，也可以作為試驗用起爆控制器。無線控制器的試制是新的探索，會對今后的起爆試驗帶來極大方便。

參考文獻

[1]袁士偉.固體火箭發(fā)動機直列式點火系統(tǒng)設(shè)計[J].宇航學(xué)報.2006，27（5）：1059-1062

[2]楊振英.直列式安全點火系統(tǒng)及其在固體火箭發(fā)動機中的應(yīng)用前景[J].火工品，2002，（1）

[3]劉志強，李世義，申強.ESA多功能測試儀的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子測量與儀器學(xué)報，2004，（增刊），398-403