一種通用的導彈電點火具檢測系統(tǒng)設計

李曉穎，劉航航，李云嬌，李 波

(1.中國兵器工業(yè)第203研究所,西安 710065；2.中國航天第九院十六研究所,西安 710010)

0 引言

點火具是引爆武器系統(tǒng)主裝藥的引爆裝置，點火具能否可靠點火決定著武器系統(tǒng)的功能是否能夠?qū)崿F(xiàn)，目前，導彈、火箭彈等的點火、起爆系統(tǒng)廣泛采用電點火具[1]。導彈、火箭彈總裝完成后，電點火具的導通電阻是判斷電點火具是否正常的重要參數(shù)，因此導彈、火箭彈出廠前、入庫前、出庫前及長期貯存后需要對電點火具的導通電阻進行檢測。導彈、火箭彈電點火具一方面導通電阻小，通常在0.5～3.0 Ω之間；另一方面屬于火工品，對檢測的安全性要求非常高[2-3]。基于導彈、火箭彈電點火具的以上兩個特點，要求電點火具導通電阻的檢測誤差要小，通常要求在-40～+55 ℃條件下檢測誤差小于等于0.1 Ω；另外，檢測電點火具導通電阻的激勵電流要小，要遠遠低于導彈電點火具的安全電流[4]。為了滿足檢測精度高、安全性高以及通用性強，設計了一種在-40～+55 ℃條件下可通用于不同型號導彈、火箭彈的電點火具導通電阻檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設計

所設計的通用電點火具(以下簡稱點火具)檢測系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。該系統(tǒng)由通道切換電路、恒流電路、數(shù)據(jù)采集電路、控制與數(shù)據(jù)處理電路、供電電路、顯示屏、按鍵、檢測電纜和校準頭等組成。

圖1 系統(tǒng)結構圖

在點火具方面，不同型號的導彈、火箭彈的差異是1#接插件的型號、點火具數(shù)量和點火具在1#接插件的引出位置，因此檢測系統(tǒng)可以進行通用化設計。為了提高本系統(tǒng)的通用性，設計了通用的通道切換電路，本通道切換電路由繼電器陣列組成，實現(xiàn)將被測點火具引入數(shù)據(jù)采集電路，以采集點火具兩端的電壓；同時為了提高檢測安全性，利用繼電器設計了點火具短路保護電路，僅在檢測時點火具才能解除短路保險。對于不同型號的導彈、火箭彈，本系統(tǒng)只需適應性地更換檢測電纜和稍微修改軟件，實現(xiàn)簡單方便。本系統(tǒng)的恒流電路為基準電阻、被測點火具提供恒定的小電流激勵；數(shù)據(jù)采集電路實現(xiàn)電阻兩端電壓的高精度采集；控制與數(shù)據(jù)處理電路用于接收按鍵指令、系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)解算及檢測信息的輸出；本系統(tǒng)采用標稱電壓25.2 V的可充電鋰電池供電，供電電路用于將電池電壓轉化為系統(tǒng)需要的電壓；顯示屏采用北京迪文科技有限公司的分辨率為640×480的寬溫串口彩色液晶屏DMG64480K057_01WN，用于顯示檢測信息；用戶通過按鍵操作本系統(tǒng)；檢測電纜用于連接本系統(tǒng)和被測導彈或火箭彈，設計長度為3米；校準頭采用與導彈或火箭彈1#接插件同型號的接插件，通過將接插件的所有引出端短接在一起制作而成，檢測前需要將校準頭連接到檢測電纜以獲取本系統(tǒng)檢測通道和檢測電纜上的電阻值(稱為校準值)，檢測點火具時去除該校準值以得到準確的點火具導通電值。下面將重點分析通道切換電路、恒流電路、數(shù)據(jù)采集電路、控制與數(shù)據(jù)處理電路的設計。

圖2 通道切換詳細電路圖

2 硬件設計

2.1 通道切換電路設計

通道切換電路由正通道繼電器陣列，負通道繼電器陣列和短路繼電器陣列組成，如圖2所示。對于小型戰(zhàn)術導彈、

火箭彈，點火具數(shù)量一般小于等于16個，因此本系統(tǒng)設計了16選1的通道切換電路。正通道繼電器陣列由4個2組電磁繼電器(JRW-210MC-012-01-II)實現(xiàn)16通道選8通道，再由2個2組電磁繼電器實現(xiàn)8通道選4通道，再由1個2組電磁繼電器實現(xiàn)4通道選2通道，最后由1個電磁繼電器實現(xiàn)2通道選1通道，最終實現(xiàn)16通道選1通道。以這種排列方式組成的繼電器陣列所用的繼電器數(shù)量最少。負通道繼電器陣列與正通道繼電器陣列的構成相同，不再贅述。為了進一步提高檢測安全性，通過8個2組電磁繼電器的常閉觸點對16個點火具進行短路保護，僅在檢測時才對點火具解除短路保險。當點火具數(shù)量小于16個時，該通道切換電路仍然通用，當點火具數(shù)量大于16個時，可以采用本文的方法擴展檢測路數(shù)即可。另外，本系統(tǒng)采用國營四四三三廠的達林頓晶體管陣列FX2003驅(qū)動繼電器，F(xiàn)X2003的OC_COM引腳(即9引腳)需要和繼電器的12 V供電引腳連接在一起，當FX2003停止驅(qū)動繼電器時，F(xiàn)X2003的OC_COM引腳為繼電器線圈提供泄放通路，將其電壓箝位在+12 V，以免損壞達林頓晶體管。

2.2 恒流電路和數(shù)據(jù)采集電路設計

因為要保證點火具檢測的安全性，所以選擇的恒流源的輸出電流要小；另外為了保證檢測的精度，恒流源的輸出穩(wěn)定性要好。基于以上分析，選擇AD公司的恒流源LT3092IST#PBF。LT3092僅需要兩個電阻器就可設置輸出電流的大小，電路實現(xiàn)簡單，本系統(tǒng)設置LT3092輸出3.92 mA恒定的電流；LT3092的SET引腳具有1%初始準確度和低溫漂系數(shù)，電流調(diào)節(jié)性能優(yōu)于100 ppm/V(在1.5 V至40 V的輸入電壓范圍)。

選擇TI公司的18位高精度單電源供電ADC ADS8699IPW采集電壓值。ADS8699可通過軟件設置輸入范圍：雙極范圍包括：±12.288 V、±10.24 V、±6.144 V、±5.12 V和±2.56 V，單極范圍包括：0～12.288 V、0～10.24 V、0～6.144 V和0～5.12 V；另外ADS8699具有出色的精度性能：DNL：±0.6 LSB，INL：±1.75 LSB。

選擇AD公司的多路復用器ADG1608BRUZ和AD公司的高精度儀表放大器AD620BRZ實現(xiàn)信號調(diào)理，AD620僅需要一個外部電阻器來設置增益，增益范圍可設置為1～10 000，本系統(tǒng)通過外接一個阻值為2.61 kΩ的電阻器設置AD620的增益為19.9。

選擇的基準電阻阻值為5 Ω，精度為0.1%，溫漂為10 ppp/℃。

根據(jù)本系統(tǒng)的總體設計和所確定的器件指標可知影響點火具檢測精度的因素包括基準電阻的誤差、ADC的有效分辨率和儀表放大器的偏置誤差，具體分析如下：

1)所選基準電阻的精度為0.1%，溫漂為10 ppm/℃(即0.1%/100 ℃)，因此基準電阻的全溫度誤差小于等于0.2%；

2)設置18位ADC ADS8699IPW的量程為0～6.144 V，根據(jù)ADS8699IPW的精度可知其有效位數(shù)不低于15位，按照15位計算時，每位對應的電壓值為0.188 mV/LSB，即ADC的最大誤差為0.188 mV；

3)儀表放大器AD620BRZ的輸入輸出偏置電壓全溫度范圍內(nèi)最大值為1.085 mV，因此電阻兩端的電壓采集最大誤差為0.188 mV+1.085 mV =1.273 mV。

由歐姆定律可知，被測點火具的導通電阻Rx為：

(1)

式中，Ux是待測點火具兩端的測量電壓，Re是基準電阻的電阻值，Ue是基準電阻兩端的測量電壓，則Rx與Ux、Ue、Re之間的微分關系為：

(2)

結合式(2)和Ux的測量誤差、Ue的測量誤差、Re的誤差，可推算出本系統(tǒng)的最大測量誤差為0.032 Ω，滿足檢測精度要求。

詳細恒流電路和數(shù)據(jù)采集電路設計如圖3所示。其中，恒流源LT3092IST#PBF(U11)通過20 KΩ(R51)和51 Ω(R52)兩個精度為0.1%、溫漂為10 ppm的電阻器配置輸出3.92 mA恒定的電流；ADG1608BRUZ(U12、U13)在MCU的IO控制下實現(xiàn)八選一通路選擇；ADG1608BRUZ(U14)在MCU的IO控制下將阻值為2.61 kΩ的電阻器R58引入AD620BRZ(U15)的增益設置引腳，進而將AD620BRZ的增益設置為19.9；ADS8699IPWR(U16)單5 V供電，外接5 V轉4.096 V的基準電壓芯片REF5040AIDR(U17)提供4.096 V基準電壓，ADS8699IPWR通過SPI進行量程配置和輸出電壓采集結果；另外，由于AD620BRZ不是軌到軌放大器，并且要放大的是毫伏級的信號，因此AD620BRZ不能單電源供電，需要正、負雙電源供電，本文采用+5 V、-3 V供電；圖3中的5 V、12 V、-3 V分別經(jīng)過1/2(R61:10 kΩ、R62:10 kΩ)、1/4(R63:30 kΩ、R64:10 kΩ)、1/2(R65:10 kΩ、R66:10 kΩ)分壓，以滿足ADG1608BRUZ和AD620BRZ的輸入電壓范圍。

圖3 恒流和數(shù)據(jù)采集詳細電路圖

2.3 控制與數(shù)據(jù)處理電路設計

考慮到目前32位ARM微控制器具有很高的性價比，運算和接口資源豐富[5-8]，本設計選用ST公司的ARM Cortex-M4 32位微控制器STM32F407ZET6作為核心控制器件。利用該MCU設計的控制與數(shù)據(jù)處理電路如圖4所示：該MCU 3.3 V供電，通過一個RC復位電路、一個8 MHz的有源晶振、一個32.768 kHz的無源晶振、一個3.3 V轉3 V的電壓基準芯片和一些簡單的配置就可構成工作系統(tǒng)；采用MCU內(nèi)嵌的SPI1接口完成ADC ADS8699IPW的配置和數(shù)據(jù)讀取；采用MCU內(nèi)嵌的SPI2接口，外接兆易創(chuàng)新的4 Mb SPI NorFlash GD25Q40CTIGR設計了檢測數(shù)據(jù)存儲電路；用MCU內(nèi)嵌的UART控制器，外接TI公司的電平轉換芯片MAX3232IPW構成RS232，用來將顯示信息發(fā)送給顯示屏；繼電器陣列的控制信號直接利用MCU的IO實現(xiàn)；利用MCU的IO設計了4行×4列按鍵掃描電路，用于操作檢測系統(tǒng)；利用MCU的IO實現(xiàn)多路復用器的通路選擇。

3 軟件設計

圖4 控制與數(shù)據(jù)處理詳細電路圖

本檢測系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，具體包括主程序模塊、按鍵掃描模塊、顯示模塊、自檢模塊、通路校準模塊、檢測模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊和數(shù)據(jù)查看模塊等。其中，主程序模塊首先完成系統(tǒng)初始化，包括MCU時鐘、IO、SPI、UART等初始化，ADS8699初始化，然后等待按鍵操作，根據(jù)不同的按鍵值執(zhí)行自檢、通路校準、檢測或數(shù)據(jù)查看等功能。按鍵掃描模塊通過逐行逐列掃描方式和消抖處理獲取按鍵值，消抖處理時間可以選擇10～20 ms。根據(jù)串口液晶屏DMG64480K057_01WN的《工業(yè)串口屏指令集》，顯示模塊將要顯示的圖文界面通過RS232發(fā)送給串口液晶屏，圖文界面包括主界面、自檢界面、通路校準界面、檢測界面和查看界面；其中，主界面是檢測系統(tǒng)啟動后進入的界面，在主界面下用戶根據(jù)界面上的提示可以通過按鍵選擇操作自檢、通路校準、檢測或數(shù)據(jù)查看；自檢界面不僅能夠顯示總的自檢結果還能夠以列表方式顯示每一項自檢內(nèi)容，列表的每一行具體包括序號、自檢內(nèi)容、標稱值、誤差和自檢結果，自檢結果正常用綠色字體顯示“正常”、自檢故障用紅色字體顯示“故障”；通路校準界面同樣不僅能夠顯示總的通路校準結果還能夠以列表方式顯示每一路的校準結果，列表的每一行具體包括序號、信號名稱、參考地、標準值、檢測值，檢測值在標準值范圍內(nèi)用綠色字體顯示具體檢測值、否者用紅色字體顯示具體檢測值；檢測界面的顯示內(nèi)容和顯示方式與通路校準界面的一樣，唯一的不同是列表的標題不一樣；查看界面也是以列表方式顯示，顯示內(nèi)容和顯示方式在后面的數(shù)據(jù)查看模塊中有具體介紹。自檢模塊是為了證明檢測系統(tǒng)硬件資源完好，保證下一步檢測工作的硬件條件正常，包括3.92 mA恒流源自檢，關鍵電壓自檢，存儲NorFlash自檢和按鍵自檢，只有自檢正常才能進行通路校準和檢測操作，以保證檢測的正確性和提高檢測的安全性。通路校準模塊逐通道測量檢測通道和檢測電纜上的阻值(該阻值稱為校準值)，如果所有通道的校準值均小于等于6.0 Ω，則通路校準正常，存儲校準值，否則通路校準失敗，不存儲本次校準值，通路校準失敗禁止執(zhí)行檢測操作。檢測模塊逐通道測量點火具阻值，測量完成減去相應通道的校準值得到準確的點火具阻值，所有通道測量完成后存儲檢測結果，然后顯示總的檢測結果和各分項檢測結果，通過按鍵可以上、下頁切換顯示各分項檢測結果。數(shù)據(jù)存儲模塊最多存儲100組檢測結果數(shù)據(jù)，如果存儲的檢測結果個數(shù)大于等于100組，則移除存儲時間最早的一組。數(shù)據(jù)查看模塊用于將存儲的總檢測結果按照時間順序由新到舊顯示在顯示屏上，通過按鍵可以上、下頁切換總檢測結果，也可通過按鍵查看每一組的各分項詳細檢測結果。

4 實驗結果與分析

該檢測系統(tǒng)經(jīng)過了多種環(huán)境試驗，包括高溫貯存試驗、高溫工作試驗、低溫貯存試驗、低溫工作試驗、溫度循環(huán)試驗、濕熱試驗和可靠性試驗等，并且已應用于多個武器系統(tǒng)，在環(huán)境試驗和實際應用中，該系統(tǒng)安全可靠，檢測誤差小于0.03 Ω，該系統(tǒng)安全性高、精度高、通用性強得到了有效地驗證。

5 結束語

本文介紹的一種通用的導彈、火箭彈電點火具檢測系統(tǒng)適用于導彈、火箭彈電點火具導通阻值的檢測, 為評估導彈、火箭彈的點火具狀態(tài)提供了一個有效的工具, 該檢測系統(tǒng)安全性措施全面有效、精度高、通用性強，已在多個武器系統(tǒng)中成功應用，取得了良好的經(jīng)濟價值。