一種低成本無控火箭點火時序控制器設計

梁嘉琪,邙 強,王稀賓,陳蜀鵬

(陜西中天火箭技術股份有限公司，西安 710025)

0 引言

傳統無控火箭的延遲點火裝置使用延期索[1]，雖然成本低，但其延遲精度低，通常為秒級，在精確時間控制系統中并不適合使用，現有火箭點火時序控制器使用FPGA完成[2-3]，時間控制精確，但成本較高。為了實現低成本無控火箭分時點火，本文設計了一種針對無控火箭的多路點火時序控制器，作為火箭點火控制的重要組成部分，本控制器設計時主要從勤務的安全性以及點火時序控制的可靠性入手，其主要完成火箭在運輸和發射時火工品安全保護、火箭時序裝訂，火工品阻值檢測、時序控制器自檢及上報、過載檢測，火工品點火，故障上報及處理等功能，可應用于增雨防雹火箭、探空火箭以及模擬訓練火箭等領域[4]。

1 總體設計

本文設計的點火控制器主要用于無控火箭的低成本高精度時序控制點火，具備火工品保護、檢測、點火，時序裝訂等功能。綜上所述，其應該滿足如下功能：

1)擁有與火箭發射匹配的電氣接口；

2)控制器自檢功能；

3)火工品保護功能；

4)火工品點火功能；

5)輸出驅動信號功能；

6)時序裝訂功能；

7)與發射架通訊功能；

8)過載檢測功能；

9)具備取消發射功能。

為了實現低成本設計，點火時序控制器采用意法半導體的STM8F103F3P6為作為處理器，完成整個時序點控制。其為8位操作系統，工作頻率為2～16 MHz，內部具有5個10位的ADC，16個I/O口，3個定時器，供電電壓為2.95～5.5 V，工作范圍為-40～125 ℃，滿足整系統要求。

控制器主要完成火箭火工品阻值檢測、控制器自檢、時序裝訂及檢測、與發射裝置通訊、火箭發射的計時零點采集以及按照時序點火等功能。內部設計有單片機最小系統、升壓電路、充放電電路、開關電路、火工品阻值檢測電路、火工品點火電路以及自檢電路等。

如圖1所示，STM8F103F3P6作為MCU，火工品通過信號調理電路輸入MCU的內部ADC，為了保證火工品的安全，設計了火工品檢測的而控制電路，限制發射前火工品檢測時過電流的時間。

圖1 總體設計

為了保證點火控制器與發射控制器良好交互，設計了串口電路，完成點火控制時序裝訂，故障上報等功能，保證發射的可靠性。

根據火箭發動機產生的持續過載，設計了震動開關采集電路，完成火箭計時零點的采集，軟件可根據不同火箭發動機的類型，進行過載持續監測時間設置，保證火箭在勤務時期的安全。

為了保證點火的安全性，根據火箭發動機點火頭的類型設計了電容點火，火箭離軌后開始給電容充電，保證時序控制的安全性。

2 系統設計

2.1 電源設計

根據某型號任務要求，系統工作環境為-20～50 ℃，根據用電分析，整系統供電電流為100 mA以內，選用1節5號電池供電，利用DC-DC開關電源升壓至5 V，經電容濾波后，在指定時序下為點火電容充電，為火工品點火提供點火能量，后及利用LDO穩壓至3.3 V，為單片機提供可靠的紋波小的電源。

DC-DC升壓芯片選用常用升壓芯片PT1301，其使用BUCK升壓拓撲電路，輸出電壓與反饋環路的電阻成線性關系，外圍電路設計簡單，電路輸出紋波較小，可完成300 mA的小電流輸出，工作效率為90%。為了給單片機提供可靠紋波小的電源，在開關電源后端加入線性穩壓源，線性穩壓源選用LM1117-3.3，其紋波抑制比為80 dB，典型線性調整率為0.01%。兩者工作溫度都為為-40～125 ℃，滿足系統環境工作的設計要求。

升壓電路設計如圖2所示，其中R3和R4為反饋調節電壓，更高的電阻取值可降低系統的靜態電流，較低的電阻取值則可獲得較好的抗噪聲和抗干擾能力，降低對PCB布圖寄生參數的敏感度，提高穩定性。由于系統只有在發射時供電，所以選擇幾十kΩ作為反饋電阻。為了提高系統的穩定性，在芯片FB端與Vout之間接入電容C4，取值為104。電源經過R2和CP3組成阻容濾波后，經過LM1117-3.3穩壓至3.3 V，利用示波器可測電源紋波在20 mV以內，可為處理器安全可靠的供電電源。

圖2 升壓電路圖

2.2 計時零點檢測

控制器以火箭發動機工作產生的持續過載作為計時零點，當震動開關檢測到火箭發射時，震動開關由開轉化為閉，硬件軟件濾波后，判斷火箭發射，時序控制器啟動計時程序，按照既定時序完成火箭后續任務。本文選用SW-18020震動開關為計時零點檢測的傳感器，根據本次任務需求，選擇過載檢測量值為20 g。

如圖3所示，震動傳感器模塊的核心元件是震動開關[5]，振動元件的一端是金屬棒，另一端為金屬彈簧，兩極一般是分開的，并且它們分別靠引腳和外界連通。當有振動產生時，彈簧會彎曲，接觸到金屬棒，則元件兩極導通，如果震動停止，彈簧恢復原狀，開關斷開，可以通過這種方式檢測是否有振動產生。

圖3 震動開關

由于震動開關在檢測震動的時候，導通時間很短，如圖4所示，設計了阻容延時電路，并在程序里設計防抖程序，當檢測到持續過載時，控制器檢測到計時零點，進入計時功能，根據本型號的發動機工作時間，選擇的持續過載時間為100 ms。

圖4 控制系統框圖

2.3 火工品阻值檢測

根據發動機點火頭的型號，本文針對阻值為3～4 Ω的點火頭設計了阻值采樣電路。

由于火工品必須嚴格控制其通電的電流和時間，所以測阻時間需要程序進行嚴格控制。電路選用三極管S9012(工業級)對測阻開關控制，并選用合適的限流電阻保護火工品。時序控制器上電，當整系統自檢完成后，系統開始進行火工品阻值檢測，程序里測阻指令發出時，進行測阻，若火工品阻值不正常，則立即向地面發控器上報故障，測阻電路如圖5所示。

圖5 測阻電路

由于火工品的過電流非常小，為2.5mA，所以設計了信號調理電路放大被測電壓。多路點火頭都是2個并聯的點火頭，每個阻值為3～4 Ω，則并聯后點火頭的阻值為1.5～2 Ω。放大200倍后，ADC采集的電壓為0.75～1.25 V，ADC的采集量程為0～3.3 V，滿足ADC的采集量程。信號調理電路的放大器選擇OP07C，工作電壓為3～22 V，工作溫度為-40～85 ℃，滿足任務需要。

由于點火頭阻值精度要求不高，只需要區分開路，短路和正常等情況，所以設計了火工品自檢電路的參考電路，R30和R31為基準電阻，R31為4 Ω，以采集到的基準電壓為準，大于AD_REF+認為開路，小于0.5 V認為火工品短路，兩者之間為正常。ADC的采集基準電壓為單片機供電電壓3.3 V，利用STM8內部10位ADC采集，則量化誤差為：3.3/1 024=3.2 mV，遠遠小于實際使用值，滿足設計要求。

2.4 火工品點火

2.4.1 點火回路

本設計的點火頭屬于敏感點火頭[6]，可靠發火的點火電流為300 mA，50 ms。點火的供電電壓為5 V，為了保證點火的安全性，系統設計為電容點火[7-9]，且火箭在地面時不給電容電壓為1 V(除系統自檢那一刻)。

當系統完成發射前準備工作，系統檢測到火箭的持續過載信號，控制器啟動計時，并發出充電指令，對點火電容充電。系統設計了多通道的點火控制電路，按照時序裝訂時間，如圖6所示，利用PMOS和BJT的開關電路完成點火控制。

當Firecmd1為低時，點火通道關閉，當Firecmd1為高時，點火通道打開，Q4處于導通狀態，Q3導通，點火電容的電完全流向點火頭，完成火工品點火。

圖6 發動機點火控制電路圖

2.4.2 點火電容充放電回路

點火電容的充電回路如圖7所示，R5是充電電路的限流電阻，R6和R8分壓完成點火電容的充電電壓檢測。在控制器自檢階段，PWR_ON打開，點火電容充電，并實時檢測充電電壓，當電壓大于4.5 V時，系統上報點火電容充電成功，并打開放電開關，若放電正常，上報自檢完成，整系統進入待發流程。

圖7 點火電容充電及檢測電路

電容放電的電壓公式為：

U=U1*e-t/rc

(1)

可計算出：

(2)

C為電容容值，U1為電容初始電壓5 V，t為火工品可靠點火時間50 ms，火工品可靠發火電流I為300 mA，R為2 Ω?？梢杂嬎愠鲭娙莸娜葜禐?.009 4 F，根據降額標準，本控制器選擇耐壓為10 V，容值為15 mF的電容作為點火電容。

3 軟件設計

3.1 整系統軟件流程

時序控制器的軟件功能主要為無控火箭的時序裝訂，發射前火箭控制器整系統自檢，與發控裝置通訊對接，接收發射指令，若有故障，故障上報并處理等功能。故障處理包含終止程序流程，立即復位單片機，并打開電容放電回路等。

圖8 軟件流程圖

軟件流程如圖8所示，時序控制器開機內部定時器，I/O等自檢完畢后，對發動機阻值、系統流程自檢，并上報自檢結果。若故障，上報故障類型，并終止程序流程；若自檢成功，則進入時序裝訂流程?；鸺l射時序在出廠前裝訂為默認值，若時序發射前需要更改，則發射裝置可以發出裝訂時序任務，時序控制器更改時序，并記錄當前時序，上報時序裝訂結果。時序裝訂成功后，火箭進入待發流程，當控制器檢測到持續過載信號時，即火箭發射成功，時序控制器按照既定流程點火。

時序控制為定時器計時，控制精度為1 ms，系統可完成3 000～4 294 967 296 ms的時序裝訂。

3.2 自檢流程

時序控制器的自檢流程主要分為火工品阻值自檢，和點火充電回路自檢。若火工品自檢結果為開路或者短路，控制器通過通訊總線上報故障結果，并終止程序。若火工品自檢結果正常，進行點火模塊測試，使能點火充電回路，實時檢測點火電容兩端的電壓，當電壓大于4.5 V時，上報自檢正常。

圖9 自檢流程

如圖9所示，火工品阻值測試為ADC采集，分別打開檢測通道，連續測試10組數據，并取平均值，打開下一通道時，則關閉上一通道，當所有火工品測試都滿足要求時，整系統進入點火電容測試。

為了保證火箭在任何時刻火工品的安全，在程序設計中，無論點火充電回路檢測正常與否都要打開放電開關，并檢測放電電壓小于1 V時，則關閉放電回路，保證后續流程的可靠執行,此時整系統進入待發流程。

整系統在火箭完成總裝后，除了火工品點火流程外，其余電路程序均進行了發射前的自檢，自檢率大于85%，保證了發射后火箭時序點火控制的可靠性。

4 試驗結果與分析

4.1 過載試驗

根據任務要求，此火箭發動機過載大于15 g的時間為300 ms,大于20 g的時間為200 ms。系統設計震動開關為20 g，持續過載檢測時間為100 ms。

利用專用測試工裝將時序控制器固定在離心模擬臺上，接入發動機火工品，并模擬正式火箭飛行步驟，對時序控制器上電，當控制器自檢正常，上報無誤后，離心臺模擬當前火箭發動機工作過載曲線如圖10所示。

圖10 模擬發動機工作曲線

通過過載試驗，時序控制器輸出點火端點火頭全部引爆，滿足設計要求。

4.2 流程測試

時序控制器點火端接入模擬點火火工品電阻，系統開機，利用示波器測試自檢流程波形見圖12，1號為點火電容兩端電壓，2號為充電控制端波形，3號為放電控制端波形。點火充電電路自檢時，打開充電控制端，2號波形為高，當電壓大于4.5 V時，系統判定充電完成，打開放電回路，待點火電容放電完畢，并關閉放電回路，整系統進入待發流程。

圖11 自檢流程波形圖

時序控制器點火端接入模擬點火電阻，模擬火箭飛行的持續過載，利用示波器測試火工品點火波形見圖12，1號為點火電容兩端波形，2為火工品兩端波形。系統裝訂點火時序為5 s，示波器觀測點火時序為5 s，滿足設計要求。

圖12 火工品點火波形圖

4.3 高低溫試驗

根據型號要求，時序控制器進行了高低溫試驗，低溫-20 ℃，高溫+50 ℃，各保溫2個小時，系統上電，待自檢完成后，模擬火箭發射，分別進行了時序點火試驗，點火頭全部引爆，滿足設計要求。

4.4 飛行試驗

對時序控制器進行了飛行試驗，火箭進入指定位置，系統開機后，火箭控制器自檢正常，火工品測試正常，地面工作上報正常，發射后過載啟動正常，按照既定時序控制正常，完成飛行試驗，滿足任務設計要求。

5 結束語

本文設計了一種低成本高可靠性的多路無控火箭點火時序控制器，其設計了一套完整的電路和流程，可以根據不同的場合選擇不同的時序控制，根據不同的火箭發動機，選擇可靠的過載檢測時間等。該時序控制器解決了火工品運輸和發射時的安全保障問題，保障了勤務安全；解決了飛行產品的成本與高可靠性的矛盾等關鍵問題。系統提供了可靠的點火方案，過載檢測方案、系統工作流程方案，可應用于增雨防雹火箭、探空火箭以及模擬訓練火箭等領域。