一種用于無人直升機(jī)平臺的火工品點(diǎn)火電路設(shè)計(jì)

蔣茂源　王強(qiáng)

摘要：為設(shè)計(jì)一款應(yīng)用于無人直升機(jī)平臺的低成本高可靠的火工品點(diǎn)火電路，進(jìn)行了點(diǎn)火電路的設(shè)計(jì)研究。該電路基于STM32和P-MOS，并對STM32在初始過程中的不定態(tài)進(jìn)行了優(yōu)化。通過電路仿真分析及測試驗(yàn)證，給出了可通過軟硬件對點(diǎn)火控制進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)論。應(yīng)用結(jié)果表明：該電路設(shè)計(jì)成本低，能可靠實(shí)現(xiàn)火工品的點(diǎn)火控制，可有效防止誤觸發(fā)，可為其他STM32控制電路提供參考。

關(guān)鍵詞：STM32;點(diǎn)火電路;誤觸發(fā)

中圖分類號：TP273? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

部隊(duì)作戰(zhàn)水平的提高離不開日常的刻苦訓(xùn)練。因模擬訓(xùn)練需求，需要一款可以掛載并發(fā)射火工品的無人直升機(jī)平臺。此電路主要針對使用電起爆器的發(fā)火元件，電起爆器的激活主要由點(diǎn)火電流和功率決定，電能通過具有一定阻值的橋絲轉(zhuǎn)化為熱能，加熱橋絲周圍的點(diǎn)火藥并起爆主裝藥，動作瞬間完成。因火工品的特殊性，故除了在預(yù)定的點(diǎn)火時(shí)刻外，不能因任何元件和線路以及隨機(jī)因素等影響而誤觸發(fā)起爆火工品。本文在火工品的安全性和可靠性及無人直升機(jī)靶機(jī)的成本控制的基礎(chǔ)上，提出了一種基于STM32及MOS管的點(diǎn)火控制電路設(shè)計(jì)方案，能夠保證點(diǎn)火任務(wù)順利執(zhí)行。

1 火工品點(diǎn)火電路工作原理

該火工品點(diǎn)火電路主要包括2個供電電路、一個通信及控制電路、一級開關(guān)電路、二級開關(guān)電路、檢測電路、保護(hù)電路等模塊組成。該點(diǎn)火電路整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。地面控制指令通過鏈路發(fā)送到空中的通信及控制電路，可設(shè)置不同的觸發(fā)模式，通信及控制電路接收指令后，分別采取不同動作，反饋電路會把動作執(zhí)行狀況反饋給通信及控制電路，方便STM32根據(jù)執(zhí)行狀態(tài)設(shè)計(jì)相關(guān)的安全策略，同時(shí)將執(zhí)行狀態(tài)通過鏈路回傳給地面。在開關(guān)電路和火工品之間加入保護(hù)電路，防止因火工品點(diǎn)火而對前端電路造成影響。

2 火工品開關(guān)電路硬件電路設(shè)計(jì)

該開關(guān)電路受STM32控制，用MOS管的D極作為輸出，需考慮MOS管最大功率及響應(yīng)時(shí)間。用光耦芯片作為內(nèi)外地隔離，需考慮光耦的響應(yīng)時(shí)間及光耦后端的驅(qū)動能力是否可以驅(qū)動MOS管，因一級開關(guān)電路和二級開關(guān)電路的負(fù)載范圍不一樣，故采用不同負(fù)載范圍的MOS管。

2.1 主芯片選擇及串口通信

火工品的敏感性注定了對點(diǎn)火電路安全性及可靠性的高要求，又必須考慮掛載火工品數(shù)目多、靶機(jī)成本控制等因素，因此選用STM32F103VET7作為通信控制電路的主控芯片，該芯片基于ARM內(nèi)核，具有72MHZ主頻，運(yùn)算速度快，經(jīng)濟(jì)性好，可靠性高。同時(shí)具有3路USART和2路UART，能滿足通信需求。80個可用I/O更是在滿足掛載需求的同時(shí)為未來升級拓展留下了空間。

通信及控制電路如圖2所示。該電路采用8Mhz外部晶振作為時(shí)鐘源，并通過MAX3160將ARM芯片USART口輸出的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS422電平。MAX3160是一款高性能多協(xié)議收發(fā)芯片，可通過引腳設(shè)置選擇為RS232輸出或者RS422輸出，以滿足多種通信需求。

2.2 點(diǎn)火開關(guān)電路

點(diǎn)火開關(guān)電路分為二級開關(guān)控制，在優(yōu)先級更高的一級開關(guān)電路沒有動作時(shí)，同時(shí)在軟件和硬件方面鎖死二級開關(guān)電路，防止誤觸發(fā)。點(diǎn)火開關(guān)電路如圖3、圖4所示。

使用P-MOS作為開關(guān)元件，光耦的前端2腳控制腳由STM32的I/O口控制，當(dāng)I/O口置位低，光耦的導(dǎo)通，一級開關(guān)電路導(dǎo)通，此時(shí)，再控制D20的pin2置低，二級開關(guān)電路導(dǎo)通，任務(wù)輸出。

Multisim電路仿真如圖5所示，用鍵A模擬STM32 I/O電平，模擬驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，該電路符合預(yù)期要求。

3 開關(guān)電路驗(yàn)證及改進(jìn)

通過示波器采集I/O控制腳輸出波形，發(fā)現(xiàn)在設(shè)備上電后，有一瞬間的I/O輸出被拉低，此現(xiàn)象會導(dǎo)致開關(guān)電路瞬間導(dǎo)通，從而造成誤觸發(fā)。如圖6所示，圖中，通道1為STM32芯片+3.3V供電，通道2為I/O口電平。

3.1原因分析

分析原因發(fā)現(xiàn)在STM32上電到I/O口置位的時(shí)間內(nèi)，有段時(shí)間I/O口是不受控的，正是此不受控時(shí)間內(nèi)I/O口的置低，導(dǎo)致了誤觸發(fā)。此為STM32的本身特性，不可消除。

3.2 方案改善

為避免因STM32本身特性所造成的誤觸發(fā)，作了如下改進(jìn)。

1.? 使任務(wù)供電與系統(tǒng)供電分離，等待系統(tǒng)穩(wěn)定，I/O置位完成進(jìn)入受控狀態(tài)后，再給任務(wù)供電上電，從根本上解決了此原因造成的誤觸發(fā)現(xiàn)象。

2. 在P-MOS的柵極和源極之間并入電容，使任務(wù)供電上電瞬間Vgs=0V，從而即時(shí)任務(wù)供電和系統(tǒng)供電同時(shí)上電，也會因?yàn)殡娙莸难舆t，盡量保證在I/O口不受控這段極短的時(shí)間內(nèi)，MOS管不導(dǎo)通。經(jīng)驗(yàn)證測試，并入4.7uf的電容，上電瞬間延遲效果最好并且不會對模擬電路特性造成太大影響。

3. 在任務(wù)輸出與地之間并入4.7uf的電容，在不影響電路特性的基礎(chǔ)上，對萬一存在的誤觸發(fā)釋放能量進(jìn)行吸收，防止電路后端的火工品誤觸發(fā)。

4. 深入分析STM32啟動流程，在STM32上電或復(fù)位后，程序初始化，初始化完成前，I/O口維持+2.5V電平，初始化完成后，I/O口默認(rèn)為高阻態(tài)，且為浮空輸入，此時(shí)光電管導(dǎo)通，火工品可能誤觸發(fā)，直到程序運(yùn)行至I/O口配置，這段時(shí)間是受程序運(yùn)行時(shí)間限制，為微秒級。為了縮短此時(shí)間，可將I/O口配置命令放在I/O口初始化函數(shù)的最前方，并將I/O口初始化函數(shù)放在所有函數(shù)的最前方。

3.3 改善驗(yàn)證

上述修改完成后，I/O口啟動或復(fù)位瞬間電平如圖7所示，可看到微秒級的低電平有明顯改善。

4 結(jié)論

經(jīng)過設(shè)計(jì)需求分析、電路仿真、驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、改進(jìn)升級后，設(shè)計(jì)了一款安全可靠的火工品點(diǎn)火電路，該電路已在多無人機(jī)平臺上安全運(yùn)行了超100小時(shí)，多架次火工品點(diǎn)火達(dá)到預(yù)期效果，滿足設(shè)計(jì)要求。

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作者簡介：

蔣茂源（1991—），男，學(xué)士，助理工程師，研究方向：無人機(jī)航電系統(tǒng)。（通訊作者）

王強(qiáng)（1986—），男，碩士，中級工程師，研究方向：無人機(jī)航電系統(tǒng)。