一種定深點火電路的設計

袁 日

（中國船舶集團有限公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

0 引言

應用于水下攻防領域的海洋裝備，在水下試驗時，需要在一定水深的位置完成點火動作[1]，以實現(xiàn)一些預定的功能，這就要把深度測量與點火輸出功能結合在一起。需要同時滿足2方面的設計要求：1）準確測量深度值；2）可靠、安全地輸出一定驅(qū)動能力的點火電流[2]。本文針對這類需求設計了一種定深點火電路。通過選用高精度的傳感器及合適的AD轉(zhuǎn)換器保證深度測量的精度，通過點火控制口線保護電路、密碼選通電路保證點火輸出的安全、可靠，通過點火驅(qū)動電路保障點火輸出的能力。

1 電路整體組成

定深點火電路主要包括電源模塊、單片機系統(tǒng)（含AD轉(zhuǎn)換器及UART異步串口）、傳感器電路[3]及點火控制驅(qū)動電路等模塊。電源模塊負責給整個系統(tǒng)供電；傳感器電路負責水深信號的采集和調(diào)理；單片機系統(tǒng)負責對傳感器電路輸入信號的加工處理及系統(tǒng)整體工作流程的控制；點火控制電路負責系統(tǒng)輸出的保護和驅(qū)動。定深點火電路組成框圖如圖1所示。

圖1 定深點火電路組成框圖Fig.1 Block diagram of depth setting ignition circuit

2 電源模塊及單片機系統(tǒng)

定深點火電路使用的電源是由 V_內(nèi)電、V_外電和點火電源3種組成，內(nèi)電和外電電壓范圍可以是4.75～32 V，點火電源大小可以根據(jù)需要輸出的點火電流及點火負載來決定。該電路中內(nèi)電電壓值范圍為19～25 V、外電電壓值范圍為25～30 V，點火電源電壓值范圍為37～43 V。內(nèi)電可由電池供電，外電可以由外部檢測設備提供電源。

定深點火電路工作時，內(nèi)電和外電為單片機系統(tǒng)等模塊供電，點火電源為輸出的點火信號提供驅(qū)動能量。

1）內(nèi)外電識別電路。

定深點火電路需要識別內(nèi)外電，根據(jù)電源識別結果完成不同的功能，并且以內(nèi)電優(yōu)先。內(nèi)外電識別電路如圖2所示。

圖2 內(nèi)外電識別電路Fig.2 Internal and external electric identification circuit

內(nèi)電上電時，內(nèi)電激勵光耦激勵端，使光耦感應端飽和。光耦感應端輸出連接到單片機的IO端口（中斷端口）檢測[4]。內(nèi)電上電時輸出低電平，僅外電上電時輸出高電平。采用光耦對待測信號進行隔離，避免了前后級互相間的影響，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2）電源變換電路。

電源變換電路將內(nèi)外電切換電路產(chǎn)生的內(nèi)外電“V_工作”變換為單片機系統(tǒng)以及點火控制電路等使用的+5 V和+3.3 V電源[5]。其電路如圖3所示。

圖3 電源變換電路Fig.3 Power conversion circuit

3）單片機系統(tǒng)及其接口。

本電路中使用了應用較為成熟的 Atmel公司AVR系列單片機。單片機具體型號為ATmega1280–16AU[6-7]。其主要特點如下。

髙性能、低功耗的AVR 8–bit微控制器，基于高效的RISC結構，在16 MHz時可以達到16 MIPS速度；內(nèi)部自帶程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無需擴展；可在線編程和調(diào)試；擁有2個8位和4個16位定時器/計數(shù)器；擁有16通道10位AD轉(zhuǎn)換器；擁有4個可編程USART；具有大量外部和內(nèi)部中斷源；內(nèi)部電源監(jiān)測及看門狗電路。其電路結構如圖4所示。

圖4 結構圖Fig.4 Structure diagram

本系統(tǒng)中使用單片機的 16位定時器、AD轉(zhuǎn)換器、可編程異步串口以及外部中斷。定時器用于AD采樣的采樣頻率控制；AD轉(zhuǎn)換器用于采樣壓力傳感器的深度信號；可編程異步串口用于與外部檢測設備和上位機通訊，設定點火深度和回收試驗數(shù)據(jù)；外部中斷用于監(jiān)測內(nèi)外電識別電路信號。

3 傳感器模塊

本電路為壓力傳感器信號調(diào)理電路提供+5 V電源，并采集一路壓力傳感器信號[4]。本電路+5 V電源輸出精度±2%（±0.1 V）。壓力傳感器信號調(diào)理電路輸出模擬信號范圍為0～5 V，單片機AD輸入范圍為0～5 V。因此，壓力傳感器信號調(diào)理電路輸出模擬信號不需要衰減。圖5所示為壓力傳感器信號調(diào)理電路。

圖5 壓力傳感器信號調(diào)理電路Fig.5 Signal processing circuit of pressure sensor

壓力傳感器信號由單片機自帶的 AD轉(zhuǎn)換器采集。單片機自帶16通道10位AD轉(zhuǎn)換器。電路中，AD轉(zhuǎn)換器配置為單端輸入方式，使用 16通道中的通道0作為采集通道。單片機在+5 V供電時，AD轉(zhuǎn)換器信號輸入范圍是0～5 V，滿足壓力傳感器信號調(diào)理電路輸出模擬信號范圍。

壓力傳感器選用麥克傳感器公司 MPM283型壓阻式壓力敏感元件。壓力傳感器具體型號為MPM283–13–S–L，測量范圍為 0～3.5 MPa，精度±0.15% FS。由傳感器精度帶來的誤差為±0.5 m，可達到一定深度測量精度要求。

4 點火控制電路

4.1 點火控制口線保護電路

在電路設計中，點火控制電路要求有極高的可靠性，如果點火信號無法正常給出，則會引起回收的失效；如果點火信號非正常輸出，就有可能發(fā)生安全事故。因此在電路設計時，必須對點火控制信號的可靠性與安全性進行重點設計[2，8]，不允許出現(xiàn)誤動作的情況。

系統(tǒng)上電時，單片機有上電初始化過程，此時單片機IO端口處于不確定狀態(tài)，而點火控制口線來源于單片機IO端口，在此過程中要對點火控制口線進行保護[2]。定深點火電路中設計了口線保護電路，實現(xiàn)在系統(tǒng)上電過程中對點火控制口線的保護功能，電路示意圖如圖6所示。

圖6 點火控制口線保護電路Fig.6 Protection circuit of ignition control port wire

當電源加到單穩(wěn)態(tài)多頻振蕩器 CD4098BM上時（單脈沖觸發(fā)），CD4098BM輸出一定脈寬的低電平信號，用此信號來實現(xiàn)上電過程中對點火控制口線的保護。

低電平持續(xù)時間與外圍所選的電阻、電容大小有關，計算公式為

單片機使用14.745 6 MHz外部晶振，工作電源為+5 V，其復位時間：

當C13和C17僅有1個電容有效時，低電平持續(xù)時間：

當C13和C17這2個電容均有效時，低電平持續(xù)時間加倍。單個電容有效時低電平持續(xù)時間大于單片機復位時間，可以確保在上電過程中，三輸入與門芯片SN74LV11AD的輸入端至少有1路是低電平，從而確保其輸出到點火口線的6腳始終處于低電平狀態(tài)，在上電過程中對點火口線進行有效保護。

4.2 密碼選通電路

定深點火電路中要求根據(jù)設定的深度信號可靠輸出點火信號，在整個程序運行過程中有且只有1次點火輸出，而其它時間點火控制口線必須處理為可靠的低電平狀態(tài)，程序不能隨意對其進行寫操作，為此設計了密碼選通電路如圖7所示。

圖7 密碼選通電路Fig.7 Cipher gating circuit

在產(chǎn)品第1次到達設定深度時，向密碼選通電路的地址0x8000寫入0x7 F時打開密碼鎖，點火控制使能，此時點火控制信號可以正常輸出，輸出高則點火；當向地址0x8000寫入0x80時關閉密碼鎖，關閉點火使能，此時無論點火控制信號高或者低，都不會點火。

4.3 點火驅(qū)動電路

定深點火電路要求提供一路點火信號，輸出電流不小于5 A（負載電阻0.8～1.5 Ω），脈沖寬度不小于200 ms，其電路示意圖如圖8所示。

圖8 點火驅(qū)動電路Fig.8 Ignition drive circuit

點火控制口線保護電路的輸出、密碼選通電路輸出和點火控制口線共同來控制光耦通斷。光耦導通時V3開啟，點火線變?yōu)楦唠娖健?/p>

采用 PNP型達林頓作為點火驅(qū)動，工作狀態(tài)有飽和導通和截止2種狀態(tài)[9]。型號BD652，最小放大倍數(shù)750，最大導通電流8 A，滿足5 A點火電流的要求。

點火電流要求不小于5 A，放大倍數(shù)750，則達林頓管b級電流為6.67 mA，考慮裕量，取7 mA。則電阻阻值：

按照阻值系列，R20取4.3 kΩ。電阻R18阻值取43 kΩ，光耦感應端工作電流為

光耦激勵端工作電流取為16 mA，則電阻阻值：

按照阻值系列，R7取240 Ω，C24為濾波電容。

達林頓管導通壓降為2 V，導通時點火信號輸出電壓范圍是35～41 V，負載電阻0.8～1.5 Ω，為保護達林頓管，需要在點火輸出和負載之間加限流電阻，取R2阻值為5.1 Ω，則輸出的點火電流范圍是5.30（電壓35 V，負載電阻1.5 Ω）～6.95 A（電壓41 V，負載電阻0.8 Ω），既滿足指標要求，又保證達林頓管安全。

5 試驗結果

本電路在試驗室調(diào)試時，用壓力調(diào)教儀給深度傳感器加壓，同時用示波器監(jiān)測負載兩端電壓值（負載電阻值取1.5 Ω），當加壓至設定的深度值時，負載兩端輸出150 ms、40 V高脈沖，如圖9所示。由本電路實現(xiàn)的定深回收裝置在湖上進行多次試驗驗證，裝置隨產(chǎn)品由船吊布入水，在到達設定深度時，自動點火觸發(fā)氣囊膨脹上浮，完成裝置回收。在工作過程中設定點火深度值為 40 m，回收的深度試驗數(shù)據(jù)如圖10所示，可以看到，當試驗產(chǎn)品到達深度40 m時，產(chǎn)品停止下沉，開始上浮，說明定深點火電路在深度值為40 m時輸出了點火驅(qū)動電流，觸發(fā)了產(chǎn)品的回收功能，工作正常。類似試驗進行多次，試驗結果均如圖10所示，說明該電路工作穩(wěn)定、可靠。

圖9 負載電壓數(shù)據(jù)Fig.9 Load voltage data

圖10 深度試驗數(shù)據(jù)Fig.10 Depth test data

6 結束語

定深點火電路在某項目中得到了應用，并安全、可靠地完成了設計的定深點火功能。定深點火電路采用高精度的壓力傳感器，實現(xiàn)對水下深度的精確檢測，確保在預定的深度可靠地輸出點火。定深點火電路在點火輸出端增加了點火口線保護電路、密碼選通電路，確保在系統(tǒng)上電的初始化時刻及軟件誤操作情況下不會誤點火。定深點火電路中工作電源與點火電源獨立設計，電路在點火輸出的時候不會影響到系統(tǒng)自身的工作電源，一方面保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，另一方面可以方便設計者根據(jù)輸出點火能力的需求靈活選擇合適的點火電源。同時，該點火驅(qū)動電路中選用的達林頓管具有輸出最大8 A電流能力，能滿足各種點火的需求。該電路可以推廣應用到其他對點火輸出有高安全、高可靠要求的海洋裝備項目中，助力水下攻防能力的發(fā)展。