多路起爆電路設計及特性分析

王 一，劉擇生，趙旭瑞，秦棟澤

（1.中北大學 機電工程學院，太原 030051；2.中國人民解放軍63850部隊，吉林 白城 137001；3.晉西工業集團，太原 030051）

0 引言

在自修復雷場中，跳躍式智能封鎖雷不僅能夠探測和定位周圍其他子雷并交互信息，而且可以通過跳躍機構完成自主移動。當雷場因作戰爆炸或敵方排雷而破壞隊形時，跳躍式智能封鎖雷可以通過跳躍機構完成自主移動，自行愈合雷場［1-2］。

智能封鎖雷的跳躍機構由均勻周向布置的八路火工品燃爆點構成，其起爆電路可根據主機命令控制火工品單路起爆、單路連續起爆或多路同步起爆，從而完成指定方位角的單次或多次連續跳躍。起爆電路是跳躍機構的核心，要求其不僅具有高安全性［3］，而且具有起爆火工品的快速性和同步性，安全性是指不誤起爆火工品，防止誤跳躍；快速性是指能快速響應主機命令，銜接跳躍動作；同步性要求多路火工品相互之間的起爆時間差盡量小，減小跳躍方位角的偏差。

目前主要采用爆炸邏輯網絡作為多點起爆系統，如基于“拐角”效應的炸藥裝藥爆炸邏輯網絡和導爆索制成的多點起爆網絡，只能以特定方式起爆，靈活性低，受導爆索傳爆速度和傳爆距離誤差的影響，難以保障多點起爆的快速性和同步性［4-6］。文獻［7］設計了一種以等邊三角形排列的平面多點起爆傳爆網絡，經實驗測試，多點起爆同步性極差小于0.6μs。文獻［8］設計了一種剛性和柔性相結合的多點同步起爆網絡，測試結果表明，多點同步起爆時間標準偏差為0.59μs。本文提出了一種基于STM32的火工品多路起爆電路，采用雙端控制、低通濾波等設計方法保障起爆電路的安全性和抗干擾性，通過計算分析部分元器件參數，減小了起爆的硬件延遲時間和火工品的發火時間，提高了能量利用率，提高了起爆快速性和同步性，最后制板進行實驗，完成對起爆電路的性能評估。該電路可為自修復雷場中智能封鎖雷跳躍的應用需求提供設計參考。

1 多路起爆電路的設計原理

火工品是由火藥或炸藥制成的、一次性使用的小型爆炸元件和裝置的總稱，點火元件是火工品的重要構成部件，其作用就是點火。點火元件受外部能量的激勵，發出火焰沖能或其他形式的能量并傳遞給起爆藥，從而引爆火工品。其中，橋絲式電引火元件的能量轉換方式是將電能轉換為熱能，金屬橋絲具有電阻性質，在瞬時大電流的作用下溫度驟然升高，熱能通過熱傳導傳遞給起爆藥，當能量達到起爆點時起爆［9-10］。橋絲式電引火元件的激發需要瞬時輸入較大的電流能量，可采用儲能電容放電或直流電源供電的起爆方式，因儲能電容放電是以脈沖形式輸出能量，比直流電源的脈沖功率大，所以采用儲能電容放電的方式可以減小起爆時間［11］。

點火控制電路是控制儲能電容放電的關鍵。若采用模擬電路的控制方式，電路設計復雜且控制不夠靈活，本文采用STM32 單片機作為點火控制電路的主芯片，通過UART 與主機進行通信，可根據主機發送的命令靈活控制多路點火控制電路［12］。

點火控制器件多采用繼電器和場效應管，繼電器易損壞可靠性低，NMOS管無法實現儲能電容與火工品的電氣隔離，安全性低［13］。本文采用晶閘管控制執行電路，能將儲能電容與火工品安全隔離開來，控制靈敏。

圖1為多路起爆電路系統框圖，主要由升壓電路、降壓電路、執行電路、點火控制電路和STM32單片機組成。升壓電路將外部電壓升高后供執行電路的儲能電容充電；降壓電路將外部電壓降低到5V 和3.3V 供后級電路使用；執行電路的儲能電容充電至滿電荷，在點火控制電路的驅動下放電；STM32通過UART 接收主機發送的命令，控制相應的點火控制電路輸出起爆信號。

圖1 多路起爆電路系統框圖

2 多路起爆電路的設計實現

2.1 電源電路

由于本文設計的多路起爆電路是用12V 電池供電的，若直接供儲能電容充電，其電壓水平不足以可靠起爆火工品，而且隨著使用時間變長，電池會出現輸出電壓降低、負載能力不足的問題，DC-DC升壓電路的輸入電壓范圍寬，可以有效克服這一問題，將電池的輸出電壓升高并鉗位在某一恒定電壓。

選擇LM2577-ADJ升壓型DC-DC轉換器作為升壓電路的主芯片，該芯片外圍元器件少、輸入電壓范圍為3.5～40V，并且可根據需求調整輸出電壓，最高可達60V，在電路設計上更具靈活性［14-15］。升壓電路原理圖如圖2所示。

圖2 升壓電路原理圖

LM2577-ADJ轉換器內部的52kHz固定頻率振蕩器控制NPN 開關晶體管的導通狀態，當晶體管導通時將能量儲存在外接電感L1中，當晶體管截止時外接電感L1將能量輸送到輸出電容C3，所以調整晶體管的導通占比，即占空比，就能調整需要的輸出電壓?？梢酝ㄟ^調節反饋網絡R2和R3的比值來調整占空比，輸出電壓UOUT為：

基準電壓Uref＝1.23V，本文R2／R3＝11，故UOUT＝14.76V。

點火控制電路需要5V 的基準電壓，STM32芯片的工作電壓為3.3V，因此12V 的外部電源需要經過降壓變換后才能供后級電路使用，本文使用兩個線性穩壓器級聯構成降壓電路，轉換效率高，其原理如圖3所示。首先使用傳統線性穩壓器7805將12V 轉換為5V，7805三端穩壓器的輸入輸出壓差要求大于2V，輸出電壓誤差小、性能穩定［16］。然后使用低壓差線性穩壓器（LDO）AMS1117 將5V轉換為3.3V，LDO 具有成本低、噪音低等特點［17］。級聯設置的降壓電路的外接元件只需要幾個旁路電容，結構簡單，占用PCB板面積小。

圖3 降壓電路原理圖

2.2 執行電路

一路執行電路原理如圖4所示。二極管D4、電阻R4和儲能電容C12構成充電回路，升壓電路的輸出端經充電回路為儲能電容C12充電。當晶閘管VT1門級G 的起爆信號拉高時，晶閘管VT1導通，由于導通后的晶閘管內阻幾乎為零，所以儲能電容C12通過與晶閘管VT1、火工品構成的放電回路迅速放電，從而起爆火工品。二極管D4單向導通，防止儲能電容通過電阻R4放電。電阻R5＞＞R4，保證儲能電容充電至滿電荷時的電壓接近UOUT，并且R5與儲能電容C12構成緩慢放電回路，在未能起爆火工品時將C12的電能緩緩釋放，保證了跳躍機構失效時的安全性。

圖4 執行電路原理圖

儲能電容是執行電路的核心，若其容值太小，儲存的能量不足以起爆火工品；若其容值太大，充放電速度緩慢，所以合理選擇儲能電容，有利于提高能量利用率，減小火工品的發火時間。本文使用的火工品的電阻約為5Ω，以1A 恒定電流點火時的起爆能量約為6mJ，起爆時間約為1.2ms。

儲能電容充電至滿電荷時的電壓近似于充電電壓，儲存的能量WC為：

C為儲能電容的電容量，UOUT等于升壓電路的輸出電壓，為14.76V。

在放電回路中，電阻R4＞＞火工品電阻，儲能電容的放電過程可認為是一階電路的零輸入響應過程，忽略導線電阻等因素的影響，由基爾霍夫電壓定律可得：

式中，Rs為火工品的阻值，UVT為晶閘管正向導通時的壓降，約為1.7V，此式是一階微分方程，放電起始時刻儲能電容兩端電壓為UOUT，解得儲能電容放電時電壓隨時間變化的表達式：

忽略晶閘管導通時的內阻，根據歐姆定律，放電電流隨時間變化的表達式為：

將放電電流大于1A 的時間定義為起爆電流持續時間ts，由式（5）解得：

火工品在這段時間內獲得的能量Ws為：

由火工品的起爆能量可解得儲能電容最小容值C＝51.3μF，考慮到火工品溫升階段的熱量散失和電容器的偏壓特性［18］，取C＝100μF。起爆火工品的能量利用率η：

代入數據，得η＝73.44%，具有較高的能量利用率。

電容確定后，其充電速度由充電電阻R4決定，充電時儲能電容電壓隨時間變化的表達式為：

經測量，單片機上電復位期間，其GPIO 會輸出一個脈寬為2.58ms的脈沖，有可能誤導通晶閘管使儲能電容放電?？刂苾δ茈娙莸某潆娝俣龋词拐`放電，其儲存的能量也不應起爆火工品，即：

解得R4最小值R4，min＝13.27Ω，因電容的動態電氣特性，充電電流太大會影響電容的容值和等效串聯電阻、電感，造成電容的不完全充電，所以取R4＝1kΩ。

2.3 點火控制電路

點火控制電路利用STM32單片機控制三極管的通斷實現對執行電路中晶閘管的驅動，一路點火控制電路原理如圖5所示。STM32選用ST 公司的STM32F103C8T6，它是一款基于ARM Cortex-M 內核STM32系列的32位的微控制器，程序存儲器容量是64kB［19］。它有48個引腳，除必要引腳外，使能了2個與主機通訊的UART 引腳和16個輸出起爆驅動信號的GPIO 引腳。STM32接收到主機發送的命令后，內部處理信息，控制相應序號的點火控制電路起爆火工品，如起爆火工品1，GPIO1和GPIO2輸出起爆驅動信號1和起爆驅動信號2，起爆驅動信號1高電平有效，起爆驅動信號2低電平有效，此時三極管Q1截止Q2導通，輸出起爆信號導通晶閘管。

圖5 點火控制電路原理圖

三極管Q1、Q2作為開關元件應工作在截止區和飽和區，為了提高三極管的開通速度以迅速起爆火工品，可以增大基極電流防止三極管深度飽和，但同時也要考慮到STM32的GPIO 輸出電流有限，所以要合理選擇R21、R22的阻值。例如R22，三極管Q1的集電極電流Ic為：

要使其工作于飽和區，基極電流最小為25μA，R22阻值最大為：

因GPIO 輸出電流一般不超過5mA，R22阻值最小為：

綜上取R22的阻值為680Ω。

3 安全性、抗干擾性分析

火工品是一類敏感的小型爆炸元件，對起爆電路的安全性和抗干擾能力要求極高，因此在電路設計中，必須考慮安全性和抗干擾能力。

如前文所述，STM32單片機上電復位時GPIO 會輸出一個脈沖，有可能誤點火，通過控制儲能電容的充電速度，即使誤放電，其儲存的能量也不應起爆火工品，增強電路的安全性。

在點火控制電路中，使用兩只三極管對起爆信號進行雙端控制，當且僅當起爆驅動信號1、2分別為高電平和低電平時輸出起爆信號。因STM32上電復位時GPIO 的狀態一致，所以雙端控制設計可避免上電復位時的脈沖誤點火。除此之外，硬件受電磁干擾或程序跑飛時可能導致GPIO 輸出固定電平或脈沖，雙端控制設計可抑制共模干擾，增強電路的安全性。

對起爆信號的輸出進行濾波處理，能夠有效濾除線路上的尖峰干擾。在圖5 的點火控制電路中，R24和C12組成RC低通濾波網絡，增強了起爆信號的抗干擾能力，防止尖峰干擾誤起爆火工品。

軟件安全性與抗干擾能力同樣不可忽視。在UART 通信中使用奇偶校驗增強通信安全性，防止傳輸數據突變誤起爆火工品。

4 實驗驗證與特性分析

4.1 電路仿真實驗

在制作PCB板進行實驗前，為驗證GPIO 能否可靠控制儲能電容放電起爆火工品，使用Multisim 軟件搭建執行電路（圖4）和點火控制電路（圖5），電路設置供電電源為升壓電路的輸出電壓，即14.76V；用兩只開關S1、S2分別模擬STM32單片機的GPIO1和GPIO2，開關閉合表示GPIO 輸出高電平，開關斷開表示GPIO 輸出低電平，S1默認斷開，S2默認閉合；用一個5Ω 電阻模擬火工品，剩余元器件的型號、容差、封裝均與實際元件相同，可以得到最接近實際情況的仿真結果。使用四通道示波器的A 通道測量火工品電阻兩端的電壓，B通道和C通道分別測量起爆驅動信號1和起爆驅動信號2的波形，其仿真波形圖如圖6所示。

圖6 仿真波形圖

由圖6可知，電路初始狀態為：起爆驅動信號1為低電平且起爆驅動信號2為高電平，此時儲能電容處于充電狀態，不對火工品放電。當起爆驅動信號1為高電平且起爆驅動信號2為低電平時，儲能電容迅速對火工品放電，放電尖峰電壓約為12.481V，略低于直流電源電壓。仿真結果表明，GPIO 輸出的起爆驅動信號能夠可靠控制儲能電容對火工品放電。

4.2 起爆功能實驗

將八路火工品起爆電路集成到一塊PCB上，使用Altium Designer軟件進行布局走線，控制器件與控制信號走線盡量短而等長，經制板、元器件焊接得到的多路起爆電路PCB板如圖7所示，使用5Ω 電阻代替火工品進行實驗。

圖7 多路起爆電路PCB板

串口通信波特率為921 600bps，每一組起爆驅動信號由一個8bit的字符命令控制，每一幀數據包括1bit起始位、8bit數據位、1bit奇校驗位和1bit停止位。

圖8為一組起爆驅動信號與相應起爆信號的波形圖，示波器1、2通道分別測量起爆驅動信號1和2，3通道是相應的起爆信號，當且僅當起爆驅動信號1為高電平且起爆驅動信號2為低電平時輸出起爆信號。

圖8 起爆驅動信號和起爆信號波形圖

圖9是一組起爆驅動信號和相應火工品兩端電壓波形圖，1、2通道同上，3通道測量火工品兩端電壓。當起爆驅動信號有效，即輸出起爆信號時，儲能電容對火工品放電。因儲能電容不完全放電、熱量損耗等因素，火工品的尖峰電壓Up＝12.25V，略低于儲能電容的充電電壓。由圖中光標可知，起爆電流持續時間ts＝500μs，火工品電壓波形也是按指數衰減的零輸入響應過程，計算得這段時間內火工品獲得的能量Ws為：

圖9 起爆驅動信號和火工品兩端電壓波形圖

大于其發火能量，火工品能可靠起爆。

4.3 快速性分析

起爆快速性是指STM32單片機能夠根據主機命令控制相應GPIO 輸出起爆驅動信號，迅速起爆火工品。從STM32輸出起爆驅動信號到火工品起爆的時延主要包括硬件延遲時間td和火工品發火時間tfire。

硬件延遲時間td主要受控制器件開通速度、線路阻抗等因素影響，本文通過合理選擇三極管基極限流電阻、縮短PCB走線的方法減小硬件延遲時間。調整圖9的時基標度得到1μs／Div的波形圖10，由光標位置可知硬件延遲時間td約為1.578μs。

圖10 1μs／Div的實驗波形圖

在放電回路中，儲能電容充電電壓和回路電阻一定，火工品發火時間tfire主要受儲能電容容值影響，本文在保證可靠起爆的基礎上選擇儲能電容C＝100μF，提高了能量利用率，減小了火工品發火時間tfire，解下列積分上限方程式：

W是火工品的發火能量，Up是火工品兩端的尖峰電壓，Rs是火工品內阻，解得tfire＝401.943μs。

綜上所述，起爆快速性的影響因素如表1 所示，從STM32輸出起爆驅動信號到火工品起爆的總時延t＝403.521μs，具有起爆快速性。

表1 起爆快速性的影響因素

4.4 同步性分析

多路起爆電路PCB最多可起爆八路火工品，依次編號1～8。起爆同步性要求多路火工品同時起爆時，其相互之間的起爆時間差盡量小。起爆同步性主要受起爆驅動信號輸出時間差ΔtT、硬件延遲時間差Δtd和火工品發火時間差Δtfire影響。

同廠同批次的橋絲式電火工品在相同起爆條件下，發火時間精度主要受制造工藝誤差影響，如橋絲直徑和長度誤差、藥頭質量誤差等。文獻［9］選取若干發同廠同批次的LTNR 系剛性16μm 橋徑點火頭進行測試，其發火時間標準差為24.4μs。文獻［20］使用20發橋絲電阻一致、藥頭質量在12～15mg的點火頭進行試驗，其發火時間標準差為31.0μs。因此，合理的制造工藝誤差對橋絲式電火工品的性能沒有明顯影響，滿足同步性要求。在實際應用中，選用電阻誤差小、藥頭質量誤差小的火工品可提高發火時間精度。本實驗使用5Ω 電阻代替火工品，模擬在制造工藝上沒有誤差，因此實驗中忽略火工品發火時間差Δtfire。

起爆驅動信號的輸出由主機發送命令控制。為減小UART 串行通信傳輸命令對起爆驅動信號輸出同步性的影響，采用固定延時、并行輸出的方法。因STM32單片機可對同一組的多個端口同時進行賦值操作，所以使能同一組端口，即GPIOB的PB0～PB15，作為輸出起爆驅動信號的GPIO。當STM32通過UART 接收到命令時，開啟固定延時，確保延時內接收到全部命令，然后根據命令判斷各GPIO 的輸出狀態，并行輸出起爆驅動信號，因此，起爆驅動信號輸出時間差ΔtT＝0。

硬件延遲時間差Δtd主要由控制器件開通速度不同、線路阻抗不同等因素造成，因此，使用同批次相同參數元件、PCB等長走線等措施可以減小硬件延遲時間差Δtd。以火工品1為參照，兩兩進行實驗，圖11中通道1、2分別為火工品1、2同時起爆時的波形圖，由光標位置可知，兩火工品起爆的硬件延遲時間差Δtd＝-110μs。同理可得各火工品與火工品1的硬件延遲時間差，如表2所示。分析可知，同時起爆包含火工品2和6的多路火工品時的硬件延遲時間差Δtd最大，為0.394μs。

表2 各火工品與火工品1的硬件延遲時間差

圖11 火工品1和2同時起爆波形圖

綜上所述，起爆同步性的影響因素如表3所示，不計火工品發火時間差Δtfire時，起爆多路火工品的最大時間差為0.246μs，具有起爆同步性。

表3 起爆同步性的影響因素

5 結束語

本文針對智能封鎖雷的跳躍機構，提出了一種基于STM32的多路起爆電路。在電路設計上采用雙端控制、低通濾波等方法提高電路的安全性和抗干擾能力。基于參數計算選擇關鍵元器件，使用固定延時、并行起爆的起爆方式，以減小火工品的發火時間和起爆硬件延遲時間。特性分析表明：從STM32輸出起爆驅動信號到火工品起爆的時延為403.521μs，具有起爆快速性；不計火工品發火時間差時，起爆多路火工品的最大時間差為0.246μs，具有起爆同步性。該電路簡單可靠、PCB 體積小，能與主機通訊、功能靈活，可為自修復雷場中智能封鎖雷跳躍的應用需求提供技術支持。