为电子时间引信增添CAN总线自检模块

沈 波,柏 舸,雷向莉,刘 杰

(西安机电信息研究所,陕西西安 710065)

0 引言

在子母火箭弹武器系统中,通常使用电子时间引信完成火箭弹的定时开舱功能。能不能达到预先设定的作战目的,电子时间引信正常工作与否十分重要。如果武器系统能够在装定时对其进行全面检测,就可以剔除故障引信保证弹药系统的毁伤效率[1-3]。目前国内针对电子时间引信的自检测存在空白。引信在实际使用过程中只是利用引信外部的装定器对其进行装定,只要装定成功即判定引信工作正常,火箭弹允许发射。这种使用方法只能确定引信的装定功能是否正常,并不能反映引信内部其他部件的工作状态,存在局限性。为此,本文提出电子时间引信的CAN总线自检测方法。

1 一般装定方法和CAN总线

1.1 一般电子时间引信的装定方法

在总装完成后,电子时间引信对外部只保留通信接口和供电接口。装定器作为武器系统与引信之间的桥梁,负责为引信供电和时间装定。装定是指装定器与引信之间的一个信息传递过程,数据传输采用自定义数字编码方式[4]。这种传输方式结构简单、传输效率高,便于集成。但由于没有统一的执行标准,通信协议由硬件固定不易更改,无法提供复杂数据信息的高速双向传输,存在局限性。通过该接口,装定器对引信发出装定指令并接收引信的回答信号。在实际使用过程中,如果引信装定正确,则判定引信工作正常。一般电子时间引信装定的工作原理如图1所示。

图1 一般电子时间引信装定的工作原理图Fig.1 Primary electronic time fuze work schematic diagram

1.2 CAN总线

现场总线是在工业现场环境中运行的全数字化、双向、多变量、多点多站的通信系统。CAN总线是众多现场总线技术中公认最有前途的几种之一,也是目前为止唯一具有国际标准的现场总线。CAN总线具有大量现成的器件可以选择,结构简单,使用方便[5]。结合CAN总线的技术特点,电子时间引信采用该接口具有以下优势:

1)CAN总线采用差分传输方式,每帧数据都有CRC校验,具有很强的抗干扰能力,符合引信装定数据传输可靠性要求高的特点;

2)CAN总线具有国际标准规范,便于全武器系统的功能集成;可满足多种网络拓扑结构,布局更加灵活,适应性更强,便于在不同的武器系统中跨平台移植;

3)在多管火箭炮武器平台上,多发电子时间引信与装定器之间的通信方式可采用CAN总线的多主方式工作,大大减少装定器与引信之间通信电缆的连接数量。

CAN总线可以在装定器和引信之间建立一个双向高速数据传输通道。通过该接口引信可以实时将自身状态上报装定器,装定器负责管理和处理相关数据,监控每一发引信的工作状态,出现问题及时报告火控系统。

2 自检测电子时间引信的CAN总线检测原理

2.1 自检测电子时间引信的组成

通过电子时间引信的装定原理可以看出,装定器对引信的装定过程仅能证明引信对装定时间的接收是否正常,而无法说明引信其他模块的状态,因此在一般电子时间引信的基础上增加了CAN总线模块和自检测模块。利用自检测模块,引信可实现对自身内部参数的全面检测。通过CAN总线模块,装定器能够查询引信自检测的相关数据,判断引信的工作状态是否正常。自检测电子时间引信的CAN总线检测原理图如图2所示。

图2 自检测电子时间引信的CAN总线检测原理图Fig.2 CAN-bus checking schematic diagram of self-checking electronic time fuze

2.2 自检测模块的工作原理

引信自检测模块电路采用的微处理器内置12位精度、速率500 kHz的模数转换器(ADC)和数字I/O口,可以同时处理多路模拟信号和数字信号量[6]。为保证检测的全面性,检测点须覆盖组成引信的各个模块。根据一般电子时间引信的组成和工作原理,电子时间引信自检测工作原理如图3所示。

测试点根据测量的特性可以分为以下四类:

1)电压值测量:电源电压、化学电源输出电压、电池激活执行级储能电容电压、点火执行级储能电容电压;

2)电阻值测量:电点火管内阻;

3)时间值测量:定时时间;

4)开关信号测量:点火输出信号、安全与解除保险装置的解保状态。

微处理器配合外围电路可完成上述四类测试点的测量。测试点涵盖了引信内部各个模块的所有关键点。通过对这些点的连续检测, 不但能够及时发现引信控制系统的工作状态是否出现异常,还可以对故障进行相对准确地定位。

图3 电子时间引信自检测工作原理图Fig.3 Electronic time fuze self-checking schematic diagram

2.3 装定检测方法

装定器和引信之间的通信接口由自定义专用数字编码方式更改为CAN总线通信方式。CAN总线更加灵活,可根据需要随时更改通信数据内容,通用性、互换性好,可靠性、传输速度更高。引信的时间装定指令和一般引信基本相同。新增加检测指令,该指令由装定器发出,引信接收后,利用自检测模块进行自检,完成后再将信息反馈装定器。装定和自检测方法相对于一般引信可为其各个阶段提供更加方便、全面的检测结果。

2.3.1 生产过程中检测

引信的生产过程要经过部件装配、调试,产品总装和出所验收等阶段。自检测功能可以应用在各个生产环节中,及时发现和定位故障,剔除在生产环节中可能由元器件质量差异、焊接方法不当、灌封工艺缺陷等引发的不合格产品。

2.3.2 火箭弹发射前检测

火箭弹在发射前,武器系统可通过装定器对引信进行周期性检测。检测指令分为两种,一种是报警模式,一种是应答模式。在报警模式下,自检测功能由引信按照一定的周期自动执行,仅在发现问题时才向装定器上报故障情况,可节省总线资源。在应答模式下,引信接收一次装定器的指令执行一次检测,并将详细的检测结果反馈。应答模式主要用于武器系统对引信的全面检测,其缺点是对总线的资源占用比较大。

2.3.3 火箭弹发射后检测

火箭弹发射后,引信自检测模块继续工作,在火箭弹飞行全过程中监测引信的工作时序与状态,记录第一级火工品短路开关打开时间、安全与解除保险装置解除保险时间、点火电容充电时刻与电压、引信开舱点火信号输出时间等相关引信飞行数据,数据直接存储在微处理器的FLASHROM中。在回收引信后,即可通过通信接口读出所需数据。弹上存贮功能在引信研制阶段非常有用。在科研靶试时,如果出现引信没有作用的情况,可以直接提供飞行时的原始数据,便于问题的查找与定位。

3 可行性论证

3.1 新增模块的影响分析

具有自检测功能的电子时间引信在一般电子时间引信的基础上共增加了两个模块,自检测模块和CAN总线模块,其他功能模块的设计保持不变。增加的模块只在外围工作,没有更改电子时间引信的工作状态。在增加新功能的同时具有良好的继承性,不会对引信的主要技术性能造成不利影响。

3.2 功耗分析

实验室测得电子时间引信工作时的功耗为525.85 mW,增加自检测模块后功耗变为 567.4 mW,约增加了7%,幅度增加不大。使用一般的装定器供电电源,其驱动能力能够满足新的使用要求。

3.3 安全性及失效性分析

对检测点进行检测时,唯有对电点火管的检测可能带来安全问题。

总装完成后引信的电点火管被短路开关短路,不具备可测性,所以对电点火管内阻的检测仅在火箭弹发射后进行。其方法是在电点火管上串联一只1 kΩ电阻,然后通过检测开关接3.3 V直流电源。不测试时,检测开关打开不对电点火管加点。测试时检测开关闭合,通过测量电点火管上的电压即可计算出电点火管的内阻。该方法在测试时经过电点火管的测试电流为3.3 mA,远远小于电点火管50 mA的安全电流,也小于QJ41型电雷管测试仪最大电流不超过27 mA的设计指标。

通过上述对检测流程和检测方法的分析,即使模块出现故障,无法完成通信检测功能,至多导致引信无法正常工作,但不会对引信带来安全性隐患。

3.4 经济性分析

自检测模块采用的微处理器为完全集成的混合信号片上系统型MCU,该处理器集成度高,只需要配合少量的外围器件即可满足检测要求。同时该MCU整合了CAN总线控制器2.0B,只需外挂一个CAN总线收发器,就可以实现CAN总线的通信。因此增加两个模块对于引信整体来说只增加了很少的电路,价格便宜,但能有效提高引信作用可靠性,相对一发火箭弹的成本来说是非常经济的。

3.5 通信接口改变的影响分析

在和武器系统信息交联的接口设计上,电子时间引信一般采用自定义的专用数字编码通信。其与CAN总线通信的性能对比分析见表1。

表1 自定义的专用数字编码和CAN总线通信的性能对比Tab.1 Communication performance comparison of self defined special-purpose digital coding and CAN-Bus

通过对比,不论是在抗干扰能力还是数据传输速率等各个参数方面,CAN总线都优于一般电子时间引信所采用的通信方式。CAN总线驱动芯片采用单片式设计,结构简单、使用方便。采用该接口使得引信与装定器的通信链路具有更强的抗干扰能力、更高的传输速率和灵活性。

3.6 检测数据分析

为验证电子时间引信自检测方法的有效性,在实验室利用C8051F041单片机测试板对电子时间引信控制电路进行了测试,其中电点火管使用10 Ω的电阻模拟,安全与解除保险装置状态由开关模拟。测试试验结果见表2。

表2 测试试验结果Tab.2 Test result

从试验结果能够看出,电子时间引信自检测方法可以对电子时间引信内部的各个参数进行准确测量,常温下测试精度均高于3%,检测后得到的数据可以反映电子时间引信各个关键点的工作状态。

4 结论

本文在一般电子时间引信基础上提出了引信自检测方法,该方法采用新的引信与外部通信接口,引入CAN总线通信方式,在控制电路中增加自检测模块,对引信的工作时序进行局部调整,使引信在生产过程中、火箭弹发射前、火箭弹发射后都具有全面的自检测能力。分析表明,采用新的通信应答方式提高了引信时间装定的可靠性。沿用一般电子时间引信控制电路,保持其工作状态不变,产品具有良好的继承性。实验表明该检测方法能够全面地对引信进行检测,检测方法合理可行。今后针对多引信和装定器通信网络模式下如何简化引信编号方法的问题,还需要作进一步研究。

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[6]潘琢金.C8051F040/1/2/3/4/5/6/7混合信号 ISP FLASH微控制器数据手册[Z].深圳:新华龙电子有限公司,2004.