基于数字加速度计的智能倒置开关

张红艳，潘保青，马铁华

（1.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京100094）



基于数字加速度计的智能倒置开关

张红艳1*，潘保青2，马铁华1

（1.中北大学计算机与控制工程学院，太原030051；2.北京跟踪与通信技术研究所，北京100094）

摘要：倒置开关是实现放入式电子测压器电源控制和低功耗的关键部件，已研制的几种倒置开关在靶场试验中多次出现上电不可靠的问题。为了提高膛压测试的可靠性，运用微机械数字加速度计设计了一种智能倒置开关，该开关采取双重判断机制对上电条件进行判断，可靠性高。利用马歇特锤试验机进行了抗冲击性能检测，结果表明，该开关最大能承受45 000 gn。设计的可靠性检测系统，能模拟实际工作环境，对倒置开关进行筛选，提高了工作可靠性。该开关可推广应用于其它存储测试系统。

关键词：倒置开关；数字加速度计；电源控制；膛压测试

放入式电子测压器（以下简称测压器）是火炮膛压专用测试仪器，它将传感器、采集、存储及数据通信电路、随行电池集成在高强度壳体内，使用时直接放入药筒底部或药室内，自动测量射击时的膛压变化，事后回收读取测试数据［1］。

火炮内弹道试验方法中规定，测压器的体积不应超过药室容积的2.5%，在射击试验前测压器必须在低温（-40℃）、常温（20℃～25℃）及高温（+55℃）环境下与弹药一起保温至少48 h［2］。测压器从接通电源到保温再到测试数据要经历2 d～3 d的时间，电池容量有限，必须减小系统功耗。倒置开关是实现测压器电源控制和低功耗的关键部件。随弹药保温时测压器处于微功耗状态，只有耗电微安级的“值更”电路工作，以感应倒置开关的动作。按照弹药安全规程，弹药在保存、保温、运输状态只允许平放或弹丸前端朝上放置。保温结束，在射击试验前5 min～10 min，使用专用翻弹机把弹药按非常规姿态（弹丸的前端朝下）倒置0.5 min以上，通过倒置开关和电源控制器控制测压器的上电（从微功耗态转到准备采样态）。

已经研制的水银式、双球式、干簧管式、电容式和光电式倒置开关等，由于工艺限制，存在体积大、低温性能差等缺点，靶场试验中多次出现上电不可靠的问题，影响了膛压测试的可靠性［3-4］。为此，采用微机械数字加速度计MMA8453Q设计了具有功耗低、体积小、抗冲击能力强、温度范围宽、可靠性高的智能倒置开关。

1　智能倒置开关的设计

1.1加速度传感器特性

MMA8453Q是3轴微机械数字加速度传感器，有3个量程：±2 gn/±4 gn/±8 gn，可用于方向检测、三维姿态检测、航迹推算或倾斜精度检测［5-6］。工作电流仅为6μA，待机状态下电流为1.8 μA，功耗极低。带有电源管理功能，支持睡眠模式。供电电压范围1.95 V~3.6 V，工作温度范围是-40℃～+ 85℃，其体积为3 mm×3 mm×1 mm。内部补偿纠正寄存器可弥补安装造成的倾角误差。数据通过I2C接口进行传输，对内部多个功能寄存器编程。可检测多种动作，能够智能判断动作种类，带有正面/背面检测模式［7］。有两个相互独立的中断引脚，当外界动作符合中断条件时就会向外界输出一个电平可编程的中断信号，即上电控制信号。图1是MMA8453Q 3轴方向示意图，图2是其电路原理图。

图1　MMA8453Q三轴方向示意图（俯视图）

图2　MMA8453Q电路原理图

1.2工作原理

单片机、ARM、DSP、CPLD和FPGA等都具备I2C接口或模拟I2C接口的功能，这类器件与数字加速度计MMA8453Q共同构成了智能倒置开关。图3是智能倒置开关的原理框图。

图3　智能倒置开关的原理框图

图4是倒置开关在智能倒置开关在测压器中的安装示意图。图5是倒置开关的使用示意图。当测压器随弹药保温时，弹药平放或弹丸前端朝上放置，如图5（a）或5（b）所示，倒置开关中加速度计的z轴向上或水平，此时测压器处于微功耗状态。射击试验前，利用翻弹机将弹丸倒置，如图5（c）所示，倒置过程中，加速度计的Z轴角度会发生改变，直到等于或大于设定的角度阈值，并满足一定的上电条件，倒置开关输出上电信号使测压器进入到准备采样态，随后倒置开关进入待机模式。MMA8453Q既是传感器又是执行器，可以对外界动作变化做出感应，同时又能输出上电控制信号。

图4　智能倒置开关在测压器中的安装示意图

图5　智能倒置开关的使用示意图

1.3防误上电设计

倒置开关是实现测压器电源控制的关键部件，其可靠性直接影响膛压测试的可靠性［8］。倒置开关的可靠性问题主要是误上电，误上电是由测压器在与弹药的装配、运输和保温过程中倒置开关误动作引起的，误上电会使测压器在试验前电量耗尽［9］，为了防止误上电，智能倒置开关采取了双重判断机制对上电条件进行判断。

倒置开关使用了MMA845Q的正面/背面模式检测，当加速度计从正面（Z轴重力为1 gn）旋转115°，便默认加速度计的姿态是背面。在现场试验时，此过程就是将弹丸前端从竖直向上转向地面。

设计中先利用加速度计的防抖动功能进行判断，若连续10 s内倒置开关都处在背面姿态，倒置开关电路输出中断信号，测压器的主控芯片接收到中断信号后再开启I2C通信功能。然后测压器的主控芯片通过I2C总线不断读取加速度计Z轴加速度值，若连续20 s内此值都小于-0.8 gn，则认为满足上电条件。即倒置开关必须连续倒置30 s以上才会产生上电信号。

图6是智能倒置开关的姿态与Z轴所受重力值的关系示意图。倒置开关的导通角区域为36°，双重判断机制能够保证测压器的可靠上电。

图6　智能倒置开关通断姿势示意图（侧视图）

2　性能测试

2.1抗冲击试验

膛压测试时测压器要承受数千个gn的冲击加速度，因此，智能倒置开关能否承受高冲击是其研制的关键。为了提高倒置开关的抗冲击性能，采用树脂胶真空灌封工艺对电路板进行二次灌封，再利用马歇特锤实验机对倒置开关进行抗冲击性能检测［10-11］。

马歇特锤实验机的锤头上同时安装标准加速度传感器（BK8309）和倒置开关，如图7和图8所示。从5 000 gn开始测试，逐渐增加冲击强度，每个量程进行2次冲击试验，冲击后将智能倒置开关与测压器的控制电路联通，倒置5次，检验倒置开关能否正常工作。

图7　马歇特锤实验机

图8　标准加速度计和倒置开关安装位置示意图

试验结果如表1所示，表1中a1、a2和a3分别是3个倒置开关受到的冲击加速度。图9为标准加速度传感器输出的加速度曲线。试验结果表明，在超过45 000 gn时倒置开关已不能正常工作，采用数字加速度计的智能倒置开关具有45 000 gn的抗过载能力。

表1　倒置开关抗冲击试验结果

图9　抗冲击试验加速度曲线

2.2可靠性试验

倒置开关的可靠性是指其是否具有在高温、低温和常温环境下产生上电控制信号使测压器完成工作状态转换的能力。倒置开关的可靠性试验以筛选试验为主，根据倒置开关的工作原理，设计可靠性检测系统，模拟倒置开关的实际工作环境，对所有的倒置开关进行筛选。

可靠性检测系统原理框图如图10所示，实物图如图11所示。

图10　倒置开关检测系统原理框图

图11　倒置开关可靠性试验装置

检测系统由小功率电机、转筒和硬件检测电路三部分组成。检测系统工作分别工作在低温箱、高温箱和常温环境，被检测倒置开关固定在检测电路上，检测电路被固定于转筒的槽中，转筒最多可装16个检测电路。小功率电机带动转筒一起做匀速圆周运动，每转一圈模拟每一个倒置开关一个工作周期的倒置过程，而且能不间断的、多个倒置开关一次性进行检测。选择的电机能够在低温和高温环境正常工作，满足开关检测的工作环境要求。对每一个倒置开关来讲，在检测系统旋转一周的过程中，需要检测开始进入倒置状态的空间角度、在倒置状态能否保持30 s以上、脱离倒置状态的空间角度等3个状态参数。在低温和高温环境检测时，倒置开关至少先保温48 h。

4　结论

针对测压器上电不可靠问题，采用微机械数字加速度计MMA8453Q设计了一种新型的智能倒置开关。该倒置开关具有体积小、功耗低、抗冲击能力强、温度范围宽、可靠性高等特点。该开关已应用于测压器，大大提高了膛压测试的可靠性和靶场工作效率，也可推广应用于其它存储测试系统。

参考文献：

［1］王卿.放入式电子测压器的智能化设计及校准技术研究［D］.太原：中北大学，2011：1-2.

［2］GJB 2973A—2008火炮内弹道试验方法［S］.北京：总装备部军标出版发行部，2008.

［3］刘帅.光电倒置开关检测系统的研究［D］.太原：中北大学，2011：4-8.

［4］杨艳.关于倒置开关可靠性的研究［D］.太原：中北大学，2011.

［5］杨江涛，马喜宏，邬琦. MEMS微加速度计在振动环境下的可靠性研究［J］.电子器件，2015，38（2）：398-401.

［6］杨要恩，孙幸成，王庆敏.一种新型MEMS加速度传感器的研制［J］.电子器件，2013，36（2）：235-238.

［7］MMA8453Q Data Sheet：Technical Data［Z/OL］. http：//www.fre⁃escale.com.cn/Products/sensors/MMA8453Q.asp，2010-10.

［8］Zu Jing，Zhang Zhijie，Chen Anshi，et al. New concept Dynamic Testing and Calibration Techniques［C］//Proceeding of MSC，USA，2006：1663-1666.

［9］Zu Jing，Lin Zusen，Fan Jingbiao，et al. Study on Calibration Tech⁃nique of High Impact Acceleration Sensors［C］//Proceedin g of MSC，USA，2008.

［10］赵冬青，赵杰，甄国涌，等.硅振荡器的抗高过载实验设计与分析［J］.电子器件，2013，36（3）：332-335.

［11］周智君，石云波，唐军，等.一种大量程加速度传感器的性能测试［J］.传感技术学报，2013，26（6）：834-837.

张红艳（1978-），男，汉族，安徽淮北人，讲师，主要从事动态测试与智能测控方面的研究，snow-zhang@163.com；

潘保青（1971-），女，汉族，上海青浦人，助理研究员，硕士，主要从事兵器测试理论、试验技术研究，dragon-princess@ sina.com。

Analysis on Conduction Mode of Flyback Transformer Based on Current Ripple Ratio*

ZHOU Youping，CHEN Guojie*，LI Bin

（School of Science，Foshan University，Foshan Guangdong 528000，China）

Abstract：A method to design a flyback transformer and distinguish its conduction modes is proposed based on the current ripple ratio. An equation for the flyback transformer going into the discontinuous conduction mode from the initial continuous conduction mode is derived by using this method. According to the equation，the calculation is performed by MATLAB，and the effects of the input voltage，load current or reflected secondary voltage on the con⁃duction mode of the flyback transformer are analyzed. The calculation indicates the greater the minimum current rip⁃ple ratio or reflection voltage is，the more easily the flyback transformer goes into the discontinuous conduction mode when the input voltage increases or load current decreases. Then，a 24 V 1.5 A flyback switching power sup⁃ply is designed，and the current waveforms of the flyback transformer are measured. The experiment shows that the measured results are agreement with the derived equation，and the current ripple ratio is more intuitive and easier to be measured than the current wave factor.

Key words：flyback transformer；current ripple ratio；conduction mode；analysis

doi：EEACC：214010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.017

收稿日期：2015-04-14修改日期：2015-05-13

中图分类号：TN606

文献标识码：A

文章编号：1005-9490（2016）01-0077-04