基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路

李晓晨，柳海斌，李　仿

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安　710065；2.西北工业集团，陕西 西安　710043)



基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路

李晓晨1，柳海斌1，李仿2

(1.西安机电信息技术研究所，陕西 西安710065；2.西北工业集团，陕西 西安710043)

摘要:针对以磁电机为电源的引信模拟控制电路控制精度低、抗干扰能力差的问题，提出了基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路。该电路用稳压器和微控制器组成的数字电路替代RC计时电路，采用专用的发火控制电路取代闸流管。试验表明该电路功耗低，工作电流稳定，控制精度高。

关键词:引信；磁电机；低功耗；数字控制电路

0引言

磁电机是引信一种常用的物理电源，通常利用后坐力或碰目标惯性力发电[1]。磁电机具有体积小、重量轻、输出电压滞后时间短、使用温度范围宽、能长期存储、可100%进行检验等优点。但是，磁电机还有不能长时间供电、输出能量小(几个毫焦)等缺点[2]。这些缺点使磁电机大多应用于平射的、弹道时间短的火箭弹和破甲弹引信，而且引信工作电路多为模拟控制电路，而模拟电路具有控制精度低、抗干扰能力差等问题。目前引信数字控制电路的功耗最低如文献[3]所述为14 μA[3]，相对于磁电机几个毫焦的输出能量功耗仍然偏大，不能满足远射程弹引信全弹道工作的使用要求。本文针对上述问题，提出了基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路。

1以磁电机为电源的模拟控制电路功耗

1.1以磁电机为电源的引信模拟控制电路

由于磁电机输出能量少，所以目前以磁电机为电源的引信控制电路均采用模拟电路。磁电机在发射过载作用下工作，给电路工作储能电容和发火储能电容充电。当弹丸碰目标时碰合开关闭合，计时电路开始计时，计时到时后RC计时电路控制闸流管导通，发火储能电容向雷管放电，引信发火[4]。原理框图如图1所示。

图1　模拟控制电路原理框图 Fig.1　Principle block diagram of analogue control circuit

1.2以磁电机为电源的模拟控制电路功耗

由图1可知以磁电机为电源的模拟控制电路的功耗由RC计时电路的功耗和工作储能电容、发火储能电容的漏电流功耗组成。

电容的漏电流表示为[3]：

(1)

式(1)中，UC为电容两端的电压，单位为V，CR为电容的容量，单位为μF，IC单位为μA。在本文所述的模拟控制电路中工作储能电容C1容值为1μF，发火储能电容C3容值为0.33μF，磁电机在发射过载作用下将工作储能电容充电至40V，将发火储能电容充电至100V。根据式(1)计算发火储能电容的漏电流为0.33μA，工作储能电容的漏电流为0.4μA。碰合开关闭合后工作储能电容C1开始通过R1向电容C2充电，900μs后C2电压达到闸流管D1的正向转折电压2V，闸流管导通，发火电容C3向雷管放电引信发火。电路模型如图2所示。电容C2的容值为0.01μF，通过计算RC计时电路的充电电流为22μA，整个模拟控制电路的功耗为22.7μA。

图2　RC计时电路电路模型Fig.2　Model for RC timing circuit

2基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路

基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路原理框图如图3所示。电路由磁电机、工作储能电容、发火储能电容、稳压器、微控制器和发火电路组成。

图3　数字控制电路原理框图Fig.3　Principle block diagram of digital control circuit

与图1相比，基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路用稳压器电路和微控制器代替RC计时电路来实现延时发火和自毁等功能，用专用的发火电路取代闸流管来控制引信发火。软件延时发火和自毁与RC计时电路相比计时精度高，受温度的影响小。基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路中通过能量匹配、设计低功耗的硬件和软件来降低整个引信数字控制电路的功耗。专用发火电路与闸流管相比启动能量高，提高了电路的抗干扰能力。

2.1低功耗的微控制器及其控制软件

基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路中微控制器采用了nanoWattXLP极低功耗技术。为了降低功耗，同时又能保证微控制器可靠控制发火电路向雷管发火，设置微控制器在3.3V低电压模式下工作。微控制器输入/输出口的输入阻抗极高，容易感应电荷，随着电荷的积累极有可能导致输入/输出口在高低电平间跳变，这些跳变可以把微控制器从低功耗的休眠模式中唤醒，使微控制器进入全功耗工作模式，造成能量的急剧消耗。为了使微控制器工作稳定可靠，通过下拉电阻把微控制器未使用的输入/输出口连接到微控制器的电源地。

微控制器采用了休眠模式。休眠模式是微控制器标准的低功耗模式，在休眠模式下该微控制工作电流仅有0.7μA，而且进入和退出休眠模式的能量开销极小。将微控制器从休眠模式唤醒时间非常短，能够满足引信瞬发度的要求。微控制器上电后快速完成系统参数的初始化，系统初始化的时间仅有几十微秒，消耗的能量少。系统初始化完成后，微控制器进入休眠模式。自毁到时或者碰合开关闭合都能将微控制器从休眠模式唤醒，微控制器控制发火电路导通，引信发火。

2.2低功耗的稳压器电路

基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路中采用了集成的低压差线性电压稳压器。稳压器的功耗与输入/输出电压差有关，输入/输出电压差越大稳压器的工作电流就越大。在电路中，将工作储能电容器由4.7μF增大到9.4μF，使得通过能量匹配增大工作储能电容的容量来降低工作储能电容电压，使稳压器的输入/输出电压差减小，降低稳压器初始工作的功耗。随着微控制器的工作消耗，储能电容上的电压变低，不过，由于微处理器功耗极低，电压变化较慢。通过能量匹配稳压器初始功耗低，随着稳压器输入/输出电压差减小，稳压器的功耗还会降低。

3分析及试验验证

依据上述对基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路的软件和硬件设计，制作了基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路原理样机，对电路的工作电流、工作时间和延时精度进行测试。

3.1数字控制电路功耗分析

由图3可知基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路的功耗主要由稳压器的功耗和微控制器的功耗组成。稳压器采用低压差线性电压稳压器，该稳压器静态工作电流只有1μA，输入/输出电压差低可以充分利用工作储能电容上的能量，是低功耗系统的一种理想的稳压器。微控制器的功耗是整个电路最主要的功率消耗来源。微控制器的功耗主要由微控制器的电源电压和工作频率决定。降低微控制器的电源电压、工作频率可以降低微控制器的功耗。另外，微控制器软件采用了休眠模式，在休眠模式下微控制器的工作电流仅有0.7μA。微控制器和稳压器总的功耗为1.7μA比RC计时电路22μA的功耗小了一个数量级。

3.2静态试验

工作储能电容为两个4.7μF陶瓷电容并联，微控制器工作电压3.3V，工作频率4MHz，用程控电源将工作储能电容充电至不同的工作电压测试电路的工作电流和工作时间，试验数据如表1所示。

由表1可以看出电路在储能电容不同的工作电压下均能正常工作，工作电流小于3μA，工作电流稳定，达到了电路低功耗设计的目标。储能电容充电电压大于等于20V时，电路工作时间大于60s，大于中大口径榴弹的弹道飞行时间，可以将基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路应用于中大口径榴弹引信。另外，由表1可以发现，随着工作储能电容充电电压的升高工作电流略有增加。经分析，电路工作电流的增加并不是由微控制器和稳压器的工作电流的增加造成的，而是由电路中工作储能电容和滤波电容的漏电流增加造成的。

表1　静态试验结果数据表

3.3动态试验

电路按照3.1所述条件，用马歇特锤击磁电机给电路供电，该磁电机在不小于1 000 g的发射过载下可以可靠工作。用1 000～5 000 g过载模拟火箭弹的发射过载，用10 000～30 000 g过载模拟中大口径榴弹的发射过载。用示波器测试工作储能电容电压与微控制器的工作时间，并通过储能电容电压和工作时间计算电路的工作电流，试验结果如表2所示。

表2　动态试验结果数据表

由表2可以看出，基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路在大于1 000 g的发射过载作用下电路工作时间不小于40s，在大于10 000 g的发射过载作用下电路工作时间不小于60s。理论计算电路工作电流稳定，均小于3μA，与静态试验中电路的工作电流基本一致。与文献[3]所述电路相比，基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路在微控制器工作电压高0.3V、工作频率高200倍的条件下，电路工作电流降低了一个数量级。

基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路的自毁时间设定为64 s，自毁到时后电路输出1 ms宽的发火控制信号。用马歇特在10 000g的过载条件下锤击磁后坐发电机给引信供电，测试电路的发火控制信号。电路的测试曲线如图4所示。

图4　电路输出发火控制信号曲线图Fig.4　The Ignition control signal of firing control circuit

图4中，示波器通道1测试的是工作储能电容上的电压信号，通道2测试的是微控制器的电源电压信号，通道3测试的是发火控制信号。经测试64 s自毁到时后电路输出1 ms宽的发火控制信号，由图4可以看出自毁到时时工作储能电容具有5 V电压，电容仍有能量维持电路工作。电路输出发火控制信号后16 ms工作储能电容电压4 V，稳压器停止工作，微控制器电源电压由3.3 V开始下降，电路停止工作。由图4可以看出，磁后坐发电机在10 000g的过载作用下，基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路64 s自毁到时后能够输出发火控制信号，而且在电路输出发火控制信号后工作储能电容仍有能量维持电路工作16 ms。

试验表明基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路在不同的发射过载作用下工作电流稳定，小于3 μA。磁电机在10 000g的过载作用下，电路64 s自毁到时能够可靠输出发火控制信号，且电路输出发火控制信号后工作储能电容仍有能量维持电路工作16 ms。

3.4温度试验

电路按照3.1所述条件，延时发火时间设定为900 μs，在常温+25 ℃、高温+50 ℃、低温-40 ℃的条件下各对五发模拟电路和数字电路测试延时发火时间，试验结果如表3所示。由表3可以看出，基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路在全温度范围内延时精度为0.8%，以磁电机为电源的引信模拟控制电路在全温度范围内延时精度为3.3% 。基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路与模拟控制电路相比在全温度范围内延时精度提高四倍。

表3　温度试验结果数据表

4结论

本文提出了基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路。该电路用稳压器和微控制器组成的数字电路替代RC计时电路，采用专用的发火电路控制电路取代闸流管。通过能量匹配、设计低功耗的稳压器电路、设计低功耗的微控制器外围电路和低功耗的软件等措施降低引信数字控制电路的功耗。试验表明该电路功耗低，工作电流稳定，控制精度高。基于极低功耗微控制器的引信数字控制电路为以磁电机为电源的引信电路提供了新型的应用方式，为引信电路的低功耗设计提供了新的技术途径。

参考文献:

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[5]黄继昌.电子元器件应用手册[M].北京：人民邮电出版社,2004.

Fuze Digital Control Circuit Based on Very Low Power Consumption Micro Controller

LI Xiaochen1，LIU Haibin1，LI Fang2

(1. Xi 'an Institute of Electromechanical Information Technology，Xi 'an 710065，China；2. Northwest Industries Group，Xi 'an 710043，China)

Abstract:The fuze analog control circuit with magnetoelectric generator has the problems of low control accuracy and poor anti-interference performance. Aiming at this problem, a digital control circuit of fuze based on very low power consumption micro controller is proposed. The electric circuit used digital circuit consisting?of voltage regulator and microcontrollers as substitute for RC timing circuit. In addition, the electric circuit also used special firing control circuit as substitute for thyratron. The tests indicated that, the electric circuit had low power dissipation, stable working current and high control precision.

Key words:fuze; magnetoelectric generator; very low power consumption; digital circuit

中图分类号:TJ431.5

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2016)02-0006-04

作者简介:李晓晨(1982—)，男，山东潍坊人，硕士，研究方向：机电引信。E-mail：linqu262600@163.com。

*收稿日期:2015-12-15