水雷直列式保险起爆装置检测仪研制

陈兴球

摘  要：研制了一种手持式水雷直列式保险起爆装置检测仪，采用电平信号模拟某水雷引信工作时序中的各个环境信息。检测仪以Altera公司的MAX Ⅱ系列的EPM1270T144C5N为主控制芯片，既可以对直列式保险起爆装置的功能进行检测，也可以做为试验用起爆控制器。检测仪与直列式保险起爆装置还可以采用有线和无线两种方式互联。检测仪自身也可以加入时序识别，并且通过下载端口可以更改时序来实现保密输入。实现防止非操作人员的误操作，提高试验的安全性。

关键词：CPLD;直列式保险起爆装置;检测仪

1前言

水雷是一种性价比极高的水中兵器，可以用来抗登陆作战，封锁敌岛屿，港口和基地;破坏敌人运输线，对舰船进行破坏。并且可以对敌方造成心理上的威慑。因此水雷具有极高的作战价值，被各国海军所重视。

直列式保险起爆装置最早应用于核起爆，外军在二十世纪八十年代后大量应用于常规武器战斗部起爆。直列式保险起爆装置又称非隔爆起爆系统，即起爆传爆序列中个元件之间无任何机械的隔断（包括错位）。不再使用敏感的始发药剂，而直接依靠高速的冲击飞片撞击钝感药柱，实现冲击起爆，激发条件是上千安培的冲击大电流。具有极高的安全性和可靠性，因而在水中兵器中有着广阔的应用前景。此外使用直列式保险起爆装置可以大幅减少水雷武器系统的勤务处理和战时准备工作量。本文研制的直列式保险起爆装置检测仪既可以对直列式保险起爆装置的功能进行检测，也可以做为试验用起爆控制器。

通常的直列式保险起爆装置原理如图1所示。

2时序设计

直列式保险起爆装置根据检测仪模拟输入的环境信号，判断其是否符合解除各类保险的条件，来决定是否解除保险起爆，并根据检测仪的引爆指令完成冲击大电流输出，使冲击片雷管起爆。为提高安全性和可靠性，直列式保险起爆装置对检测仪提供的电平信号进行阀值、时序、时间窗、脉宽的判别。

为模拟水雷的工作时序，设计了图2的时序。其中start为计时零点信号，一般由水压开关驱动供电;EV1代表水雷入水延时信息，确认该信息后直列式保险起爆装置解除第一道静态保险;EV2表示水雷沉底环境信息，在这两信号出现之前其他信号出现时直列式保險起爆装置将视为无效信息，确认EV2后直列式保险起爆装置解除第二道静态保险;EV3表示发现目标的环境信息，此信号需在沉底信号来到之后，在规定的一段时间之后到来才能有效，EV3确认无误后，直列式保险起爆装置才解除第三道静态保险，起爆装置为高压电容器充电待发;EV4表示起爆指令，此信号必须在第三个信号发出之后规定时间内到来视为有效，直列式保险起爆装置根据EV4引爆冲击片雷管及直列式传爆序列，最终引爆水雷战斗部。

3检测仪设计

检测仪采用Altera公司的EPM1270 CPLD芯片作为主控制器，具备向直列式保险起爆装置发送环境电平信号的功能和对输入信号判断功能。CPLD接收到时钟信号后，进行分频，当接收到start信号后开始计时，CPLD内部是由四个计数器组成，第一个计数器是十进制，第二个是六进制，剩下两个也是十进制。然后转换成七段码，显示时间。手动时序信号输入后，信号分别进入两个模块，一个模块不进行逻辑判断，另一个模块进行逻辑判断，输出时由外部开关决定是否使用逻辑判断。当接收到5V反馈信号后，认为可以触发，CPLD发出一个方波信号，使得LED闪烁。CPLD分为内核心和外部I/O模块供电，为方便设计，内部核心及外部I/O均使用3.3V供电，使用66MHz有源晶振，下载使用JTAG口下载，有TDI、TDO、TCLK、TMS四个管脚，其中TDI为串行数据输入端，TDO为串行数据输出端，TCLK为串行时钟，TMS为JTAG的状态机模式控制端。显示有两个4位7段数码管，10个LED指示灯。一个7段数码管用来显示计时时间，另一个7段数码管用来显示5V反馈电压。EV1-EV4的信号输入状态有LED显示。反馈回来的S1-S6（S1代表的是静态开关1闭合状态反馈值，S2代表的是动态开关2闭合状态，S3代表动态开关状态，S4是高压状态检测信号，以及S5解除保险状态信号，S6错误状态反馈）。状态也有LED显示，当LED发光时代表工作正常，不亮时代表尚未工作。检测仪CPLD内部逻辑图见图3。

4电压跟随器设计

以电压跟随器设计为例，如图4.需要检测的是S1-S6信号和一个5V反馈信号，S1-S6为电平信号，因此采用电压比较器OPA2335，因为是手持式检测仪，使用4节干电池供电，因此很容易得到4.5V电压，4.5V电压接负端，反馈信号接正端，反馈信号为5V电平信号，当状态正常时，直列式保险起爆装置反馈给检测仪5V电平信号，因而输出端向CPLD输出一个信号。5V反馈信号需要显示器反馈的电压值以判断，首先接收到信号后先通过由OPA2335搭建成的电压跟随器中，接入ADC08904芯片，ADC08904为8位逐次逼近的模数转换器。然后转换的8位数据出送给CPLD，再进行编码然后在7段数码管上显示其数值。

5电无线控制模块设计

由于在实际引爆试验中，为保证试验人员安全，必须远距离起爆，因此检测仪还设计了无线控制功能，无线控制功能可以省去上百米的电缆，并且降低对检测仪远距离驱动能力的要求，降低了对通信线路阻抗的匹配性要求，有利于试验现场的管理和安全操作。

无线控制工作原理主要依据的是，将输入经济的每一个电平信号赋予一个八位编码，然后是使用串口通信，输出给无线发送模块，无线发送模块采用工作频率在433MHz的无线透明传输模块，可靠传输距离可达800m，满足安全试验的范围，数据波特率为9600bps，接口未UART或者USB接口，可采用5V或者3.3V供电，手动输入有4个信号，反馈有S1-S5一共五个信号。分别进行编码，然后在CPLD芯片中设计一共串口模块。当CPLD芯片接收到上述信号后生产一共与之对应的8位码，然后传输到串口模块，串口输出给无线传输模块。由于CPLD的I/O口使用的是3.3V供电，因此可以允许最大5V电平输入，3.3V也可以驱动无线传输模块，因而将无线传输模块的指接接在CPLD的I/O口上。

6电源设计

检测仪需要分别对其核心和外围接口供电，如图5。其核心电路都可以接1.8V、2.5V、3.3V三种供电方式，I/O接口可以接1.5V、1.8V、2.5V和3.3V四种电压。由于3.3V可以与5V的电平电路兼容，为了其它器件方便连接，所以选用外围接口电路的供电电压为3.3V。为了简化电路，因此内部核心电路供电电压也选用为3.3V。因此电源需提供一个3.3V的电压，这里采用TI公司的TPS60501芯片。TPS60501的转换效率为90%，输入电压为2.5V-6.5V，输出电压为3.3V，最大输出电流为250mA。休眠时的功耗为40μA，关断时可以将电池隔断。电容Co为22μF的陶瓷电容，Ci为4.7μF的陶瓷电容，C1F和C2F均为1μF的陶瓷电容，R1取位10MΩ电阻。EN为信号接收端，可接收不超过7V的电平，接地时芯片开始工作。PG为开漏电源探测器，当电压达到预定值的97%时，PG引脚为高电平。

7起爆试验验证

检测仪已经应用与直列式保险起爆装置的功能检验，其中日常功能检验采用冲击片雷管代用件，检验保险功能和起爆功能，驱动直列式保险起爆装置短路放电超过500次，均正常使用。此外检测仪还用于直列式保险起爆装置起爆试验中，其中起爆冲击片雷管超过30发，起爆带导爆管的传爆试验超过15发，起爆聚能传爆管的传爆试验4发，均正常工作。

8结论

经过近3年的使用，证明此检测仪性能优秀。既可以对直列式保险起爆装置的功能进行检测，也可以作为试验用起爆控制器。无线控制器的试制是新的探索，会对今后的起爆试验带来极大方便。

参考文献

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