一种通用的导弹电点火具检测系统设计

李晓颖，刘航航，李云娇，李 波

(1.中国兵器工业第203研究所,西安 710065；2.中国航天第九院十六研究所,西安 710010)

0 引言

点火具是引爆武器系统主装药的引爆装置，点火具能否可靠点火决定着武器系统的功能是否能够实现，目前，导弹、火箭弹等的点火、起爆系统广泛采用电点火具[1]。导弹、火箭弹总装完成后，电点火具的导通电阻是判断电点火具是否正常的重要参数，因此导弹、火箭弹出厂前、入库前、出库前及长期贮存后需要对电点火具的导通电阻进行检测。导弹、火箭弹电点火具一方面导通电阻小，通常在0.5～3.0 Ω之间；另一方面属于火工品，对检测的安全性要求非常高[2-3]。基于导弹、火箭弹电点火具的以上两个特点，要求电点火具导通电阻的检测误差要小，通常要求在-40～+55 ℃条件下检测误差小于等于0.1 Ω；另外，检测电点火具导通电阻的激励电流要小，要远远低于导弹电点火具的安全电流[4]。为了满足检测精度高、安全性高以及通用性强，设计了一种在-40～+55 ℃条件下可通用于不同型号导弹、火箭弹的电点火具导通电阻检测系统。

1 系统总体设计

所设计的通用电点火具(以下简称点火具)检测系统的总体设计如图1所示。该系统由通道切换电路、恒流电路、数据采集电路、控制与数据处理电路、供电电路、显示屏、按键、检测电缆和校准头等组成。

图1 系统结构图

在点火具方面，不同型号的导弹、火箭弹的差异是1#接插件的型号、点火具数量和点火具在1#接插件的引出位置，因此检测系统可以进行通用化设计。为了提高本系统的通用性，设计了通用的通道切换电路，本通道切换电路由继电器阵列组成，实现将被测点火具引入数据采集电路，以采集点火具两端的电压；同时为了提高检测安全性，利用继电器设计了点火具短路保护电路，仅在检测时点火具才能解除短路保险。对于不同型号的导弹、火箭弹，本系统只需适应性地更换检测电缆和稍微修改软件，实现简单方便。本系统的恒流电路为基准电阻、被测点火具提供恒定的小电流激励；数据采集电路实现电阻两端电压的高精度采集；控制与数据处理电路用于接收按键指令、系统控制、数据解算及检测信息的输出；本系统采用标称电压25.2 V的可充电锂电池供电，供电电路用于将电池电压转化为系统需要的电压；显示屏采用北京迪文科技有限公司的分辨率为640×480的宽温串口彩色液晶屏DMG64480K057_01WN，用于显示检测信息；用户通过按键操作本系统；检测电缆用于连接本系统和被测导弹或火箭弹，设计长度为3米；校准头采用与导弹或火箭弹1#接插件同型号的接插件，通过将接插件的所有引出端短接在一起制作而成，检测前需要将校准头连接到检测电缆以获取本系统检测通道和检测电缆上的电阻值(称为校准值)，检测点火具时去除该校准值以得到准确的点火具导通电值。下面将重点分析通道切换电路、恒流电路、数据采集电路、控制与数据处理电路的设计。

图2 通道切换详细电路图

2 硬件设计

2.1 通道切换电路设计

通道切换电路由正通道继电器阵列，负通道继电器阵列和短路继电器阵列组成，如图2所示。对于小型战术导弹、

火箭弹，点火具数量一般小于等于16个，因此本系统设计了16选1的通道切换电路。正通道继电器阵列由4个2组电磁继电器(JRW-210MC-012-01-II)实现16通道选8通道，再由2个2组电磁继电器实现8通道选4通道，再由1个2组电磁继电器实现4通道选2通道，最后由1个电磁继电器实现2通道选1通道，最终实现16通道选1通道。以这种排列方式组成的继电器阵列所用的继电器数量最少。负通道继电器阵列与正通道继电器阵列的构成相同，不再赘述。为了进一步提高检测安全性，通过8个2组电磁继电器的常闭触点对16个点火具进行短路保护，仅在检测时才对点火具解除短路保险。当点火具数量小于16个时，该通道切换电路仍然通用，当点火具数量大于16个时，可以采用本文的方法扩展检测路数即可。另外，本系统采用国营四四三三厂的达林顿晶体管阵列FX2003驱动继电器，FX2003的OC_COM引脚(即9引脚)需要和继电器的12 V供电引脚连接在一起，当FX2003停止驱动继电器时，FX2003的OC_COM引脚为继电器线圈提供泄放通路，将其电压箝位在+12 V，以免损坏达林顿晶体管。

2.2 恒流电路和数据采集电路设计

因为要保证点火具检测的安全性，所以选择的恒流源的输出电流要小；另外为了保证检测的精度，恒流源的输出稳定性要好。基于以上分析，选择AD公司的恒流源LT3092IST#PBF。LT3092仅需要两个电阻器就可设置输出电流的大小，电路实现简单，本系统设置LT3092输出3.92 mA恒定的电流；LT3092的SET引脚具有1%初始准确度和低温漂系数，电流调节性能优于100 ppm/V(在1.5 V至40 V的输入电压范围)。

选择TI公司的18位高精度单电源供电ADC ADS8699IPW采集电压值。ADS8699可通过软件设置输入范围：双极范围包括：±12.288 V、±10.24 V、±6.144 V、±5.12 V和±2.56 V，单极范围包括：0～12.288 V、0～10.24 V、0～6.144 V和0～5.12 V；另外ADS8699具有出色的精度性能：DNL：±0.6 LSB，INL：±1.75 LSB。

选择AD公司的多路复用器ADG1608BRUZ和AD公司的高精度仪表放大器AD620BRZ实现信号调理，AD620仅需要一个外部电阻器来设置增益，增益范围可设置为1～10 000，本系统通过外接一个阻值为2.61 kΩ的电阻器设置AD620的增益为19.9。

选择的基准电阻阻值为5 Ω，精度为0.1%，温漂为10 ppp/℃。

根据本系统的总体设计和所确定的器件指标可知影响点火具检测精度的因素包括基准电阻的误差、ADC的有效分辨率和仪表放大器的偏置误差，具体分析如下：

1)所选基准电阻的精度为0.1%，温漂为10 ppm/℃(即0.1%/100 ℃)，因此基准电阻的全温度误差小于等于0.2%；

2)设置18位ADC ADS8699IPW的量程为0～6.144 V，根据ADS8699IPW的精度可知其有效位数不低于15位，按照15位计算时，每位对应的电压值为0.188 mV/LSB，即ADC的最大误差为0.188 mV；

3)仪表放大器AD620BRZ的输入输出偏置电压全温度范围内最大值为1.085 mV，因此电阻两端的电压采集最大误差为0.188 mV+1.085 mV =1.273 mV。

由欧姆定律可知，被测点火具的导通电阻Rx为：

(1)

式中，Ux是待测点火具两端的测量电压，Re是基准电阻的电阻值，Ue是基准电阻两端的测量电压，则Rx与Ux、Ue、Re之间的微分关系为：

(2)

结合式(2)和Ux的测量误差、Ue的测量误差、Re的误差，可推算出本系统的最大测量误差为0.032 Ω，满足检测精度要求。

详细恒流电路和数据采集电路设计如图3所示。其中，恒流源LT3092IST#PBF(U11)通过20 KΩ(R51)和51 Ω(R52)两个精度为0.1%、温漂为10 ppm的电阻器配置输出3.92 mA恒定的电流；ADG1608BRUZ(U12、U13)在MCU的IO控制下实现八选一通路选择；ADG1608BRUZ(U14)在MCU的IO控制下将阻值为2.61 kΩ的电阻器R58引入AD620BRZ(U15)的增益设置引脚，进而将AD620BRZ的增益设置为19.9；ADS8699IPWR(U16)单5 V供电，外接5 V转4.096 V的基准电压芯片REF5040AIDR(U17)提供4.096 V基准电压，ADS8699IPWR通过SPI进行量程配置和输出电压采集结果；另外，由于AD620BRZ不是轨到轨放大器，并且要放大的是毫伏级的信号，因此AD620BRZ不能单电源供电，需要正、负双电源供电，本文采用+5 V、-3 V供电；图3中的5 V、12 V、-3 V分别经过1/2(R61:10 kΩ、R62:10 kΩ)、1/4(R63:30 kΩ、R64:10 kΩ)、1/2(R65:10 kΩ、R66:10 kΩ)分压，以满足ADG1608BRUZ和AD620BRZ的输入电压范围。

图3 恒流和数据采集详细电路图

2.3 控制与数据处理电路设计

考虑到目前32位ARM微控制器具有很高的性价比，运算和接口资源丰富[5-8]，本设计选用ST公司的ARM Cortex-M4 32位微控制器STM32F407ZET6作为核心控制器件。利用该MCU设计的控制与数据处理电路如图4所示：该MCU 3.3 V供电，通过一个RC复位电路、一个8 MHz的有源晶振、一个32.768 kHz的无源晶振、一个3.3 V转3 V的电压基准芯片和一些简单的配置就可构成工作系统；采用MCU内嵌的SPI1接口完成ADC ADS8699IPW的配置和数据读取；采用MCU内嵌的SPI2接口，外接兆易创新的4 Mb SPI NorFlash GD25Q40CTIGR设计了检测数据存储电路；用MCU内嵌的UART控制器，外接TI公司的电平转换芯片MAX3232IPW构成RS232，用来将显示信息发送给显示屏；继电器阵列的控制信号直接利用MCU的IO实现；利用MCU的IO设计了4行×4列按键扫描电路，用于操作检测系统；利用MCU的IO实现多路复用器的通路选择。

3 软件设计

图4 控制与数据处理详细电路图

本检测系统软件采用模块化设计，具体包括主程序模块、按键扫描模块、显示模块、自检模块、通路校准模块、检测模块、数据存储模块和数据查看模块等。其中，主程序模块首先完成系统初始化，包括MCU时钟、IO、SPI、UART等初始化，ADS8699初始化，然后等待按键操作，根据不同的按键值执行自检、通路校准、检测或数据查看等功能。按键扫描模块通过逐行逐列扫描方式和消抖处理获取按键值，消抖处理时间可以选择10～20 ms。根据串口液晶屏DMG64480K057_01WN的《工业串口屏指令集》，显示模块将要显示的图文界面通过RS232发送给串口液晶屏，图文界面包括主界面、自检界面、通路校准界面、检测界面和查看界面；其中，主界面是检测系统启动后进入的界面，在主界面下用户根据界面上的提示可以通过按键选择操作自检、通路校准、检测或数据查看；自检界面不仅能够显示总的自检结果还能够以列表方式显示每一项自检内容，列表的每一行具体包括序号、自检内容、标称值、误差和自检结果，自检结果正常用绿色字体显示“正常”、自检故障用红色字体显示“故障”；通路校准界面同样不仅能够显示总的通路校准结果还能够以列表方式显示每一路的校准结果，列表的每一行具体包括序号、信号名称、参考地、标准值、检测值，检测值在标准值范围内用绿色字体显示具体检测值、否者用红色字体显示具体检测值；检测界面的显示内容和显示方式与通路校准界面的一样，唯一的不同是列表的标题不一样；查看界面也是以列表方式显示，显示内容和显示方式在后面的数据查看模块中有具体介绍。自检模块是为了证明检测系统硬件资源完好，保证下一步检测工作的硬件条件正常，包括3.92 mA恒流源自检，关键电压自检，存储NorFlash自检和按键自检，只有自检正常才能进行通路校准和检测操作，以保证检测的正确性和提高检测的安全性。通路校准模块逐通道测量检测通道和检测电缆上的阻值(该阻值称为校准值)，如果所有通道的校准值均小于等于6.0 Ω，则通路校准正常，存储校准值，否则通路校准失败，不存储本次校准值，通路校准失败禁止执行检测操作。检测模块逐通道测量点火具阻值，测量完成减去相应通道的校准值得到准确的点火具阻值，所有通道测量完成后存储检测结果，然后显示总的检测结果和各分项检测结果，通过按键可以上、下页切换显示各分项检测结果。数据存储模块最多存储100组检测结果数据，如果存储的检测结果个数大于等于100组，则移除存储时间最早的一组。数据查看模块用于将存储的总检测结果按照时间顺序由新到旧显示在显示屏上，通过按键可以上、下页切换总检测结果，也可通过按键查看每一组的各分项详细检测结果。

4 实验结果与分析

该检测系统经过了多种环境试验，包括高温贮存试验、高温工作试验、低温贮存试验、低温工作试验、温度循环试验、湿热试验和可靠性试验等，并且已应用于多个武器系统，在环境试验和实际应用中，该系统安全可靠，检测误差小于0.03 Ω，该系统安全性高、精度高、通用性强得到了有效地验证。

5 结束语

本文介绍的一种通用的导弹、火箭弹电点火具检测系统适用于导弹、火箭弹电点火具导通阻值的检测, 为评估导弹、火箭弹的点火具状态提供了一个有效的工具, 该检测系统安全性措施全面有效、精度高、通用性强，已在多个武器系统中成功应用，取得了良好的经济价值。