一种用于无人直升机平台的火工品点火电路设计

蒋茂源　王强

摘要：为设计一款应用于无人直升机平台的低成本高可靠的火工品点火电路，进行了点火电路的设计研究。该电路基于STM32和P-MOS，并对STM32在初始过程中的不定态进行了优化。通过电路仿真分析及测试验证，给出了可通过软硬件对点火控制进行优化的结论。应用结果表明：该电路设计成本低，能可靠实现火工品的点火控制，可有效防止误触发，可为其他STM32控制电路提供参考。

关键词：STM32;点火电路;误触发

中图分类号：TP273  文献标识码：A

引言

部队作战水平的提高离不开日常的刻苦训练。因模拟训练需求，需要一款可以挂载并发射火工品的无人直升机平台。此电路主要针对使用电起爆器的发火元件，电起爆器的激活主要由点火电流和功率决定，电能通过具有一定阻值的桥丝转化为热能，加热桥丝周围的点火药并起爆主装药，动作瞬间完成。因火工品的特殊性，故除了在预定的点火时刻外，不能因任何元件和线路以及随机因素等影响而误触发起爆火工品。本文在火工品的安全性和可靠性及无人直升机靶机的成本控制的基础上，提出了一种基于STM32及MOS管的点火控制电路设计方案，能够保证点火任务顺利执行。

1 火工品点火电路工作原理

该火工品点火电路主要包括2个供电电路、一个通信及控制电路、一级开关电路、二级开关电路、检测电路、保护电路等模块组成。该点火电路整体设计框图如图1所示。地面控制指令通过链路发送到空中的通信及控制电路，可设置不同的触发模式，通信及控制电路接收指令后，分别采取不同动作，反馈电路会把动作执行状况反馈给通信及控制电路，方便STM32根据执行状态设计相关的安全策略，同时将执行状态通过链路回传给地面。在开关电路和火工品之间加入保护电路，防止因火工品点火而对前端电路造成影响。

2 火工品开关电路硬件电路设计

该开关电路受STM32控制，用MOS管的D极作为输出，需考虑MOS管最大功率及响应时间。用光耦芯片作为内外地隔离，需考虑光耦的响应时间及光耦后端的驱动能力是否可以驱动MOS管，因一级开关电路和二级开关电路的负载范围不一样，故采用不同负载范围的MOS管。

2.1 主芯片选择及串口通信

火工品的敏感性注定了对点火电路安全性及可靠性的高要求，又必须考虑挂载火工品数目多、靶机成本控制等因素，因此选用STM32F103VET7作为通信控制电路的主控芯片，该芯片基于ARM内核，具有72MHZ主频，运算速度快，經济性好，可靠性高。同时具有3路USART和2路UART，能满足通信需求。80个可用I/O更是在满足挂载需求的同时为未来升级拓展留下了空间。

通信及控制电路如图2所示。该电路采用8Mhz外部晶振作为时钟源，并通过MAX3160将ARM芯片USART口输出的TTL电平转换为RS422电平。MAX3160是一款高性能多协议收发芯片，可通过引脚设置选择为RS232输出或者RS422输出，以满足多种通信需求。

2.2 点火开关电路

点火开关电路分为二级开关控制，在优先级更高的一级开关电路没有动作时，同时在软件和硬件方面锁死二级开关电路，防止误触发。点火开关电路如图3、图4所示。

使用P-MOS作为开关元件，光耦的前端2脚控制脚由STM32的I/O口控制，当I/O口置位低，光耦的导通，一级开关电路导通，此时，再控制D20的pin2置低，二级开关电路导通，任务输出。

Multisim电路仿真如图5所示，用键A模拟STM32 I/O电平，模拟验证发现，该电路符合预期要求。

3 开关电路验证及改进

通过示波器采集I/O控制脚输出波形，发现在设备上电后，有一瞬间的I/O输出被拉低，此现象会导致开关电路瞬间导通，从而造成误触发。如图6所示，图中，通道1为STM32芯片+3.3V供电，通道2为I/O口电平。

3.1原因分析

分析原因发现在STM32上电到I/O口置位的时间内，有段时间I/O口是不受控的，正是此不受控时间内I/O口的置低，导致了误触发。此为STM32的本身特性，不可消除。

3.2 方案改善

为避免因STM32本身特性所造成的误触发，作了如下改进。

1.  使任务供电与系统供电分离，等待系统稳定，I/O置位完成进入受控状态后，再给任务供电上电，从根本上解决了此原因造成的误触发现象。

2. 在P-MOS的栅极和源极之间并入电容，使任务供电上电瞬间Vgs=0V，从而即时任务供电和系统供电同时上电，也会因为电容的延迟，尽量保证在I/O口不受控这段极短的时间内，MOS管不导通。经验证测试，并入4.7uf的电容，上电瞬间延迟效果最好并且不会对模拟电路特性造成太大影响。

3. 在任务输出与地之间并入4.7uf的电容，在不影响电路特性的基础上，对万一存在的误触发释放能量进行吸收，防止电路后端的火工品误触发。

4. 深入分析STM32启动流程，在STM32上电或复位后，程序初始化，初始化完成前，I/O口维持+2.5V电平，初始化完成后，I/O口默认为高阻态，且为浮空输入，此时光电管导通，火工品可能误触发，直到程序运行至I/O口配置，这段时间是受程序运行时间限制，为微秒级。为了缩短此时间，可将I/O口配置命令放在I/O口初始化函数的最前方，并将I/O口初始化函数放在所有函数的最前方。

3.3 改善验证

上述修改完成后，I/O口启动或复位瞬间电平如图7所示，可看到微秒级的低电平有明显改善。

4 结论

经过设计需求分析、电路仿真、验证实验、改进升级后，设计了一款安全可靠的火工品点火电路，该电路已在多无人机平台上安全运行了超100小时，多架次火工品点火达到预期效果，满足设计要求。

参考文献

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[5]张成鹤，王平，郑林华.可编程多协议收发器MAX3160的原理与应用[J].国外电子元器件，2002（12）：62-64.

作者简介：

蒋茂源（1991—），男，学士，助理工程师，研究方向：无人机航电系统。（通讯作者）

王强（1986—），男，硕士，中级工程师，研究方向：无人机航电系统。