基于模块化设计的全电子安全控制系统

谢 非,彭志凌,鲁旭涛,范宏辉,陈子华

(中北大学,山西 太原 030051)

0 引言

空空导弹作为当代战斗机主要对空作战的武器,在当前战争中发挥的作用无疑是极其重要的[1]。全电子引信集微电子与起爆技术为一体,从根本上改变了引信隔离的设计思想,作用迅速、具有较高的安全性和可靠性。文献[2]针对鱼雷引信全电子安全系统的保险与解除保险逻辑进行理论研究,并对意外解保概率进行了计算。文献[3]针对巡飞弹安全控制系统进行了分析研究,并进行仿真验证。文献[4]主要采用数理分析和故障物理的方式针对起爆控制电路冗余设计技术进行深入研究。虽然国内学者对全电子安全控制系统的研究基本成熟,但针对空空导弹电子安全系统各部件功能独立性较弱,维护升级难度较高,程序设计复杂度较高等问题并未进行深入研究。本文借鉴了全电子引信安全控制设计思路[5],提出模块化电子安全控制系统。

1 原理

1.1 模块化

模块化,顾名思义,是一种将复杂系统逐层分解成独立的组件或单元的方法,每个独立单元形成相应系统子功能,以达到降低系统复杂性、提高可维护性和可重用性的目的[6]。这种设计方法常用于软件工程领域,但也用于硬件系统、机械设计制造等其他领域。

模块化设计的核心思想是根据系统内容结构的关联性将系统分解为若干个相对独立的、可重复使用的子模块进行开发,各子模块可以通过明确的接口规范组合在一起[7]。每个子模块可以单独设计、开发、测试和维护,并且每个子模块都具有特定的功能,可以被其他系统重复使用。这种设计方法能够显著提高系统的可维护性和可扩展性,并有助于降低系统的复杂度[8]。

1.2 全电子安全系统

1.2.1全电子安全系统工作原理

传统全电子安全系统通过电子元件代替传统的机械元件实现对爆炸物的控制,通常由两部分组成,一部分是安全与解除保险的逻辑控制部分,另一部分是发火装置[9]。在空空导弹飞行过程中,全电子安全系统通过检测导弹的飞行参数对其是否解除保险进行控制,从而实现对目标进行高精度打击。在导弹到达目标时,全电子安全系统控制高压电容放电,引爆空空导弹。

1.2.2全电子安全系统功能

空空导弹的传统全电子安全系统通常具有保险功能、保险解除功能、故障保险功能、作战功能等[10]。这些功能可以帮助导弹实现安全、高效、精确的飞行,从而提高空空导弹的使用效率和可靠性。

1.2.3全电子安全系统设计特点

传统全电子安全系统设计特点通常包括高稳定性、高集成度、高安全性、高可靠性等。对于环境和需求的不同,采用的设计方式也有所不同,虽然高度集成对于系统的整体性能和功能集成方面有优势,但是模块化设计在系统维护、扩展、集成等方面也有着明显的优势,对于维护系统的稳定性和安全性,模块化设计可能更加适合。

1.2.4全电子安全系统解除保险激励选择

本文充分发挥并利用空空导弹所独处的环境信息,分别采用弹架分离信号、目标锁定信号和目标临近信号作为第1、2、3级环境保险解除激励,实现解除保险环境激励和保险与解除保险逻辑之间的良好匹配。

1.2.5全电子安全系统流程

全电子安全系统流程如图1所示。按照空空导弹的飞行速度为1 200 m/s,爆炸半径为100 m进行计算,1 s后空空导弹已经飞行1 000 m以上,大于爆炸半径,可以确保载机安全。

图1 安全控制系统流程图

2 全电子安全系统的模块化

为了保证空空导弹发射后载机和后续弹道的安全性,对其引信体系的安全、可靠程度提出了更高的要求。在对全电子安全系统模块化进行研究时,应采取以下措施:1) 引信系统采用目标基安全系统设计方式;2) 对安全系统进行合理的逻辑设计。

2.1 硬件部分模块化

根据GJB 373B—2019《引信安全性设计准则》,全电子安全系统采用冗余设计的方式。分别采用两组独立的电路,使用3级保险(2组静态开关和1组动态开关)来实现对起爆电源的隔离最为合理[11]。选取CPLD和FPGA作为控制芯片,CPLD逻辑能力强,适用于控制密集型系统,适合完成各种算法和组合逻辑,FPGA寄存器资源丰富,适合完成时序逻辑。系统采用“阈值+时间窗+顺序”的控制思路[12],结合3个环境信号分别对3级保险进行控制,进而保证载机和空空导弹弹道的安全性。

安全控制系统结构如图2所示。根据硬件部分各元器件功能及环境特性,降低高压电路对低压信号影响,采用模块化设计方式,将全电子安全系统分为四个子模块:低压接口模块、逻辑控制模块、功率电路模块和高压起爆模块。各子模块之间通过数据总线(CAN、I2C、USB等)进行连接,可减少连线数目,便于系统布线和接口设计,简化系统结构,同时便于系统的更新、扩充和灵活配置,更易于实现系统硬件部分模块化[13]。

图2 安全控制系统结构框图

2.2 程控系统模块化

2.2.1CPLD程控模块

对于逻辑控制芯片CPLD的程控系统,宜采用模块化编程方式。主要实现以下功能:CPLD在时间窗T1内对环境信号1进行识别并对静态开关1进行作用;CPLD在时间窗T3内对环境信号3进行识别并对动态开关进行作用;CPLD读取ADC模块采集的电容电压数据并对电容电压进行闭环控制;CPLD对引爆指令进行识别并输出起爆信号对驱动电路进行作用。

CPLD的程控系统如图3所示,主要由7个子模块组成:数据接收模块、环境信号处理模块、ADC采集模块、SW1信号处理模块、SW3信号处理模块、数据发送模块、起爆信号处理模块。

图3 CPLD程控系统RTL示意图

2.2.2FPGA程控模块

对于逻辑控制芯片FPGA的程控系统,同样采用模块化编程方式。主要实现以下功能:FPGA在时间窗T2内对环境信号2进行识别并对静态开关2进行作用;FPGA对引爆指令进行识别并输出起爆信号对驱动电路进行作用。

图4为FPGA程控系统,主要由5个子模块组成:数据接收模块、环境信号处理模块、SW2信号处理模块、数据发送模块、起爆信号处理模块。

2.3 程控系统模块化分析

采用Modelsim软件对本文的程控系统模块进行仿真分析。在仿真前对引信系统的常规情况作以下设定:

1) 引信系统中的各器件均正常工作;

2) 各系统间线路连接无任何问题;

3) 发射前系统自检无误。

本文所表述的程控系统信号变量说明如表1所示。

表1 系统信号变量说明

2.3.1CPLD程控模块分析

CPLD正常解除保险仿真示意图如图5所示。图中,CPLD所有子模块均正常工作,3级保险均正常解除,起爆信号由初始低电平状态转换为高电平,起爆信号作用。

图5 CPLD正常解除保险仿真示意图

环境信号1未在时间窗T1内生效,SW1信号处理模块解除保险异常,全电子安全系统进入绝火状态,仿真示意图如图6所示。尽管后续信号继续作用,但系统已经失效,无法起爆。

图6 SW1解除保险异常

环境信号3未在时间窗T3内生效,SW3信号处理模块解除保险异常,全电子安全系统进入绝火状态,仿真示意图如图7所示。引爆指令到来,系统已失效,未能起爆。

图7 SW3解除保险异常

2.3.2FPGA程控模块分析

FPGA正常解除保险仿真示意图如图8所示。FPGA所有子模块均正常工作,3级保险均正常解除,引爆指令作用,起爆信号由初始高电平状态转换为低电平,起爆信号生效。

图8 FPGA正常解除保险仿真示意图

环境信号2未在时间窗T2内生效,SW2信号处理模块解除保险异常,仿真示意图如图9所示。全电子安全系统进入绝火状态,系统失效,无法起爆。

图9 SW2解除保险异常

2.3.3ADC采集模块和SW3信号处理模块联合分析

在CPLD模块接收到3级保险解除信号后,SW3动态开关开始进行作用。ADC采集模块实时采集高压电容电压,并与设定电压进行比较, 采用PID闭环调节方式,向SW3信号处理模块输出PWM控制信号,通过改变周期中高低电平的占空比来调节SW3动态开关闭合时间的长短。因此,SW3控制信号占空比缓慢减小,直至高压电容电压达到1 200 V,触发充电完成信号。充电完成后,由于系统中存在自失能电阻,高压电容会缓慢放电,PID算法闭环调节,使SW3控制信号始终输出一个占空比较小的PWM控制信号,将高压电容电压始终维持在1 200 V以上。闭环控制系统结构框图如图10所示,SW3动态控制仿真结果如图11所示。

图10 闭环控制结构框图

图11 SW3动态控制

2.4 程控系统模块化优势

通过对程控系统各个模块进行仿真分析,可看出程控部分采用模块化编程方式,各个模块间相互独立又相互联系。在对程控部分进行更改或升级调试时,可以将模块进行划分,多人协作进行编程,可以做到互不影响,能够极大提高工作效率,快速解决问题。将本文系统用于实际作战环境中时,将环境信号处理模块进行相应更改,将其替换为实际环境信号所设计的模块,并对信号进行相应处理,其他模块跟随实际情况进行一定修改,降低了程序设计的复杂度,增强了全电子安全系统软件部分的可维护性。

3 系统试验验证

3.1 低能爆炸箔试验

将本文全电子安全控制系统中的低压接口模块和逻辑控制模块与试验箱中的功率电路模块和高压起爆模块进行连接。通过上述控制方式控制该试验箱中的保险进行解除,控制高压电容进行充放电,起爆爆炸箔,对本文的基于模块化的全电子安全控制系统的功能进行检验。

本文选取的爆炸箔为铜爆炸箔,其桥箔材料及物理参数如表2所示。

表2 爆炸箔材料物理参数

爆炸箔起爆前,桥区完整,桥区形状呈双曲形。爆炸过程中,其桥区部分发生了由固态—液态—气态—等离子态的过程变化,桥区断裂,等离子体做功促使飞片冲出加速膛,撞击爆炸药引发导弹爆炸。爆炸箔爆炸前后示意图如图12和图13所示,由图中可以看出爆炸箔爆炸后桥区出现明显断裂。

图12 爆炸箔炸前示意图

图13 爆炸箔炸后示意图

起爆过程中,爆炸箔两端电流和电压变化情况如图14所示,通道4为电压变化示意图,其电压峰-峰值为1.01 kV,爆发电压为838 V。该通道中,波峰之前出现的杂波是由于回路中接有高压开关,高压开关闭合时发生的抖动所引起的;通道2为电流变化示意图,其电流峰-峰值为298 A,爆发电流为236 A。经测试,本文所采用的低发火能量微型冲击片雷管的可靠发火电流为218 A,236 A>218 A,能够满足冲击片雷管可靠发火的要求。

图14 成功起爆时电流电压变化示意图

经过多次试验测试,本文所设计的全电子安全控制系统性能可靠,具有可行性,可以满足空空导弹引信的安全控制需求。

3.2 硬件部分模块化优势

通过低能爆炸箔试验对系统硬件部分进行测试,硬件部分采用模块化设计方式,将高、低压模块进行分离,当某一模块损坏时,无需更换整个系统,便于拆卸分解组合,同时可以减弱高压高频电路对低压电路的影响。分模块进行设计,增强了全电子安全系统各部件功能的独立性和系统硬件部分的可维护性,进而提高了系统的安全性。

4 结论

本文设计了模块化电子安全控制系统,分别从该系统的硬件和软件两方面进行研究,各个模块间相互联系又相互独立,便于进行模块间的组合与分解和各个功能模块的调试与升级。该系统使各部件功能的独立性得到增强,降低了程序设计的复杂度,增强了系统的可维护性。

对空空导弹全电子安全系统进行研究,选取空空导弹独特的环境信号来进行设计,该环境信号可根据实际作战环境进行更改。采用Modelsim软件和爆炸箔试验对全电子安全控制系统进行的仿真分析和可行性测试,能够为空空导弹全电子安全控制系统设计工程提供一定参考价值。未来将从安全性和可靠性方面对本文所设计的全电子安全控制系统进行进一步研究。