0 引言
随着武器平台、弹药和作战目标的不断发展,引信由单一简单功能的起爆器,向着功能更为完善、安全性与可靠性更高、性能更加先进的引信发展的同时,也朝着灵巧化、小型化的方向发展[1-2]。
引信控制电路作为引信安全系统的重要组成部分[3],通常情况下选用微处理器作为主控制器,其中最常用的微处理器包括STM32,ARM等。但其在高温、高过载以及强电磁干扰等恶劣环境中工作时可靠性较差[4],同时,随着FPGA技术的快速发展,其产品性能得到了显著提高[5],相较于单片机, FPGA具有集成度高,信号传输速度高,抗干扰性能高,高效率低功耗的特点[6]。此外,目前基于单片机设计的电路板存在尺寸过大的问题[7]。因此选用小尺寸FPGA芯片作为电路的主控芯片能够有效地减少电路板的尺寸,同时也能适应引信电路在强环境应用下的安全性和稳定性。
针对上述问题,同时为了适应常规弹药对高效毁伤的技术要求[8]。设计了一种基于FPGA的小型化引信安全与起爆控制电路,其利用弹道信息和目标区信息解除保险和实现多功能起爆[9-11]。对该电路进行了安全性设计和稳定性分析,设计并加工了印制电路板。完成了基于国产FPGA开发平台FUXI和Modelsim的联合仿真,最后对印制电路板进行了电路功能试验。
1 引信安全与起爆控制电路
1.1 引信安全与起爆控制逻辑设计
选用“阈值+时间窗+顺序”[12-15]的安全与起爆控制逻辑,如图1所示。图中SW1表示安全控制开关;SW2表示解除保险开关;SW3表示起爆控制开关;SW4表示起爆开关。Q9、Q8、Q7、Q6、Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0分别表示后坐保险解除信号、离心保险解除信号、弹丸-目标水平距离、延时ΔT1、完全解除保险、隔爆滑块闭锁信号、待发状态、弹丸相对高度、延时ΔT2、起爆信号10个变量的取值。取1表示该变量达到预设阈值或完成预设动作;F表示引信发火信息的输出,取1表示引信输出发火信息。
图1 安全与起爆控制逻辑图
Fig.1 Logic diagram of safety and initiation control
其逻辑作用过程如下:弹药正常发射后,引信在后坐载荷和离心载荷的作用下相继解除后坐保险和离心保险,引信电路上电,经1.5 s的延时后,安全与起爆控制电路实时接收弹丸定位信息,当弹目水平距离达到预设水平距离时,开关SW1闭合,储能电容充电,经ΔT1延时后充电结束,开关SW1断开,解除保险开关SW2闭合,储能电容放电,实现对微电推销器的驱动,此时引信完全解除保险。
引信完全解除保险后,隔爆滑块机构在离心载荷的作用下完成闭锁,此时传爆序列上下对正,引信处于待发状态。当弹丸相对高度达到指定高度时,起爆控制开关SW3闭合,储能电容再次充电,经ΔT2延时后充电结束,开关SW3断开。在接收到起爆信号后,起爆开关SW4闭合,储能电容再次放电完成对微起爆器的引爆,引信输出发火信息进而起爆战斗部。
由图1可以得出引信完全解除保险、待发状态、发火信息输出的逻辑表达式分别为式(1)、(2)、(3):
Q5=Q9Q8Q7Q6
(1)
Q3=Q5Q4
(2)
F=Q3Q2Q1Q0
(3)
表达式(1)、式(2)、式(3)的卡诺图如图2(a)、(b)、(c)所示。
图2 逻辑表达式卡诺图
Fig.2 Karnaugh map of logic expression
由式(1)—式(3)可知,在变量Q9、Q8、Q7、Q6、Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0按照预定顺序相继取值为1时,F为1,即在后坐保险解除信号、离心保险信号、弹丸-目标水平距离、延时ΔT1、完全解除保险、隔爆滑块闭锁信号、待发状态、弹丸相对高度、延时ΔT2、起爆信号按照预定顺序相继达到预设阈值或完成预设动作时,引信输出发火信息。
1.2 电路原理框图
引信安全与控制电路原理框图如图3所示。该电路主要由接口模块、信息处理模块、解除保险模块和起爆执行模块4个模块组成。其中接口模块主要功能是将弹上电源转化为引信电路所需要的电源电压和接收环境与目标探测装置输出的经纬高定位信息信号。信息处理模块选用国内公司京微齐力的H1D03N3W72C7 FPGA芯片作为主控芯片,主要负责接收定位信息接口电路输出的经纬高定位数字信号,分析处理该数字信号,解算弹道信息并输出组合指令控制解除保险模块和起爆执行模块。解除保险模块主要功能是接收信息处理模块输出的解除保险控制信号,该信号控制解除保险模块输出微电推销器的驱动信号。起爆执行模块具有近炸、触发和延期作用方式的起爆功能,负责接收信息处理模块输出的起爆执行控制信号,该信号控制起爆执行模块输出起爆微起爆器的发火信息。
图3 安全与起爆控制电路原理框图
Fig.3 Principle block diagram of safety and initiation control circuit
1.3 安全与起爆控制电路设计
如图4所示,信息处理模块主控芯片其系统时钟为80 MHz,内嵌8个18 Kbit可编程双端口DPRAM和16个18×18 DSP单元,可以保证信号的实时快速处理。其中包含的GPIO和LVDS IO 分别可以用来控制电路实现安全与起爆控制功能和与上位机通讯。
图4 FPGA控制端口示意框图
Fig.4 Schematic diagram of FPGA control port
图5中二极管D1、电阻R1、储能电容C1和N型增强型场效应管N3组成充电电路;储能电容C1、电阻R2、R3、N型增强型场效应管N1和P型增强型场效应管P1组成解除保险模块电路;储能电容C1、电阻R4、R5、N型增强型场效应管N2和P型增强型场效应管P2组成起爆执行模块电路。
图5 解除保险与起爆执行模块
Fig.5 Module of arming and initiation execution
电路作用过程具体如下:勤务环境下,引信电路无电源,弹丸正常发射后,安全与起爆控制电路上电,配置A、B、D端口输出低电平,C、E端口输出高电平。经过1.5 s的延时后电路实时接收弹丸定位信息,当弹目水平距离达到指定水平距离时,配置A端口输出高电平,场效应管N1导通,充电电路导通,储能电容C1充电。经一段时间延时后电容满电荷,A端口输出低电平,场效应管N1断开,储能电容充电结束。N1断开后,配置B端口输出高电平、C端口输出低电平,场效应管N1导通,使得场效应管P1的G极为低电平,同时储能电容满电荷使得P1的S极为高电平。场效应管P1导通,解除保险模块电路导通,储能电容放电驱动微电推销器。放电结束后,配置B端口输出低电平,C端口输出高电平,解除保险模块电路断开。当弹丸相对高度达到指定高度时,配置A端口输出高电平,场效应管N1导通,充电电路导通,储能电容再次充电。经一段时间延时后电容满电荷,A端口的输出低电平,场效应管N1断开,储能电容充电结束。在接收到环境与目标探测装置输出的起爆信号后,配置D端口输出高电平、E端口输出低电平,场效应管N2导通,使得场效应管P1的G极为低电平,同时储能电容满电荷使得P2的S极为高电平。场效应管P1导通,起爆执行模块电路导通,储能电容放电引爆微起爆器,爆轰能量传递进而引爆战斗部。放电结束后,配置D端口输出低电平、E端口输出高电平,起爆执行模块电路断开。
1.4 安全与起爆控制电路安全性设计
为了保证安全与起爆控制电路在电磁干扰环境应用下的安全性和稳定性[16],本文中对解除保险指令和起爆控制指令均做了防差错设计。如图5所示,解除保险指令和起爆控制指令均为组合指令。只有B、C端口输出电平同时生效时才能使场效应管P1导通。即B端口为高电平,C端口为低电平时,场效应管N1导通,进而导通场效应管P1完成对微推销器的驱动。起爆执行模块电路同理。为了防止场效应管P1和P2误导通(误解除保险和误起爆微起爆器),B、C端口和D、E端口应在引信电路上电或下电时,电平变化保持一致[17]。此外,由于引信工作环境中的电磁干扰一般为共模干扰,也不会使场效应管P1和P2误导通。因此,对电路控制指令采用防差错设计能够有效地提高引信电路的工作安全性和稳定性。
1.5 电路小型化设计
为了适应引信小型化的战术技术要求,对电路进行了小型化设计。同时在电路小型化的基础上也要保证引信功能的正常。因此从元器件选型、布局、布线等方面对电路板进行小型化设计。在不影响引信电路功能实现和保证电气性能的基础上,选用了封装尺寸小的元器件,以及减少部分元器件数量[18],例如在芯片性能相同的基础上,与国外FPGA芯片对比,选用BGA封装且尺寸为3.9 mm×3.3 mm的国产FPGA芯片以及UTDFN4L-1*1MM封装的射频线性稳压器和0402封装的电阻、电容等。同时采用元器件均匀、紧凑地排列在PCB板上以及减少和缩短了各元器件之间的引线和连接的方式来减少电磁干扰。在上述基础上设计印制了PCB电路板,尺寸为Φ 28 mm×1.6 mm。如图6所示。
图6 印制电路板
Fig.6 Printed circuit board
2 电路时序波形仿真验证
在上文所提出的电路设计基础上,运用硬件编程语言Verilog VHDL进行了相关电路程序的编写,完成了基于国产FPGA开发软件FUXI和Modelsim的联合仿真。
引信延期、近炸和触发作用起爆方式电路的仿真波形图分别如图7、图9、图10所示。
图7 延期起爆仿真波形
Fig.7 Simulation waveform of delayed initiation
以延期起爆为例,进行仿真波形时序的分析。为了减少仿真时间,本文中等比缩小了引信电路实际作用时间105倍。图8中E4、B2、C4分别表示弹目水平距离、弹丸相对高度、起爆信号;A、B、C、D、E分别表示充电控制指令、解除保险组合指令和起爆执行组合,对应图5中的A、B、C、D、E端口。电路工作时序如下:当弹目水平距离达到设定阈值后,E4变为高电平,配置A端口输出高电平并持续3 μs,储能电容充电电路导通,电容充电,充电结束时配置B、C端口分别输出高电平和低电平并持续3 μs,解除保险模块电路导通,储能电容完成对微电推销器的放电从而解除保险;当弹药弹道相对高度达到设定阈值后,B2输出高电平,配置A端口输出高电平并持续3 μs,充电电路再次导通,电容再次充电,充电结束延时一定时间后,当起爆信号到来时,C4输出高电平,延迟0.5 μs后,配置B、C端口分别输出高电平和低电平并持续3 μs,起爆执行模块电路导通,储能电容完成对微起爆器的放电从而起爆微起爆器。仿真结果验证了电路逻辑时序正常,能够按照预定逻辑顺序解除保险和起爆微起爆器。
图8 延期起爆仿真波形时间测量
Fig.8 Time measurement diagram of simulation waveform of delayed initiation
图9 触发起爆仿真波形
Fig.9 Simulation waveform of trigger initiation
图10 近炸起爆仿真波形
Fig.10 Simulation waveform of proximityinitiation
3 电路功能试验验证
搭建了如图11所示的安全与起爆控制电路试验装置。
图11 安全与起爆控制电路试验装置
Fig.11 Experimental device for safety and initiation control circuit
文中选用的微电推销器和微起爆器的内阻分别为2 Ω和5 Ω,选用阻值相同的等效电阻代替。图中数字1～5分别表示数据采集卡、直流电源、等效电阻、安全与起爆控制电路板、电脑。在上述试验装置上分别进行了电路安全与解除保险功能试验和起爆功能试验,试验结果表明了安全与起爆控制电路能够安全可靠地解除保险和实现多功能起爆。
3.1 安全与解除保险功能试验
安全与解除保险功能包括安全功能和解除保险功能。其中安全功能是指引信电路上电后,在未接收到有效信号时,充电电路处于断开状态,引信处于安全状态。解除保险功能是指充电电路中的场效应管N1导通,储能电容充电至满电荷控制解除保险模块电路中的场效应管P1导通,进而完成对微电推销器的放电从而解除保险。
引信电路在接收到B、C端口输出的有效解除保险组合指令后,微电推销器两端的电压输出波形如图12所示。本文中所选取的微电推销器内阻为2 Ω,解除保险电流为1.3 A。根据图中的电压随时间的变化趋势和欧姆定律可以计算出经过微电推销器电流大小在1.3 A以上,因此引信电路可以安全可靠地解除保险。
图12 解除保险信号输出波形
Fig.12 Output waveform of arming signal
3.2 起爆功能试验
起爆功能试验是验证电路按引信触发、近炸及延期作用方式给出对应的起爆信号。其中引信通过装定不同的程序信息实现相对应的起爆功能。
电路设计选用的微起爆器电阻为5 Ω,可在0.6 A直流电流作用下可靠发火。当引信电路接收到有效起爆信号时,电路输出的起爆波形如图13所示。根据图中电压信号变化趋势和欧姆定律可计算出起爆电流大小大于0.6 A,因此引信电路可以可靠起爆微起爆器。
图13 正常起爆信号输出波形图
Fig.13 Output waveform diagram ofnormal initiation
如图14所示,当引信装定的程序信息其作用方式为触发起爆时,根据电路功能设计,当弹药击中目标时,电路接收到上位机输出的触发起爆信号,起爆执行模块电路导通,储能电容放电,引爆微起爆器。
图14 触发起爆输出波形
Fig.14 Output waveform of trigger initiation
图15是近炸起爆输出波形图,当引信装定的程序信息其作用方式为近炸起爆时,根据电路功能设计,环境与目标探测装置探测目标,当弹丸目标距离达到可起爆条件时,电路接收到上位机输出的近炸起爆信号,起爆执行模块电路导通,储能电容放电,引爆微起爆器,引信实现近炸起爆功能。
图16是延期起爆输出波形图,当引信装定的程序信息其作用方式为延期起爆时,根据电路功能设计,当弹药击中目标时,电路接收到延期起爆信号,即碰目标信息出现后,信息处理模块电路以此为基点开始计时,计时50 ms后,FPGA立即配置B、C端口分别输出高电平和低电平,控制储能电容对微起爆器放电,实现延期作用方式的起爆功能。
图15 近炸起爆输出波形
Fig.15 Output waveform of proximity initiation
图16 延期起爆输出波形
Fig.16 Output waveform of delayed initiation
4 结论
1) 本文中设计的基于FPGA的引信安全与起爆控制电路结构简单,体积小,易于实现。
2) 电路时序波形仿真试验验证了在正常工作情况下电路按照引信3种作用方式(触发、近炸、延期)输出的逻辑时序正常,均可按照预定逻辑设计驱动微电推销器和起爆微起爆器。
3) 电路功能试验分别验证了印制电路板输出的解除保险电流和起爆电流均大于微电推销器安全解除保险和微起爆器可靠起爆所需电流,表明了引信电路能够安全可靠地驱动微电推销器和起爆微起爆器;试验中电路板输出的3种起爆信号(触发、近炸、延期)波形表明了引信电路能够实现多功能起爆。
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