基于AD22280的引信電子加速度保險裝置設(shè)計

【摘要】介紹了AD公司的ADXL78系列加速度芯片的基本工作原理。利用該系列的AD22280芯片設(shè)計了一種飛行體引信電子保險裝置，使集成微機電（iMEMS）技術(shù)成功地應(yīng)用于研制項目，改變了以往飛行體引信單純依靠機械慣性保險裝置工作的狀況，并通過了多次實驗室和外場試驗驗證。結(jié)果表明該電子加速度保險裝置具有很高的可靠性，可完全取代原有機械慣性保險裝置。此外，該設(shè)計還為飛行體引信進一步朝電子化、智能化方向的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】iMEMS；加速度；引信；電子保險

1.引言

微型電子機械系統(tǒng)是一個迅速發(fā)展的多學(xué)科技術(shù)交叉的領(lǐng)域，利用半導(dǎo)體加工方法制作的微尺度的機械、流體、電子、光學(xué)及其它一些器件，常常同微電子電路集成在一起完成傳感、信號處理、計算、控制和執(zhí)行等功能。

隨著引信系統(tǒng)智能化的趨勢，機電和安全電子系統(tǒng)以其高度的信息化特點將逐步在引信設(shè)計中占主導(dǎo)地位，安全系統(tǒng)也是如此。在某飛行體設(shè)計中，依據(jù)其所采用發(fā)動機的設(shè)計參數(shù)，我們設(shè)計了一種基于加速度傳感器AD22280及其外圍電路的電子加速度保險裝置，通過感知飛行體在飛行過程中的加速度來控制點火回路的接通，經(jīng)過數(shù)次試驗證明了該設(shè)計的有效性與可靠性。該電子加速度保險裝置可取代原有的機械慣性保險裝置。

2.基于AD22280的電子加速度保險裝置設(shè)計

2.1 AD22280介紹

AD22280是AD公司生產(chǎn)的ADXL78系列中的一款低功耗、單軸加速度測量系統(tǒng)，可測試動態(tài)加速度和靜態(tài)加速度（重力加速度）。ADXL78系列是AD公司第四代低成本、高性能，表面微機械加速度計。其物理尺寸為5mm×5mm×2mm，8引腳陶瓷LCC封裝，量程為±50g，全差分傳感器，電路抗電磁干擾性能高。帶電或不帶電情況下可承受極限加速度值為4000g，工作和貯存溫度范圍為-40～105℃。圖1為ADXL78功能模塊圖。

2.2 ADXL78工作原理

ADXL78提供了一種完全地差分傳感器結(jié)構(gòu)和電路通道，達到了行業(yè)內(nèi)最高的抗電磁干擾和射頻干擾效果。這種最新的產(chǎn)品利用零壓力電反饋改進精確性和穩(wěn)定性。該傳感器的共振頻率顯著地高于片上濾波器信號帶寬設(shè)置，避免了由信號帶寬附近的共振頻率峰值引起的信號分析問題。

圖2是ADXL78系列加速度芯片內(nèi)部差分傳感器原理的示意圖。每個傳感器包含幾個差分電容器單元。每個單元又由附著在基底的固定電極和附著在框架的移動電極組成?？蚣艿囊苿痈淖兞似想娐窚y量的差分電容。

器件內(nèi)部補充的400kHz方波驅(qū)動固定電極。電反饋調(diào)整方波的幅度確保移動電極上的交流信號為0。傳感器反饋信號與外部施加的加速度線性成比例。這種獨特的反饋技術(shù)保證了沒有多余的靜電力作用于傳感器上。差分反饋控制信號同樣應(yīng)用到了濾波器的輸入端，輸入端被濾波并且轉(zhuǎn)換成了單端輸出信號。

2.3 引信電子加速度保險裝置原理及組成

基于上述加速度傳感器，我們設(shè)計了一型電子加速度保險裝置，用于替代傳統(tǒng)電子引信中的機械慣性保險裝置。

2.3.1 電子加速度保險裝置工作原理

電子加速度保險裝置由引信電路為其提供+5V工作電源，提供時機為發(fā)射控制系統(tǒng)為引信提供工作電源的同時，確保保險裝置能夠在飛行體發(fā)動機工作的有效時間段內(nèi)檢測其運動加速度。保險裝置上電工作后，微處理器開始檢測兩路加速度輸出信號，根據(jù)對加速度傳感器輸出信號的實時采集、判斷，確定當(dāng)加速度滿足飛行體運動全過程時，適時輸出一定時長的時鐘信號，使點火回路開關(guān)接通，保證飛行體后續(xù)正常的分離、布放點火。當(dāng)時鐘信號結(jié)束后，及時斷開點火回路，保證系統(tǒng)安全。

2.3.2 電子加速度保險裝置組成

電子加速度保險裝置主要由PIC處理器、冗余加速度模塊、單穩(wěn)態(tài)電路以及開關(guān)管電路組成，如圖3所示。

PIC處理器采用Microchip公司的PIC12F675低功耗單片機，該單片機為8引腳閃存CMOS單片機。內(nèi)部集成了看門狗、E2PROM、AD轉(zhuǎn)換器等功能單元，具有體積小、低功耗、寬電壓工作范圍等一系列優(yōu)勢。PIC處理器主要完成對兩路加速度信號的采集，根據(jù)判斷策略決定是否輸出開關(guān)接通信號。圖4給出了電子加速度保險裝置中PIC單片機及其外圍電路。其中，D1為電子加速度保險裝置工作指示燈。

電子加速度保險裝置采用兩個加速度模塊電路作為系統(tǒng)冗余設(shè)計。加速度模塊電路由AD22280及其外圍電路組成。其外圍電路如圖5所示。

加速度模塊電路為AD公司推薦的典型電路。其中C2、C3為電源濾波電容，C4為加速度電壓輸出信號濾波電容，R2為電源去耦電阻。ST端為外部提供的測試電源輸入端，當(dāng)ST端輸入5V電壓時，加速度芯片的XOUT端將輸出約2.9V左右的電壓，相當(dāng)于10g加速度對應(yīng)的電壓值。

單穩(wěn)態(tài)電路主要采用74AHC123A芯片實現(xiàn)，將PIC單片機輸出的時鐘信號（CLOCK）轉(zhuǎn)換為Q端的高電平，保證保險裝置持續(xù)接通。同時從系統(tǒng)上電，至保險裝置開關(guān)接通前，利用低電平（CLEAR信號）使單穩(wěn)態(tài)電路Q端強制輸出低電平，確保保險裝置開關(guān)不意外接通。待檢測到加速度完整過程后，改變CLEAR信號為高電平，解除單穩(wěn)態(tài)強制低電平輸出，再通過時鐘信號使保險裝置開關(guān)接通。時鐘信號結(jié)束，單穩(wěn)態(tài)強制拉低，保險裝置開關(guān)斷開，確保系統(tǒng)安全。

開關(guān)管電路利用單穩(wěn)態(tài)電路提供的高電平信號控制MOS管工作，MOS管的輸入輸出端分別接點火電源輸入及輸出，為點火序列提供發(fā)火能量。其中BATT_IN為點火電源輸入，BATT_OUT為點火電源輸出。

經(jīng)理論計算，電子加速度保險裝置靜態(tài)功耗為15mA左右，符合引信低功耗設(shè)計要求。

3.電子加速度保險裝置軟件設(shè)計

由于電子加速度保險裝置采用了微處理器加傳感器的設(shè)計模式，因此需要對微處理器進行程序編寫，借助軟硬件聯(lián)合手段實現(xiàn)電子加速度保險裝置的功能。

電子加速度保險裝置軟件的主要功能為：當(dāng)系統(tǒng)為保險裝置提供5V工作電源后，電路開始工作，微處理器首先上電復(fù)位，完成系統(tǒng)初始化，隨后微處理器開始以一定時間間隔對連接到兩路加速度傳感器輸出的模擬輸入進行交叉采樣，并在每路信號采樣結(jié)束后完成對采樣數(shù)據(jù)的判別處理，依據(jù)對連續(xù)結(jié)果的判斷，確定出每路加速度結(jié)果的上升沿（或下降沿）以及持續(xù)時間（上升沿還是下降沿依據(jù)加速度傳感器在飛行體的安裝方向，此處按初始出現(xiàn)下降沿介紹），根據(jù)加速度門限值與過門限值后的持續(xù)時間確定是否輸出一定時間的時鐘信號，使保險裝置開關(guān)在該時間段內(nèi)接通，為點火任務(wù)提供點火電源。時鐘信號的輸出時間到達后，微處理器結(jié)束時鐘信號輸出，保險裝置開關(guān)斷開，確保系統(tǒng)安全。電子加速度保險裝置軟件流程圖如圖8所示。

4.試驗結(jié)果及分析

4.1 實驗室驗證

如圖3所示，電子加速度保險裝置與引信電路有兩路加速度的接口，而加速度芯片的輸出也通過跳線與PIC12F675單片機的模擬采樣端口連接。因此在實驗室驗證時，可跳開跳線，斷開加速度芯片與PIC單片機的連接，通過引信接插件端口為電子加速度保險裝置后級電路提供模擬加速度信號，檢驗除加速度模塊之外的其他電路功能的正確性。圖9給出了實驗室模擬信號輸入情況下的驗證結(jié)果，電子加速度保險裝置在加速度判斷滿足判決準(zhǔn)則后可靠接通。

4.2 外場試驗驗證

電子加速度保險裝置經(jīng)過實驗室驗證后，又在外場試驗中經(jīng)歷了近百次檢驗，均可靠地完成了其使命任務(wù)。這足以證明電子加速度保險裝置在實際使用過程中的有效性，足以替代原有的機械慣性保險裝置。

圖10為某飛行體一次飛行試驗過程中的軸向加速度曲線及對應(yīng)的電子加速度保險裝置開關(guān)工作狀態(tài)記錄。同實驗室驗證結(jié)果一致，電子加速度保險裝置在彈體軸向加速度出現(xiàn)且持續(xù)一定時間后可靠解除保險。此外，圖10還記錄了該飛行體飛行過程中的幾個典型階段的軸向加速度。A、B、C、D分別代表了其發(fā)射、分離、開傘以及觸地四個階段的軸向加速度示意圖。

5.結(jié)束語

本文給出了基于加速度芯片AD22280的引信電子加速度保險裝置的基本原理、硬件電路和軟件設(shè)計。經(jīng)過實驗室驗證和多次外場試驗驗證，證明了電子加速度保險裝置的有效性與可靠性，可完全替代原有引信的機械慣性保險裝置。同時，電子加速度保險裝置的設(shè)計還為飛行體引信設(shè)計進一步朝電子化、智能化方向的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

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作者簡介：姚海濤（1979—），女，碩士，現(xiàn)供職于宜昌測試技術(shù)研究所，主要從事電子對抗技術(shù)研究。