基于數(shù)字加速度計的智能倒置開關(guān)

張紅艷，潘保青，馬鐵華

（1.中北大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院，太原030051；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094）

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基于數(shù)字加速度計的智能倒置開關(guān)

張紅艷1*，潘保青2，馬鐵華1

（1.中北大學(xué)計算機與控制工程學(xué)院，太原030051；2.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京100094）

摘要：倒置開關(guān)是實現(xiàn)放入式電子測壓器電源控制和低功耗的關(guān)鍵部件，已研制的幾種倒置開關(guān)在靶場試驗中多次出現(xiàn)上電不可靠的問題。為了提高膛壓測試的可靠性，運用微機械數(shù)字加速度計設(shè)計了一種智能倒置開關(guān)，該開關(guān)采取雙重判斷機制對上電條件進行判斷，可靠性高。利用馬歇特錘試驗機進行了抗沖擊性能檢測，結(jié)果表明，該開關(guān)最大能承受45 000 gn。設(shè)計的可靠性檢測系統(tǒng)，能模擬實際工作環(huán)境，對倒置開關(guān)進行篩選，提高了工作可靠性。該開關(guān)可推廣應(yīng)用于其它存儲測試系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：倒置開關(guān)；數(shù)字加速度計；電源控制；膛壓測試

放入式電子測壓器（以下簡稱測壓器）是火炮膛壓專用測試儀器，它將傳感器、采集、存儲及數(shù)據(jù)通信電路、隨行電池集成在高強度殼體內(nèi)，使用時直接放入藥筒底部或藥室內(nèi)，自動測量射擊時的膛壓變化，事后回收讀取測試數(shù)據(jù)［1］。

火炮內(nèi)彈道試驗方法中規(guī)定，測壓器的體積不應(yīng)超過藥室容積的2.5%，在射擊試驗前測壓器必須在低溫（-40℃）、常溫（20℃～25℃）及高溫（+55℃）環(huán)境下與彈藥一起保溫至少48 h［2］。測壓器從接通電源到保溫再到測試數(shù)據(jù)要經(jīng)歷2 d～3 d的時間，電池容量有限，必須減小系統(tǒng)功耗。倒置開關(guān)是實現(xiàn)測壓器電源控制和低功耗的關(guān)鍵部件。隨彈藥保溫時測壓器處于微功耗狀態(tài)，只有耗電微安級的“值更”電路工作，以感應(yīng)倒置開關(guān)的動作。按照彈藥安全規(guī)程，彈藥在保存、保溫、運輸狀態(tài)只允許平放或彈丸前端朝上放置。保溫結(jié)束，在射擊試驗前5 min～10 min，使用專用翻彈機把彈藥按非常規(guī)姿態(tài)（彈丸的前端朝下）倒置0.5 min以上，通過倒置開關(guān)和電源控制器控制測壓器的上電（從微功耗態(tài)轉(zhuǎn)到準備采樣態(tài)）。

已經(jīng)研制的水銀式、雙球式、干簧管式、電容式和光電式倒置開關(guān)等，由于工藝限制，存在體積大、低溫性能差等缺點，靶場試驗中多次出現(xiàn)上電不可靠的問題，影響了膛壓測試的可靠性［3-4］。為此，采用微機械數(shù)字加速度計MMA8453Q設(shè)計了具有功耗低、體積小、抗沖擊能力強、溫度范圍寬、可靠性高的智能倒置開關(guān)。

1　智能倒置開關(guān)的設(shè)計

1.1加速度傳感器特性

MMA8453Q是3軸微機械數(shù)字加速度傳感器，有3個量程：±2 gn/±4 gn/±8 gn，可用于方向檢測、三維姿態(tài)檢測、航跡推算或傾斜精度檢測［5-6］。工作電流僅為6μA，待機狀態(tài)下電流為1.8 μA，功耗極低。帶有電源管理功能，支持睡眠模式。供電電壓范圍1.95 V~3.6 V，工作溫度范圍是-40℃～+ 85℃，其體積為3 mm×3 mm×1 mm。內(nèi)部補償糾正寄存器可彌補安裝造成的傾角誤差。數(shù)據(jù)通過I2C接口進行傳輸，對內(nèi)部多個功能寄存器編程。可檢測多種動作，能夠智能判斷動作種類，帶有正面/背面檢測模式［7］。有兩個相互獨立的中斷引腳，當(dāng)外界動作符合中斷條件時就會向外界輸出一個電平可編程的中斷信號，即上電控制信號。圖1是MMA8453Q 3軸方向示意圖，圖2是其電路原理圖。

圖1　MMA8453Q三軸方向示意圖（俯視圖）

圖2　MMA8453Q電路原理圖

1.2工作原理

單片機、ARM、DSP、CPLD和FPGA等都具備I2C接口或模擬I2C接口的功能，這類器件與數(shù)字加速度計MMA8453Q共同構(gòu)成了智能倒置開關(guān)。圖3是智能倒置開關(guān)的原理框圖。

圖3　智能倒置開關(guān)的原理框圖

圖4是倒置開關(guān)在智能倒置開關(guān)在測壓器中的安裝示意圖。圖5是倒置開關(guān)的使用示意圖。當(dāng)測壓器隨彈藥保溫時，彈藥平放或彈丸前端朝上放置，如圖5（a）或5（b）所示，倒置開關(guān)中加速度計的z軸向上或水平，此時測壓器處于微功耗狀態(tài)。射擊試驗前，利用翻彈機將彈丸倒置，如圖5（c）所示，倒置過程中，加速度計的Z軸角度會發(fā)生改變，直到等于或大于設(shè)定的角度閾值，并滿足一定的上電條件，倒置開關(guān)輸出上電信號使測壓器進入到準備采樣態(tài)，隨后倒置開關(guān)進入待機模式。MMA8453Q既是傳感器又是執(zhí)行器，可以對外界動作變化做出感應(yīng)，同時又能輸出上電控制信號。

圖4　智能倒置開關(guān)在測壓器中的安裝示意圖

圖5　智能倒置開關(guān)的使用示意圖

1.3防誤上電設(shè)計

倒置開關(guān)是實現(xiàn)測壓器電源控制的關(guān)鍵部件，其可靠性直接影響膛壓測試的可靠性［8］。倒置開關(guān)的可靠性問題主要是誤上電，誤上電是由測壓器在與彈藥的裝配、運輸和保溫過程中倒置開關(guān)誤動作引起的，誤上電會使測壓器在試驗前電量耗盡［9］，為了防止誤上電，智能倒置開關(guān)采取了雙重判斷機制對上電條件進行判斷。

倒置開關(guān)使用了MMA845Q的正面/背面模式檢測，當(dāng)加速度計從正面（Z軸重力為1 gn）旋轉(zhuǎn)115°，便默認加速度計的姿態(tài)是背面。在現(xiàn)場試驗時，此過程就是將彈丸前端從豎直向上轉(zhuǎn)向地面。

設(shè)計中先利用加速度計的防抖動功能進行判斷，若連續(xù)10 s內(nèi)倒置開關(guān)都處在背面姿態(tài)，倒置開關(guān)電路輸出中斷信號，測壓器的主控芯片接收到中斷信號后再開啟I2C通信功能。然后測壓器的主控芯片通過I2C總線不斷讀取加速度計Z軸加速度值，若連續(xù)20 s內(nèi)此值都小于-0.8 gn，則認為滿足上電條件。即倒置開關(guān)必須連續(xù)倒置30 s以上才會產(chǎn)生上電信號。

圖6是智能倒置開關(guān)的姿態(tài)與Z軸所受重力值的關(guān)系示意圖。倒置開關(guān)的導(dǎo)通角區(qū)域為36°，雙重判斷機制能夠保證測壓器的可靠上電。

圖6　智能倒置開關(guān)通斷姿勢示意圖（側(cè)視圖）

2　性能測試

2.1抗沖擊試驗

膛壓測試時測壓器要承受數(shù)千個gn的沖擊加速度，因此，智能倒置開關(guān)能否承受高沖擊是其研制的關(guān)鍵。為了提高倒置開關(guān)的抗沖擊性能，采用樹脂膠真空灌封工藝對電路板進行二次灌封，再利用馬歇特錘實驗機對倒置開關(guān)進行抗沖擊性能檢測［10-11］。

馬歇特錘實驗機的錘頭上同時安裝標準加速度傳感器（BK8309）和倒置開關(guān)，如圖7和圖8所示。從5 000 gn開始測試，逐漸增加沖擊強度，每個量程進行2次沖擊試驗，沖擊后將智能倒置開關(guān)與測壓器的控制電路聯(lián)通，倒置5次，檢驗倒置開關(guān)能否正常工作。

圖7　馬歇特錘實驗機

圖8　標準加速度計和倒置開關(guān)安裝位置示意圖

試驗結(jié)果如表1所示，表1中a1、a2和a3分別是3個倒置開關(guān)受到的沖擊加速度。圖9為標準加速度傳感器輸出的加速度曲線。試驗結(jié)果表明，在超過45 000 gn時倒置開關(guān)已不能正常工作，采用數(shù)字加速度計的智能倒置開關(guān)具有45 000 gn的抗過載能力。

表1　倒置開關(guān)抗沖擊試驗結(jié)果

圖9　抗沖擊試驗加速度曲線

2.2可靠性試驗

倒置開關(guān)的可靠性是指其是否具有在高溫、低溫和常溫環(huán)境下產(chǎn)生上電控制信號使測壓器完成工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換的能力。倒置開關(guān)的可靠性試驗以篩選試驗為主，根據(jù)倒置開關(guān)的工作原理，設(shè)計可靠性檢測系統(tǒng)，模擬倒置開關(guān)的實際工作環(huán)境，對所有的倒置開關(guān)進行篩選。

可靠性檢測系統(tǒng)原理框圖如圖10所示，實物圖如圖11所示。

圖10　倒置開關(guān)檢測系統(tǒng)原理框圖

圖11　倒置開關(guān)可靠性試驗裝置

檢測系統(tǒng)由小功率電機、轉(zhuǎn)筒和硬件檢測電路三部分組成。檢測系統(tǒng)工作分別工作在低溫箱、高溫箱和常溫環(huán)境，被檢測倒置開關(guān)固定在檢測電路上，檢測電路被固定于轉(zhuǎn)筒的槽中，轉(zhuǎn)筒最多可裝16個檢測電路。小功率電機帶動轉(zhuǎn)筒一起做勻速圓周運動，每轉(zhuǎn)一圈模擬每一個倒置開關(guān)一個工作周期的倒置過程，而且能不間斷的、多個倒置開關(guān)一次性進行檢測。選擇的電機能夠在低溫和高溫環(huán)境正常工作，滿足開關(guān)檢測的工作環(huán)境要求。對每一個倒置開關(guān)來講，在檢測系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)一周的過程中，需要檢測開始進入倒置狀態(tài)的空間角度、在倒置狀態(tài)能否保持30 s以上、脫離倒置狀態(tài)的空間角度等3個狀態(tài)參數(shù)。在低溫和高溫環(huán)境檢測時，倒置開關(guān)至少先保溫48 h。

4　結(jié)論

針對測壓器上電不可靠問題，采用微機械數(shù)字加速度計MMA8453Q設(shè)計了一種新型的智能倒置開關(guān)。該倒置開關(guān)具有體積小、功耗低、抗沖擊能力強、溫度范圍寬、可靠性高等特點。該開關(guān)已應(yīng)用于測壓器，大大提高了膛壓測試的可靠性和靶場工作效率，也可推廣應(yīng)用于其它存儲測試系統(tǒng)。

參考文獻：

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張紅艷（1978-），男，漢族，安徽淮北人，講師，主要從事動態(tài)測試與智能測控方面的研究，snow-zhang@163.com；

潘保青（1971-），女，漢族，上海青浦人，助理研究員，碩士，主要從事兵器測試理論、試驗技術(shù)研究，dragon-princess@ sina.com。

Analysis on Conduction Mode of Flyback Transformer Based on Current Ripple Ratio*

ZHOU Youping，CHEN Guojie*，LI Bin

（School of Science，F(xiàn)oshan University，F(xiàn)oshan Guangdong 528000，China）

Abstract：A method to design a flyback transformer and distinguish its conduction modes is proposed based on the current ripple ratio. An equation for the flyback transformer going into the discontinuous conduction mode from the initial continuous conduction mode is derived by using this method. According to the equation，the calculation is performed by MATLAB，and the effects of the input voltage，load current or reflected secondary voltage on the con?duction mode of the flyback transformer are analyzed. The calculation indicates the greater the minimum current rip?ple ratio or reflection voltage is，the more easily the flyback transformer goes into the discontinuous conduction mode when the input voltage increases or load current decreases. Then，a 24 V 1.5 A flyback switching power sup?ply is designed，and the current waveforms of the flyback transformer are measured. The experiment shows that the measured results are agreement with the derived equation，and the current ripple ratio is more intuitive and easier to be measured than the current wave factor.

Key words：flyback transformer；current ripple ratio；conduction mode；analysis

doi：EEACC：214010.3969/j.issn.1005-9490.2016.01.017

收稿日期：2015-04-14修改日期：2015-05-13

中圖分類號：TN606

文獻標識碼：A

文章編號：1005-9490（2016）01-0077-04