一種用于無人直升機平臺的火工品點火電路設計

蔣茂源　王強

摘要：為設計一款應用于無人直升機平臺的低成本高可靠的火工品點火電路，進行了點火電路的設計研究。該電路基于STM32和P-MOS，并對STM32在初始過程中的不定態(tài)進行了優(yōu)化。通過電路仿真分析及測試驗證，給出了可通過軟硬件對點火控制進行優(yōu)化的結論。應用結果表明：該電路設計成本低，能可靠實現(xiàn)火工品的點火控制，可有效防止誤觸發(fā)，可為其他STM32控制電路提供參考。

關鍵詞：STM32;點火電路;誤觸發(fā)

中圖分類號：TP273? 文獻標識碼：A

引言

部隊作戰(zhàn)水平的提高離不開日常的刻苦訓練。因模擬訓練需求，需要一款可以掛載并發(fā)射火工品的無人直升機平臺。此電路主要針對使用電起爆器的發(fā)火元件，電起爆器的激活主要由點火電流和功率決定，電能通過具有一定阻值的橋絲轉化為熱能，加熱橋絲周圍的點火藥并起爆主裝藥，動作瞬間完成。因火工品的特殊性，故除了在預定的點火時刻外，不能因任何元件和線路以及隨機因素等影響而誤觸發(fā)起爆火工品。本文在火工品的安全性和可靠性及無人直升機靶機的成本控制的基礎上，提出了一種基于STM32及MOS管的點火控制電路設計方案，能夠保證點火任務順利執(zhí)行。

1 火工品點火電路工作原理

該火工品點火電路主要包括2個供電電路、一個通信及控制電路、一級開關電路、二級開關電路、檢測電路、保護電路等模塊組成。該點火電路整體設計框圖如圖1所示。地面控制指令通過鏈路發(fā)送到空中的通信及控制電路，可設置不同的觸發(fā)模式，通信及控制電路接收指令后，分別采取不同動作，反饋電路會把動作執(zhí)行狀況反饋給通信及控制電路，方便STM32根據(jù)執(zhí)行狀態(tài)設計相關的安全策略，同時將執(zhí)行狀態(tài)通過鏈路回傳給地面。在開關電路和火工品之間加入保護電路，防止因火工品點火而對前端電路造成影響。

2 火工品開關電路硬件電路設計

該開關電路受STM32控制，用MOS管的D極作為輸出，需考慮MOS管最大功率及響應時間。用光耦芯片作為內外地隔離，需考慮光耦的響應時間及光耦后端的驅動能力是否可以驅動MOS管，因一級開關電路和二級開關電路的負載范圍不一樣，故采用不同負載范圍的MOS管。

2.1 主芯片選擇及串口通信

火工品的敏感性注定了對點火電路安全性及可靠性的高要求，又必須考慮掛載火工品數(shù)目多、靶機成本控制等因素，因此選用STM32F103VET7作為通信控制電路的主控芯片，該芯片基于ARM內核，具有72MHZ主頻，運算速度快，經(jīng)濟性好，可靠性高。同時具有3路USART和2路UART，能滿足通信需求。80個可用I/O更是在滿足掛載需求的同時為未來升級拓展留下了空間。

通信及控制電路如圖2所示。該電路采用8Mhz外部晶振作為時鐘源，并通過MAX3160將ARM芯片USART口輸出的TTL電平轉換為RS422電平。MAX3160是一款高性能多協(xié)議收發(fā)芯片，可通過引腳設置選擇為RS232輸出或者RS422輸出，以滿足多種通信需求。

2.2 點火開關電路

點火開關電路分為二級開關控制，在優(yōu)先級更高的一級開關電路沒有動作時，同時在軟件和硬件方面鎖死二級開關電路，防止誤觸發(fā)。點火開關電路如圖3、圖4所示。

使用P-MOS作為開關元件，光耦的前端2腳控制腳由STM32的I/O口控制，當I/O口置位低，光耦的導通，一級開關電路導通，此時，再控制D20的pin2置低，二級開關電路導通，任務輸出。

Multisim電路仿真如圖5所示，用鍵A模擬STM32 I/O電平，模擬驗證發(fā)現(xiàn)，該電路符合預期要求。

3 開關電路驗證及改進

通過示波器采集I/O控制腳輸出波形，發(fā)現(xiàn)在設備上電后，有一瞬間的I/O輸出被拉低，此現(xiàn)象會導致開關電路瞬間導通，從而造成誤觸發(fā)。如圖6所示，圖中，通道1為STM32芯片+3.3V供電，通道2為I/O口電平。

3.1原因分析

分析原因發(fā)現(xiàn)在STM32上電到I/O口置位的時間內，有段時間I/O口是不受控的，正是此不受控時間內I/O口的置低，導致了誤觸發(fā)。此為STM32的本身特性，不可消除。

3.2 方案改善

為避免因STM32本身特性所造成的誤觸發(fā)，作了如下改進。

1.? 使任務供電與系統(tǒng)供電分離，等待系統(tǒng)穩(wěn)定，I/O置位完成進入受控狀態(tài)后，再給任務供電上電，從根本上解決了此原因造成的誤觸發(fā)現(xiàn)象。

2. 在P-MOS的柵極和源極之間并入電容，使任務供電上電瞬間Vgs=0V，從而即時任務供電和系統(tǒng)供電同時上電，也會因為電容的延遲，盡量保證在I/O口不受控這段極短的時間內，MOS管不導通。經(jīng)驗證測試，并入4.7uf的電容，上電瞬間延遲效果最好并且不會對模擬電路特性造成太大影響。

3. 在任務輸出與地之間并入4.7uf的電容，在不影響電路特性的基礎上，對萬一存在的誤觸發(fā)釋放能量進行吸收，防止電路后端的火工品誤觸發(fā)。

4. 深入分析STM32啟動流程，在STM32上電或復位后，程序初始化，初始化完成前，I/O口維持+2.5V電平，初始化完成后，I/O口默認為高阻態(tài)，且為浮空輸入，此時光電管導通，火工品可能誤觸發(fā)，直到程序運行至I/O口配置，這段時間是受程序運行時間限制，為微秒級。為了縮短此時間，可將I/O口配置命令放在I/O口初始化函數(shù)的最前方，并將I/O口初始化函數(shù)放在所有函數(shù)的最前方。

3.3 改善驗證

上述修改完成后，I/O口啟動或復位瞬間電平如圖7所示，可看到微秒級的低電平有明顯改善。

4 結論

經(jīng)過設計需求分析、電路仿真、驗證實驗、改進升級后，設計了一款安全可靠的火工品點火電路，該電路已在多無人機平臺上安全運行了超100小時，多架次火工品點火達到預期效果，滿足設計要求。

參考文獻

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作者簡介：

蔣茂源（1991—），男，學士，助理工程師，研究方向：無人機航電系統(tǒng)。（通訊作者）

王強（1986—），男，碩士，中級工程師，研究方向：無人機航電系統(tǒng)。