基于FPGA的引信安全與起爆控制電路設(shè)計

朱博文,聶偉榮

(南京理工大學(xué) 機械工程學(xué)院, 南京 210000)

0 引言

隨著武器平臺、彈藥和作戰(zhàn)目標(biāo)的不斷發(fā)展,引信由單一簡單功能的起爆器,向著功能更為完善、安全性與可靠性更高、性能更加先進的引信發(fā)展的同時,也朝著靈巧化、小型化的方向發(fā)展[1-2]。

引信控制電路作為引信安全系統(tǒng)的重要組成部分[3],通常情況下選用微處理器作為主控制器,其中最常用的微處理器包括STM32,ARM等。但其在高溫、高過載以及強電磁干擾等惡劣環(huán)境中工作時可靠性較差[4],同時,隨著FPGA技術(shù)的快速發(fā)展,其產(chǎn)品性能得到了顯著提高[5],相較于單片機, FPGA具有集成度高,信號傳輸速度高,抗干擾性能高,高效率低功耗的特點[6]。此外,目前基于單片機設(shè)計的電路板存在尺寸過大的問題[7]。因此選用小尺寸FPGA芯片作為電路的主控芯片能夠有效地減少電路板的尺寸,同時也能適應(yīng)引信電路在強環(huán)境應(yīng)用下的安全性和穩(wěn)定性。

針對上述問題,同時為了適應(yīng)常規(guī)彈藥對高效毀傷的技術(shù)要求[8]。設(shè)計了一種基于FPGA的小型化引信安全與起爆控制電路,其利用彈道信息和目標(biāo)區(qū)信息解除保險和實現(xiàn)多功能起爆[9-11]。對該電路進行了安全性設(shè)計和穩(wěn)定性分析,設(shè)計并加工了印制電路板。完成了基于國產(chǎn)FPGA開發(fā)平臺FUXI和Modelsim的聯(lián)合仿真,最后對印制電路板進行了電路功能試驗。

1 引信安全與起爆控制電路

1.1 引信安全與起爆控制邏輯設(shè)計

選用“閾值+時間窗+順序”[12-15]的安全與起爆控制邏輯,如圖1所示。圖中SW1表示安全控制開關(guān);SW2表示解除保險開關(guān);SW3表示起爆控制開關(guān);SW4表示起爆開關(guān)。Q9、Q8、Q7、Q6、Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0分別表示后坐保險解除信號、離心保險解除信號、彈丸-目標(biāo)水平距離、延時ΔT1、完全解除保險、隔爆滑塊閉鎖信號、待發(fā)狀態(tài)、彈丸相對高度、延時ΔT2、起爆信號10個變量的取值。取1表示該變量達到預(yù)設(shè)閾值或完成預(yù)設(shè)動作;F表示引信發(fā)火信息的輸出,取1表示引信輸出發(fā)火信息。

圖1 安全與起爆控制邏輯圖

其邏輯作用過程如下:彈藥正常發(fā)射后,引信在后坐載荷和離心載荷的作用下相繼解除后坐保險和離心保險,引信電路上電,經(jīng)1.5 s的延時后,安全與起爆控制電路實時接收彈丸定位信息,當(dāng)彈目水平距離達到預(yù)設(shè)水平距離時,開關(guān)SW1閉合,儲能電容充電,經(jīng)ΔT1延時后充電結(jié)束,開關(guān)SW1斷開,解除保險開關(guān)SW2閉合,儲能電容放電,實現(xiàn)對微電推銷器的驅(qū)動,此時引信完全解除保險。

引信完全解除保險后,隔爆滑塊機構(gòu)在離心載荷的作用下完成閉鎖,此時傳爆序列上下對正,引信處于待發(fā)狀態(tài)。當(dāng)彈丸相對高度達到指定高度時,起爆控制開關(guān)SW3閉合,儲能電容再次充電,經(jīng)ΔT2延時后充電結(jié)束,開關(guān)SW3斷開。在接收到起爆信號后,起爆開關(guān)SW4閉合,儲能電容再次放電完成對微起爆器的引爆,引信輸出發(fā)火信息進而起爆戰(zhàn)斗部。

由圖1可以得出引信完全解除保險、待發(fā)狀態(tài)、發(fā)火信息輸出的邏輯表達式分別為式(1)、(2)、(3):

Q5=Q9Q8Q7Q6

(1)

Q3=Q5Q4

(2)

F=Q3Q2Q1Q0

(3)

表達式(1)、式(2)、式(3)的卡諾圖如圖2(a)、(b)、(c)所示。

圖2 邏輯表達式卡諾圖

由式(1)—式(3)可知,在變量Q9、Q8、Q7、Q6、Q5、Q4、Q3、Q2、Q1、Q0按照預(yù)定順序相繼取值為1時,F為1,即在后坐保險解除信號、離心保險信號、彈丸-目標(biāo)水平距離、延時ΔT1、完全解除保險、隔爆滑塊閉鎖信號、待發(fā)狀態(tài)、彈丸相對高度、延時ΔT2、起爆信號按照預(yù)定順序相繼達到預(yù)設(shè)閾值或完成預(yù)設(shè)動作時,引信輸出發(fā)火信息。

1.2 電路原理框圖

引信安全與控制電路原理框圖如圖3所示。該電路主要由接口模塊、信息處理模塊、解除保險模塊和起爆執(zhí)行模塊4個模塊組成。其中接口模塊主要功能是將彈上電源轉(zhuǎn)化為引信電路所需要的電源電壓和接收環(huán)境與目標(biāo)探測裝置輸出的經(jīng)緯高定位信息信號。信息處理模塊選用國內(nèi)公司京微齊力的H1D03N3W72C7 FPGA芯片作為主控芯片,主要負(fù)責(zé)接收定位信息接口電路輸出的經(jīng)緯高定位數(shù)字信號,分析處理該數(shù)字信號,解算彈道信息并輸出組合指令控制解除保險模塊和起爆執(zhí)行模塊。解除保險模塊主要功能是接收信息處理模塊輸出的解除保險控制信號,該信號控制解除保險模塊輸出微電推銷器的驅(qū)動信號。起爆執(zhí)行模塊具有近炸、觸發(fā)和延期作用方式的起爆功能,負(fù)責(zé)接收信息處理模塊輸出的起爆執(zhí)行控制信號,該信號控制起爆執(zhí)行模塊輸出起爆微起爆器的發(fā)火信息。

圖3 安全與起爆控制電路原理框圖

1.3 安全與起爆控制電路設(shè)計

如圖4所示,信息處理模塊主控芯片其系統(tǒng)時鐘為80 MHz,內(nèi)嵌8個18 Kbit可編程雙端口DPRAM和16個18×18 DSP單元,可以保證信號的實時快速處理。其中包含的GPIO和LVDS IO 分別可以用來控制電路實現(xiàn)安全與起爆控制功能和與上位機通訊。

圖4 FPGA控制端口示意框圖

圖5中二極管D1、電阻R1、儲能電容C1和N型增強型場效應(yīng)管N3組成充電電路;儲能電容C1、電阻R2、R3、N型增強型場效應(yīng)管N1和P型增強型場效應(yīng)管P1組成解除保險模塊電路;儲能電容C1、電阻R4、R5、N型增強型場效應(yīng)管N2和P型增強型場效應(yīng)管P2組成起爆執(zhí)行模塊電路。

圖5 解除保險與起爆執(zhí)行模塊

電路作用過程具體如下:勤務(wù)環(huán)境下,引信電路無電源,彈丸正常發(fā)射后,安全與起爆控制電路上電,配置A、B、D端口輸出低電平,C、E端口輸出高電平。經(jīng)過1.5 s的延時后電路實時接收彈丸定位信息,當(dāng)彈目水平距離達到指定水平距離時,配置A端口輸出高電平,場效應(yīng)管N1導(dǎo)通,充電電路導(dǎo)通,儲能電容C1充電。經(jīng)一段時間延時后電容滿電荷,A端口輸出低電平,場效應(yīng)管N1斷開,儲能電容充電結(jié)束。N1斷開后,配置B端口輸出高電平、C端口輸出低電平,場效應(yīng)管N1導(dǎo)通,使得場效應(yīng)管P1的G極為低電平,同時儲能電容滿電荷使得P1的S極為高電平。場效應(yīng)管P1導(dǎo)通,解除保險模塊電路導(dǎo)通,儲能電容放電驅(qū)動微電推銷器。放電結(jié)束后,配置B端口輸出低電平,C端口輸出高電平,解除保險模塊電路斷開。當(dāng)彈丸相對高度達到指定高度時,配置A端口輸出高電平,場效應(yīng)管N1導(dǎo)通,充電電路導(dǎo)通,儲能電容再次充電。經(jīng)一段時間延時后電容滿電荷,A端口的輸出低電平,場效應(yīng)管N1斷開,儲能電容充電結(jié)束。在接收到環(huán)境與目標(biāo)探測裝置輸出的起爆信號后,配置D端口輸出高電平、E端口輸出低電平,場效應(yīng)管N2導(dǎo)通,使得場效應(yīng)管P1的G極為低電平,同時儲能電容滿電荷使得P2的S極為高電平。場效應(yīng)管P1導(dǎo)通,起爆執(zhí)行模塊電路導(dǎo)通,儲能電容放電引爆微起爆器,爆轟能量傳遞進而引爆戰(zhàn)斗部。放電結(jié)束后,配置D端口輸出低電平、E端口輸出高電平,起爆執(zhí)行模塊電路斷開。

1.4 安全與起爆控制電路安全性設(shè)計

為了保證安全與起爆控制電路在電磁干擾環(huán)境應(yīng)用下的安全性和穩(wěn)定性[16],本文中對解除保險指令和起爆控制指令均做了防差錯設(shè)計。如圖5所示,解除保險指令和起爆控制指令均為組合指令。只有B、C端口輸出電平同時生效時才能使場效應(yīng)管P1導(dǎo)通。即B端口為高電平,C端口為低電平時,場效應(yīng)管N1導(dǎo)通,進而導(dǎo)通場效應(yīng)管P1完成對微推銷器的驅(qū)動。起爆執(zhí)行模塊電路同理。為了防止場效應(yīng)管P1和P2誤導(dǎo)通(誤解除保險和誤起爆微起爆器),B、C端口和D、E端口應(yīng)在引信電路上電或下電時,電平變化保持一致[17]。此外,由于引信工作環(huán)境中的電磁干擾一般為共模干擾,也不會使場效應(yīng)管P1和P2誤導(dǎo)通。因此,對電路控制指令采用防差錯設(shè)計能夠有效地提高引信電路的工作安全性和穩(wěn)定性。

1.5 電路小型化設(shè)計

為了適應(yīng)引信小型化的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)要求,對電路進行了小型化設(shè)計。同時在電路小型化的基礎(chǔ)上也要保證引信功能的正常。因此從元器件選型、布局、布線等方面對電路板進行小型化設(shè)計。在不影響引信電路功能實現(xiàn)和保證電氣性能的基礎(chǔ)上,選用了封裝尺寸小的元器件,以及減少部分元器件數(shù)量[18],例如在芯片性能相同的基礎(chǔ)上,與國外FPGA芯片對比,選用BGA封裝且尺寸為3.9 mm×3.3 mm的國產(chǎn)FPGA芯片以及UTDFN4L-1*1MM封裝的射頻線性穩(wěn)壓器和0402封裝的電阻、電容等。同時采用元器件均勻、緊湊地排列在PCB板上以及減少和縮短了各元器件之間的引線和連接的方式來減少電磁干擾。在上述基礎(chǔ)上設(shè)計印制了PCB電路板,尺寸為Φ 28 mm×1.6 mm。如圖6所示。

圖6 印制電路板

2 電路時序波形仿真驗證

在上文所提出的電路設(shè)計基礎(chǔ)上,運用硬件編程語言Verilog VHDL進行了相關(guān)電路程序的編寫,完成了基于國產(chǎn)FPGA開發(fā)軟件FUXI和Modelsim的聯(lián)合仿真。

引信延期、近炸和觸發(fā)作用起爆方式電路的仿真波形圖分別如圖7、圖9、圖10所示。

圖7 延期起爆仿真波形

以延期起爆為例,進行仿真波形時序的分析。為了減少仿真時間,本文中等比縮小了引信電路實際作用時間105倍。圖8中E4、B2、C4分別表示彈目水平距離、彈丸相對高度、起爆信號;A、B、C、D、E分別表示充電控制指令、解除保險組合指令和起爆執(zhí)行組合,對應(yīng)圖5中的A、B、C、D、E端口。電路工作時序如下:當(dāng)彈目水平距離達到設(shè)定閾值后,E4變?yōu)楦唠娖?配置A端口輸出高電平并持續(xù)3 μs,儲能電容充電電路導(dǎo)通,電容充電,充電結(jié)束時配置B、C端口分別輸出高電平和低電平并持續(xù)3 μs,解除保險模塊電路導(dǎo)通,儲能電容完成對微電推銷器的放電從而解除保險;當(dāng)彈藥彈道相對高度達到設(shè)定閾值后,B2輸出高電平,配置A端口輸出高電平并持續(xù)3 μs,充電電路再次導(dǎo)通,電容再次充電,充電結(jié)束延時一定時間后,當(dāng)起爆信號到來時,C4輸出高電平,延遲0.5 μs后,配置B、C端口分別輸出高電平和低電平并持續(xù)3 μs,起爆執(zhí)行模塊電路導(dǎo)通,儲能電容完成對微起爆器的放電從而起爆微起爆器。仿真結(jié)果驗證了電路邏輯時序正常,能夠按照預(yù)定邏輯順序解除保險和起爆微起爆器。

圖8 延期起爆仿真波形時間測量

圖9 觸發(fā)起爆仿真波形

圖10 近炸起爆仿真波形

3 電路功能試驗驗證

搭建了如圖11所示的安全與起爆控制電路試驗裝置。

圖11 安全與起爆控制電路試驗裝置

文中選用的微電推銷器和微起爆器的內(nèi)阻分別為2 Ω和5 Ω,選用阻值相同的等效電阻代替。圖中數(shù)字1～5分別表示數(shù)據(jù)采集卡、直流電源、等效電阻、安全與起爆控制電路板、電腦。在上述試驗裝置上分別進行了電路安全與解除保險功能試驗和起爆功能試驗,試驗結(jié)果表明了安全與起爆控制電路能夠安全可靠地解除保險和實現(xiàn)多功能起爆。

3.1 安全與解除保險功能試驗

安全與解除保險功能包括安全功能和解除保險功能。其中安全功能是指引信電路上電后,在未接收到有效信號時,充電電路處于斷開狀態(tài),引信處于安全狀態(tài)。解除保險功能是指充電電路中的場效應(yīng)管N1導(dǎo)通,儲能電容充電至滿電荷控制解除保險模塊電路中的場效應(yīng)管P1導(dǎo)通,進而完成對微電推銷器的放電從而解除保險。

引信電路在接收到B、C端口輸出的有效解除保險組合指令后,微電推銷器兩端的電壓輸出波形如圖12所示。本文中所選取的微電推銷器內(nèi)阻為2 Ω,解除保險電流為1.3 A。根據(jù)圖中的電壓隨時間的變化趨勢和歐姆定律可以計算出經(jīng)過微電推銷器電流大小在1.3 A以上,因此引信電路可以安全可靠地解除保險。

圖12 解除保險信號輸出波形

3.2 起爆功能試驗

起爆功能試驗是驗證電路按引信觸發(fā)、近炸及延期作用方式給出對應(yīng)的起爆信號。其中引信通過裝定不同的程序信息實現(xiàn)相對應(yīng)的起爆功能。

電路設(shè)計選用的微起爆器電阻為5 Ω,可在0.6 A直流電流作用下可靠發(fā)火。當(dāng)引信電路接收到有效起爆信號時,電路輸出的起爆波形如圖13所示。根據(jù)圖中電壓信號變化趨勢和歐姆定律可計算出起爆電流大小大于0.6 A,因此引信電路可以可靠起爆微起爆器。

如圖14所示,當(dāng)引信裝定的程序信息其作用方式為觸發(fā)起爆時,根據(jù)電路功能設(shè)計,當(dāng)彈藥擊中目標(biāo)時,電路接收到上位機輸出的觸發(fā)起爆信號,起爆執(zhí)行模塊電路導(dǎo)通,儲能電容放電,引爆微起爆器。

圖14 觸發(fā)起爆輸出波形

圖15是近炸起爆輸出波形圖,當(dāng)引信裝定的程序信息其作用方式為近炸起爆時,根據(jù)電路功能設(shè)計,環(huán)境與目標(biāo)探測裝置探測目標(biāo),當(dāng)彈丸目標(biāo)距離達到可起爆條件時,電路接收到上位機輸出的近炸起爆信號,起爆執(zhí)行模塊電路導(dǎo)通,儲能電容放電,引爆微起爆器,引信實現(xiàn)近炸起爆功能。

圖16是延期起爆輸出波形圖,當(dāng)引信裝定的程序信息其作用方式為延期起爆時,根據(jù)電路功能設(shè)計,當(dāng)彈藥擊中目標(biāo)時,電路接收到延期起爆信號,即碰目標(biāo)信息出現(xiàn)后,信息處理模塊電路以此為基點開始計時,計時50 ms后,FPGA立即配置B、C端口分別輸出高電平和低電平,控制儲能電容對微起爆器放電,實現(xiàn)延期作用方式的起爆功能。

圖15 近炸起爆輸出波形

圖16 延期起爆輸出波形

4 結(jié)論

1) 本文中設(shè)計的基于FPGA的引信安全與起爆控制電路結(jié)構(gòu)簡單,體積小,易于實現(xiàn)。

2) 電路時序波形仿真試驗驗證了在正常工作情況下電路按照引信3種作用方式(觸發(fā)、近炸、延期)輸出的邏輯時序正常,均可按照預(yù)定邏輯設(shè)計驅(qū)動微電推銷器和起爆微起爆器。

3) 電路功能試驗分別驗證了印制電路板輸出的解除保險電流和起爆電流均大于微電推銷器安全解除保險和微起爆器可靠起爆所需電流,表明了引信電路能夠安全可靠地驅(qū)動微電推銷器和起爆微起爆器;試驗中電路板輸出的3種起爆信號(觸發(fā)、近炸、延期)波形表明了引信電路能夠?qū)崿F(xiàn)多功能起爆。