论文部分内容阅读
【摘要】介绍了AD公司的ADXL78系列加速度芯片的基本工作原理。利用该系列的AD22280芯片设计了一种飞行体引信电子保险装置，使集成微机电（iMEMS）技术成功地应用于研制项目，改变了以往飞行体引信单纯依靠机械惯性保险装置工作的状况，并通过了多次实验室和外场试验验证。结果表明该电子加速度保险装置具有很高的可靠性，可完全取代原有机械惯性保险装置。此外，该设计还为飞行体引信进一步朝电子化、智能化方向的发展奠定了基础。
【关键词】iMEMS；加速度；引信；电子保险
1.引言
微型电子机械系统是一个迅速发展的多学科技术交叉的领域，利用半导体加工方法制作的微尺度的机械、流体、电子、光学及其它一些器件，常常同微电子电路集成在一起完成传感、信号处理、计算、控制和执行等功能。
随着引信系统智能化的趋势，机电和安全电子系统以其高度的信息化特点将逐步在引信设计中占主导地位，安全系统也是如此。在某飞行体设计中，依据其所采用发动机的设计参数，我们设计了一种基于加速度传感器AD22280及其外围电路的电子加速度保险装置，通过感知飞行体在飞行过程中的加速度来控制点火回路的接通，经过数次试验证明了该设计的有效性与可靠性。该电子加速度保险装置可取代原有的机械惯性保险装置。
2.基于AD22280的电子加速度保险装置设计
2.1 AD22280介绍
AD22280是AD公司生产的ADXL78系列中的一款低功耗、单轴加速度测量系统，可测试动态加速度和静态加速度（重力加速度）。ADXL78系列是AD公司第四代低成本、高性能，表面微机械加速度计。其物理尺寸为5mm×5mm×2mm，8引脚陶瓷LCC封装，量程为±50g，全差分传感器，电路抗电磁干扰性能高。带电或不带电情况下可承受极限加速度值为4000g，工作和贮存温度范围为-40～105℃。图1为ADXL78功能模块图。
2.2 ADXL78工作原理
ADXL78提供了一种完全地差分传感器结构和电路通道，达到了行业内最高的抗电磁干扰和射频干扰效果。这种最新的产品利用零压力电反馈改进精确性和稳定性。该传感器的共振频率显著地高于片上滤波器信号带宽设置，避免了由信号带宽附近的共振频率峰值引起的信号分析问题。
图2是ADXL78系列加速度芯片内部差分传感器原理的示意图。每个传感器包含几个差分电容器单元。每个单元又由附着在基底的固定电极和附着在框架的移动电极组成。框架的移动改变了片上电路测量的差分电容。
器件内部补充的400kHz方波驱动固定电极。电反馈调整方波的幅度确保移动电极上的交流信号为0。传感器反馈信号与外部施加的加速度线性成比例。这种独特的反馈技术保证了没有多余的静电力作用于传感器上。差分反馈控制信号同样应用到了滤波器的输入端，输入端被滤波并且转换成了单端输出信号。
2.3 引信电子加速度保险装置原理及组成
基于上述加速度传感器，我们设计了一型电子加速度保险装置，用于替代传统电子引信中的机械惯性保险装置。
2.3.1 电子加速度保险装置工作原理
电子加速度保险装置由引信电路为其提供+5V工作电源，提供时机为发射控制系统为引信提供工作电源的同时，确保保险装置能够在飞行体发动机工作的有效时间段内检测其运动加速度。保险装置上电工作后，微处理器开始检测两路加速度输出信号，根据对加速度传感器输出信号的实时采集、判断，确定当加速度满足飞行体运动全过程时，适时输出一定时长的时钟信号，使点火回路开关接通，保证飞行体后续正常的分离、布放点火。当时钟信号结束后，及时断开点火回路，保证系统安全。
2.3.2 电子加速度保险装置组成
电子加速度保险装置主要由PIC处理器、冗余加速度模块、单稳态电路以及开关管电路组成，如图3所示。
PIC处理器采用Microchip公司的PIC12F675低功耗单片机，该单片机为8引脚闪存CMOS单片机。内部集成了看门狗、E2PROM、AD转换器等功能单元，具有体积小、低功耗、宽电压工作范围等一系列优势。PIC处理器主要完成对两路加速度信号的采集，根据判断策略决定是否输出开关接通信号。图4给出了电子加速度保险装置中PIC单片机及其外围电路。其中，D1为电子加速度保险装置工作指示灯。
电子加速度保险装置采用两个加速度模块电路作为系统冗余设计。加速度模块电路由AD22280及其外围电路组成。其外围电路如图5所示。
加速度模块电路为AD公司推荐的典型电路。其中C2、C3为电源滤波电容，C4为加速度电压输出信号滤波电容，R2为电源去耦电阻。ST端为外部提供的测试电源输入端，当ST端输入5V电压时，加速度芯片的XOUT端将输出约2.9V左右的电压，相当于10g加速度对应的电压值。
单稳态电路主要采用74AHC123A芯片实现，将PIC单片机输出的时钟信号（CLOCK）转换为Q端的高电平，保证保险装置持续接通。同时从系统上电，至保险装置开关接通前，利用低电平（CLEAR信号）使单稳态电路Q端强制输出低电平，确保保险装置开关不意外接通。待检测到加速度完整过程后，改变CLEAR信号为高电平，解除单稳态强制低电平输出，再通过时钟信号使保险装置开关接通。时钟信号结束，单稳态强制拉低，保险装置开关断开，确保系统安全。
开关管电路利用单稳态电路提供的高电平信号控制MOS管工作，MOS管的输入输出端分别接点火电源输入及输出，为点火序列提供发火能量。其中BATT_IN为点火电源输入，BATT_OUT为点火电源输出。
经理论计算，电子加速度保险装置静态功耗为15mA左右，符合引信低功耗设计要求。
3.电子加速度保险装置软件设计 由于电子加速度保险装置采用了微处理器加传感器的设计模式，因此需要对微处理器进行程序编写，借助软硬件联合手段实现电子加速度保险装置的功能。
电子加速度保险装置软件的主要功能为：当系统为保险装置提供5V工作电源后，电路开始工作，微处理器首先上电复位，完成系统初始化，随后微处理器开始以一定时间间隔对连接到两路加速度传感器输出的模拟输入进行交叉采样，并在每路信号采样结束后完成对采样数据的判别处理，依据对连续结果的判断，确定出每路加速度结果的上升沿（或下降沿）以及持续时间（上升沿还是下降沿依据加速度传感器在飞行体的安装方向，此处按初始出现下降沿介绍），根据加速度门限值与过门限值后的持续时间确定是否输出一定时间的时钟信号，使保险装置开关在该时间段内接通，为点火任务提供点火电源。时钟信号的输出时间到达后，微处理器结束时钟信号输出，保险装置开关断开，确保系统安全。电子加速度保险装置软件流程图如图8所示。
4.试验结果及分析
4.1 实验室验证
如图3所示，电子加速度保险装置与引信电路有两路加速度的接口，而加速度芯片的输出也通过跳线与PIC12F675单片机的模拟采样端口连接。因此在实验室验证时，可跳开跳线，断开加速度芯片与PIC单片机的连接，通过引信接插件端口为电子加速度保险装置后级电路提供模拟加速度信号，检验除加速度模块之外的其他电路功能的正确性。图9给出了实验室模拟信号输入情况下的验证结果，电子加速度保险装置在加速度判断满足判决准则后可靠接通。
4.2 外场试验验证
电子加速度保险装置经过实验室验证后，又在外场试验中经历了近百次检验，均可靠地完成了其使命任务。这足以证明电子加速度保险装置在实际使用过程中的有效性，足以替代原有的机械惯性保险装置。
图10为某飞行体一次飞行试验过程中的轴向加速度曲线及对应的电子加速度保险装置开关工作状态记录。同实验室验证结果一致，电子加速度保险装置在弹体轴向加速度出现且持续一定时间后可靠解除保险。此外，图10还记录了该飞行体飞行过程中的几个典型阶段的轴向加速度。A、B、C、D分别代表了其发射、分离、开伞以及触地四个阶段的轴向加速度示意图。
5.结束语
本文给出了基于加速度芯片AD22280的引信电子加速度保险装置的基本原理、硬件电路和软件设计。经过实验室验证和多次外场试验验证，证明了电子加速度保险装置的有效性与可靠性，可完全替代原有引信的机械惯性保险装置。同时，电子加速度保险装置的设计还为飞行体引信设计进一步朝电子化、智能化方向的发展奠定了基础。
参考文献
[1]李东杰，何承基.全电子引信技术及其发展[C].2002中国控制与决策学术年会论文集.
[2]孙晓波，曹旭平，李世义，李杰.引信电子安全系统的发展[M].探测与控制学报，2003（2）：46-49.
[3]孙磊，张河，周晓东.一种微机电（MEMS）引信安全系统[M].探测与控制学报，2004（2）：10-12.
[4]李豪杰，张河.引信安全系统及其功能范畴探讨[M].探测与控制学报，2006（5）：4-7.
[5]张荔，韩良.加速度传感器ADXL105的原理及实验研究[M].山西电子技术，2007（5）：9-12.
[6]王雨时.引信安全系统及安全性现状与发展对策[M].探测与控制学报，2008（6）：1-4.
作者简介：姚海涛（1979—），女，硕士，现供职于宜昌测试技术研究所，主要从事电子对抗技术研究。
【关键词】iMEMS；加速度；引信；电子保险
1.引言
微型电子机械系统是一个迅速发展的多学科技术交叉的领域，利用半导体加工方法制作的微尺度的机械、流体、电子、光学及其它一些器件，常常同微电子电路集成在一起完成传感、信号处理、计算、控制和执行等功能。
随着引信系统智能化的趋势，机电和安全电子系统以其高度的信息化特点将逐步在引信设计中占主导地位，安全系统也是如此。在某飞行体设计中，依据其所采用发动机的设计参数，我们设计了一种基于加速度传感器AD22280及其外围电路的电子加速度保险装置，通过感知飞行体在飞行过程中的加速度来控制点火回路的接通，经过数次试验证明了该设计的有效性与可靠性。该电子加速度保险装置可取代原有的机械惯性保险装置。
2.基于AD22280的电子加速度保险装置设计
2.1 AD22280介绍
AD22280是AD公司生产的ADXL78系列中的一款低功耗、单轴加速度测量系统，可测试动态加速度和静态加速度（重力加速度）。ADXL78系列是AD公司第四代低成本、高性能，表面微机械加速度计。其物理尺寸为5mm×5mm×2mm，8引脚陶瓷LCC封装，量程为±50g，全差分传感器，电路抗电磁干扰性能高。带电或不带电情况下可承受极限加速度值为4000g，工作和贮存温度范围为-40～105℃。图1为ADXL78功能模块图。
2.2 ADXL78工作原理
ADXL78提供了一种完全地差分传感器结构和电路通道，达到了行业内最高的抗电磁干扰和射频干扰效果。这种最新的产品利用零压力电反馈改进精确性和稳定性。该传感器的共振频率显著地高于片上滤波器信号带宽设置，避免了由信号带宽附近的共振频率峰值引起的信号分析问题。
图2是ADXL78系列加速度芯片内部差分传感器原理的示意图。每个传感器包含几个差分电容器单元。每个单元又由附着在基底的固定电极和附着在框架的移动电极组成。框架的移动改变了片上电路测量的差分电容。
器件内部补充的400kHz方波驱动固定电极。电反馈调整方波的幅度确保移动电极上的交流信号为0。传感器反馈信号与外部施加的加速度线性成比例。这种独特的反馈技术保证了没有多余的静电力作用于传感器上。差分反馈控制信号同样应用到了滤波器的输入端，输入端被滤波并且转换成了单端输出信号。
2.3 引信电子加速度保险装置原理及组成
基于上述加速度传感器，我们设计了一型电子加速度保险装置，用于替代传统电子引信中的机械惯性保险装置。
2.3.1 电子加速度保险装置工作原理
电子加速度保险装置由引信电路为其提供+5V工作电源，提供时机为发射控制系统为引信提供工作电源的同时，确保保险装置能够在飞行体发动机工作的有效时间段内检测其运动加速度。保险装置上电工作后，微处理器开始检测两路加速度输出信号，根据对加速度传感器输出信号的实时采集、判断，确定当加速度满足飞行体运动全过程时，适时输出一定时长的时钟信号，使点火回路开关接通，保证飞行体后续正常的分离、布放点火。当时钟信号结束后，及时断开点火回路，保证系统安全。
2.3.2 电子加速度保险装置组成
电子加速度保险装置主要由PIC处理器、冗余加速度模块、单稳态电路以及开关管电路组成，如图3所示。
PIC处理器采用Microchip公司的PIC12F675低功耗单片机，该单片机为8引脚闪存CMOS单片机。内部集成了看门狗、E2PROM、AD转换器等功能单元，具有体积小、低功耗、宽电压工作范围等一系列优势。PIC处理器主要完成对两路加速度信号的采集，根据判断策略决定是否输出开关接通信号。图4给出了电子加速度保险装置中PIC单片机及其外围电路。其中，D1为电子加速度保险装置工作指示灯。
电子加速度保险装置采用两个加速度模块电路作为系统冗余设计。加速度模块电路由AD22280及其外围电路组成。其外围电路如图5所示。
加速度模块电路为AD公司推荐的典型电路。其中C2、C3为电源滤波电容，C4为加速度电压输出信号滤波电容，R2为电源去耦电阻。ST端为外部提供的测试电源输入端，当ST端输入5V电压时，加速度芯片的XOUT端将输出约2.9V左右的电压，相当于10g加速度对应的电压值。
单稳态电路主要采用74AHC123A芯片实现，将PIC单片机输出的时钟信号（CLOCK）转换为Q端的高电平，保证保险装置持续接通。同时从系统上电，至保险装置开关接通前，利用低电平（CLEAR信号）使单稳态电路Q端强制输出低电平，确保保险装置开关不意外接通。待检测到加速度完整过程后，改变CLEAR信号为高电平，解除单稳态强制低电平输出，再通过时钟信号使保险装置开关接通。时钟信号结束，单稳态强制拉低，保险装置开关断开，确保系统安全。
开关管电路利用单稳态电路提供的高电平信号控制MOS管工作，MOS管的输入输出端分别接点火电源输入及输出，为点火序列提供发火能量。其中BATT_IN为点火电源输入，BATT_OUT为点火电源输出。
经理论计算，电子加速度保险装置静态功耗为15mA左右，符合引信低功耗设计要求。
3.电子加速度保险装置软件设计 由于电子加速度保险装置采用了微处理器加传感器的设计模式，因此需要对微处理器进行程序编写，借助软硬件联合手段实现电子加速度保险装置的功能。
电子加速度保险装置软件的主要功能为：当系统为保险装置提供5V工作电源后，电路开始工作，微处理器首先上电复位，完成系统初始化，随后微处理器开始以一定时间间隔对连接到两路加速度传感器输出的模拟输入进行交叉采样，并在每路信号采样结束后完成对采样数据的判别处理，依据对连续结果的判断，确定出每路加速度结果的上升沿（或下降沿）以及持续时间（上升沿还是下降沿依据加速度传感器在飞行体的安装方向，此处按初始出现下降沿介绍），根据加速度门限值与过门限值后的持续时间确定是否输出一定时间的时钟信号，使保险装置开关在该时间段内接通，为点火任务提供点火电源。时钟信号的输出时间到达后，微处理器结束时钟信号输出，保险装置开关断开，确保系统安全。电子加速度保险装置软件流程图如图8所示。
4.试验结果及分析
4.1 实验室验证
如图3所示，电子加速度保险装置与引信电路有两路加速度的接口，而加速度芯片的输出也通过跳线与PIC12F675单片机的模拟采样端口连接。因此在实验室验证时，可跳开跳线，断开加速度芯片与PIC单片机的连接，通过引信接插件端口为电子加速度保险装置后级电路提供模拟加速度信号，检验除加速度模块之外的其他电路功能的正确性。图9给出了实验室模拟信号输入情况下的验证结果，电子加速度保险装置在加速度判断满足判决准则后可靠接通。
4.2 外场试验验证
电子加速度保险装置经过实验室验证后，又在外场试验中经历了近百次检验，均可靠地完成了其使命任务。这足以证明电子加速度保险装置在实际使用过程中的有效性，足以替代原有的机械惯性保险装置。
图10为某飞行体一次飞行试验过程中的轴向加速度曲线及对应的电子加速度保险装置开关工作状态记录。同实验室验证结果一致，电子加速度保险装置在弹体轴向加速度出现且持续一定时间后可靠解除保险。此外，图10还记录了该飞行体飞行过程中的几个典型阶段的轴向加速度。A、B、C、D分别代表了其发射、分离、开伞以及触地四个阶段的轴向加速度示意图。
5.结束语
本文给出了基于加速度芯片AD22280的引信电子加速度保险装置的基本原理、硬件电路和软件设计。经过实验室验证和多次外场试验验证，证明了电子加速度保险装置的有效性与可靠性，可完全替代原有引信的机械惯性保险装置。同时，电子加速度保险装置的设计还为飞行体引信设计进一步朝电子化、智能化方向的发展奠定了基础。
参考文献
[1]李东杰，何承基.全电子引信技术及其发展[C].2002中国控制与决策学术年会论文集.
[2]孙晓波，曹旭平，李世义，李杰.引信电子安全系统的发展[M].探测与控制学报，2003（2）：46-49.
[3]孙磊，张河，周晓东.一种微机电（MEMS）引信安全系统[M].探测与控制学报，2004（2）：10-12.
[4]李豪杰，张河.引信安全系统及其功能范畴探讨[M].探测与控制学报，2006（5）：4-7.
[5]张荔，韩良.加速度传感器ADXL105的原理及实验研究[M].山西电子技术，2007（5）：9-12.
[6]王雨时.引信安全系统及安全性现状与发展对策[M].探测与控制学报，2008（6）：1-4.
作者简介：姚海涛（1979—），女，硕士，现供职于宜昌测试技术研究所，主要从事电子对抗技术研究。