远程点火电源的设计

远程点火电源的设计

张颖段兰波

西安航天新宇机电装备有限公司 710000 西安航天动力测控技术研究所 710000

摘要：传统电雷管起爆是采用低压高电流的方式使桥丝电阻迅速升温来起爆的一种民用爆炸装置，电雷管可以采用并联的方式实现几路同时点火，但受到电能供给限制，无法实现更多路甚至几十路的同时点火。为此提出研制一种网络化远程点火系统，可以实现40路时序点火，该系统采用低压恒流方式来使桥丝电阻稳定升温来引燃发动机。该系统采用网络通讯方式把控制端和执行端分开，便于后续发动机点火上的应用推广。

关键词：远程、点火、电源

1 概述

固体火箭发动机常用点火装置由起爆器、点火器和一些辅助部件组成。起爆器在电能和其他非电能量的激发下使起爆器起爆，继而点燃点火器，点火器所产生的炽热火焰点燃发动机主装药。国内目前导弹和火箭发动机点火系统安全设计思想是以结构钝感为主，对药剂以防护为主，安全要求是满足1A/1W不发火。

传统的机械隔离的错位式安全点火是采用机械的安全机构隔离点火通路，点火时序是通过安全机构的拔销来实现，这类机械隔离的点火系统主要存在结构复杂，体积大，重量重的缺点，正逐步被全电子的点火系统所替代。直列式安全点火系统采用高压大电流的瞬间起爆方式，安全可靠、起爆时间短等优点，但由于冲击片爆炸箔和直列式点火电源的成本偏高，目前只在对点火瞬发性要求严以及起爆时序要求很严的系统中采用。

传统电雷管起爆是采用低压高电流的方式使桥丝电阻迅速升温来起爆的一种民用爆炸装置，电雷管可以采用并联的方式实现几路同时点火，但受到电能供给限制，无法实现更多路几十路的同时点火。为此提出了研制一种网络化远程点火系统，可以实现40路时序点火，该系统采用低压恒流方式来使桥丝电阻稳定升温来引燃发动机。该系统采用网络通讯方式把控制端和执行端分开，便于后续发动机点火上的应用推广。

2 系统组成

该项目设计的网络远程点火系统，采用工业级的设计方案，发控端和执行端分开设计，采用以太网和RS485两种通讯方式，远端控制满足操作人员安全距离要求，自带蓄电池满足野外无电源情况的下发火试验。产品研制成功后，可以满足40路点火头的可控发火，具有时序控制能力。

要达到的技术性能指标和参数：

储存温度：-40℃-60℃ 工作温度：-10℃-40℃

相对湿度：不大于95%（35℃）

发火电流：5A~8A 发火路数：40路

多路电源的恒流点火是项目的核心技术，考虑到40路同时点火需要的瞬时电流很大（约200A~320A），采用了模块化的设计思路，采用了3块驱动板来组成整个恒流点火电路。每块驱动板采用一块锂电池供电，每块锂电池可以提供稳定的150A电流。

恒流驱动发生器是整个点火系统的核心部分，它的稳定性、可靠性及保护能力决定了点火系统的能否稳定运行。欧创芯半导体公司高性能高端电流检测降压恒流驱动OC5033是一款最高工作频率可达1MHz、最大电压可达60V，最大恒流10A的高精度驱动器，内置了过温保护电路和高端电流检测电路，电流精度可达3%，本项目围绕OC5033设计一款恒流驱动电路。整个点火系统具有完善的过压、过流保护，具有理想的电磁兼容性能，非常适合目前点火系统的应用。系统的整体框图如图1所示。

图1 点火系统整体框图

本项目研究的主要内容：

a）电源的电磁兼容性

本项目设计的点火系统由于诸多元器件性能参数的影响，必定会在工作频率及倍频点对电源母线上和空间辐射上产生一定的尖峰扰动，如何减小点火系统在点火瞬间时候对外的传导发射和空间辐射是本项目的重点研究内容。

b）恒流源的设计

由于点火头工作需要5A~8A的电流来生产热量引燃点火头，本项目采用的OC5033恒流驱动电路，由于采用了电感电流滞环控制方式，对瞬间负载变化有很快的响应，对输入电压有高的抑制比，电感的纹波电流约为20%。

c）网络通讯功能

考量到40路点火的安全性，操作人员和发动机药柱端有500米以上的距离，设计系统采用了RJ45网络通讯和RS485通讯两种方式，采用有人科技的USR-K2以及TP-LINK的光电转换盒进行网络通讯，为了增加远距离通讯的可靠性，采用了自定义的数据格式以及累加和的检验方式。

d）UI界面的开发

本系统的发控端采用了小型彩色液晶屏进行UI界面显示，UI界面设计的合理性和操作方便性对项目的成功非常关键，本UI界面采用控件开发方式，实现了显示文本框、数据框、信息提示框以及类型选择，在满足用户使用的条件前提下，界面美观、简洁、大方，符合发射流程。

3 硬件电路设计

3.1发控端设计

RS485通讯芯片具有隔离输出电源脚，可以自动收发数据，电磁辐射EMI极低，具有集成电源隔离，信号隔离和总线ESD保护功能。

RJ45网络通讯选用有人科技的超级网口USER-K2，是一款小体积的串口转以太网模块，能实现RJ45网口与串口之间直接的数据透明传输的设备。

发控端单片机选择MSP430F5438,具有低电压、超低功耗，快速苏醒的特点，从待机模式下恢复工作，只需要不到6μS时间。该芯片具有内部参考电压源和片内比较器，具有采样、保持、自动扫描等功能。

3.2执行端设计

执行端由四块电路板组成，一块控制板和三块点火板，均为双层板。

点火电路进行模块化设计，三块点火板控制40路时序点火。

驱动控制器选用OC5033芯片，是一款高端电流检测降压型高精度的恒流驱动控制器。该芯片效率可达96%，低压差工作时，可保持高稳定性，具有过温保护功能。

4 软件设计

点火系统采用模块化的思路进行软件开发，方便功能的裁剪和修改。

4.1 点火系统软件设计

编程软件：IAR Embedded Workbench

编程语言：C语言

点火系统由控制端和执行端两部分组成，都是采用MSP430单片机进行开发，采用C语言进行编程，采用了前后台、模块化编程方式，方便系统进行功能裁剪，在编程方面充分考虑通讯的可靠性，采用了帧格式+累计和的检验方式，满足了远距离的通讯准确。

4.2 UI界面程序

设计软件：VisualTFT

考虑系统的开发简便，采用了串口彩屏进行开发。VisualTFT软件具有所见即所得的界面开发功能，通过内置的各种控件可以实现界面的快速开发、还可以通过虚拟串口进行功能性验证。在控制端的开发中，用VisualTFT进行界面的设计，在单片机程序中实现通道的单选、多选、全选操作，设置解保和点火功能按键。

参考文献

[1]熊聪聪，宁爱军.C语言程序设计[M].北京：人民邮电出版社,2021.

[2]王海.工业控制网络[M].北京：化学工业出版社，2018.