电子安全系统备用解除保险模块逻辑设计.pdf

第 卷 第 期兵 器 装 备 工 程 学 报 年 月 收稿日期:修回日期:基金项目:毁伤技术重点学科研究基金项目()作者简介:张欣港()男硕士研究生:.通信作者:彭志凌()男博士副教授:.:./.电子安全系统备用解除保险模块逻辑设计张欣港彭志凌段昊言陈子华(中北大学 机电工程学院 太原)摘要:基于引信电子安全与解除保险装置所强调的安全性与可靠性设计思想提出了一种备用解除保险模块的设计方案 该设计方案针对电子安全与解除保险装置中双逻辑控制芯片的组成结构在实现原有逻辑控制功能的基础上利用逻辑控制芯片上剩余的硬件资源同时对电子开关电路进行优化实现了在任何一片逻辑控制芯片失效的情况下另一片芯片依靠备用逻辑控制模块仍能完成解除保险工作 使用 芯片搭建功能验证电路并通过测试软件对模块预设功能进行时序仿真验证(运用马尔可夫理论对所设计的备用保险模块的保险与解除保险逻辑进行分析验证能够满足提高引信安全性的要求)该模块在保证原有电子安全与解除保险装置结构与功能的同时提高了安全性与抗干扰能力对电子安全系统的安全性冗余设计提供新的思路关键词:引信电子安全系统逻辑设计软件仿真本文引用格式:张欣港彭志凌段昊言等.电子安全系统备用解除保险模块逻辑设计.兵器装备工程学报():.:.():.中图分类号:.文献标识码:文章编号:()():.(.).:引言引信电子安全系统即电子安全与解除保险装置()自 世纪 年代美国首次公开以来伴随着冲击片雷管起爆技术的不断发展已经有了比较完善且成熟的结构与时序功能且本身能够实现重复功能测试便于后续系统调试作业得到了广泛的应用未来战场面临着高科技、高烈度、强电磁干扰的环境这对抗电磁干扰能力较弱的全电子安全系统在安全性方面提出了更高的要求 传统安全逻辑控制电路通过双专用集成电路()控制串联的解除保险开关电路以达到冗余保险的目的 这种结构的弊端是一旦单芯片及其外围电路出现故障仍会使整个安全系统失去工作能力无法彻底解决单点失效的问题 为了达到在解除保险周期前与周期内将单点失效降至最少的目的可对该结构进行相应的补偿设计随着引信中软件应用范畴的不断扩展和深入随之而来引信软件失效造成的系统故障或事故也会不断增加同时过度防护会带来电子安全系统体积、质量增大限制了引信电子安全系统的小型化的问题 目前国内尚未有人研究双逻辑控制电路单点失效的应急补偿方案本文基于引信传统结构在若干特定情况下的需求设计出了一种在单芯片故障时启用备用解除保险模块的工作模式利用电子安全系统的专用集成电路()芯片中剩余的逻辑阵列资源进行设计同时对芯片以外的开关电路进行优化设计将传统的串联开关电路改成元器件并联型的电路 使电子安全系统在即使有一片 芯片失效的情况下另一片芯片可通过备用解除保险模块接管系统作为应急部件完成解除保险的流程从而在较低的改装成本下提高安全性与可靠性 系统结构设计.电子安全系统结构分析电子安全按系统可分为接口电路、逻辑控制电路、开关电路和起爆电路 如图 所示以某型弹药中电子安全系统为例参考 引信安全设计准则的要求逻辑控制电路由 个“独立的实体”构成即逻辑控制电路中的、电子安全系统的输入端接入了由传感器电路处理好的 个环境电信号、其中 接入、接入 电子安全系统的输出端通常布局方式为 个静态开关分别控制电源与电路地线而动态开关控制高压转换电路同时设计两套独立的控制电路将个保险开关分置其上进而实现冗余保险、时序保险、延期解保等功能图 传统电子安全系统结构图.逻辑控制电路通过识别不同环境信号输入的时间来控制开关电路中开关的闭合来达到解除保险的目的 全电子安全系统用“顺序 阈值 时间窗”的原则进行识别顺序的含义是环境信号随特定时间依次出现每个环境信号都有一个对应的时间范围成为时间窗环境信号只有在规定的时间窗内依次出现连接开关电路对应的输出引脚才会输出信号在全部开关闭合后开关电路导通为高压充电电容提供启动电压进而进入后续引爆步骤 环境信号只有在对应时间窗内出现才能闭合开关时间窗内未出现或出现在别的时间窗都会使安全系统报错并停止工作 提高引信安全性的主要途径有增加独立保险件的个数、巧妙地设计安全系统的逻辑等 由于采用了双 芯片控制开关电路的设计因而两片芯片都有较多资源与引脚的剩余 同时可以看出两片芯片虽然分别处理了不同的环境信息与开关电路但本质上是串联工作关系当一片芯片故障时电子安全系统整体便会失去工作能力属于失效模式中的单点失效 因此利用芯片的剩余资源设计出独立于原有解除保险电路的备用电路使得在特殊环境下由一片芯片接管解除保险工作的逻辑设计具备可行性与实际意义.备用解除保险模块逻辑设计微处理器控制方式提高了引信电路的安全性备用解除保险模块本质上是通过对 芯片编程(此处以 芯片为例)用一片芯片即可完成对静态开关、动态开关 的控制任务的电路 由于 程序编写是将电路划分为不同的功能模块加以整合故将这部分电路称为备用解除保险模块 备用解除保险模块独立于其他的模块在电子安全系统正常工作时备用解除保险模块处于休眠状态不参与对解除保险过程的控制 只有当其中一片芯片出现故障时调用备用解除保险模块作为应急方案接管工作同时将输入的 个环境信号均接入、中两片 芯片均输出 个引脚相对应的引脚两两取或逻辑后接入开关电路使每片 具备独立的环境信号接收能力与开关电路控制能力备用保险模块的软件编写与仿真具备兵 器 装 备 工 程 学 报:/./结构基础 改进后的电子安全系统结构示意图如图 所示图 新型电子安全系统结构示意图.这种设计的 芯片可分别接收全部的环境信号同时可分别控制全部的开关 控制输出开关信号的方式为逻辑上将对应的输出信号进行逻辑运算实现的方式有增加一个逻辑运算芯片整合输入输出接口或在每个功率开关的基础上并联一个功率开关分别接入、连接方法如图 所示图 功率电路连接方法.软件设计.逻辑流程设计安全系统通过 个互相独立的电路控制功率开关来避免共因失效的问题但同时带来了单点失效的隐患 引入备用解除保险模块的目的就是在这种情况下提供应急解决方案从而提高装备的可靠性 研究备用保险模块的启动逻辑流程首先要明确安全系统的故障类型与故障出现的时间弹药出现故障可能出现在贮存期间也可能出现在某个解除保险时的节点 同时为了保证备用保险模块不会误干扰到正常情况下的解除保险工作需要经过多重方法判断故障模式以确保备用保险模块的可靠性 判定流程如下:)系统在通电后首先进行上位机自检通常引信在此阶段若发现故障就会进入报错状态 经优化后的安全系统会首先判定是否出现故障若出现故障后会进一步判断该故障是否符合单一芯片的故障如果不是则报错如果是则进入下一步验证)芯片间通过串口通信进行握手互相发送并接收彼此的工作状态若出现单芯片故障则进入下一步验证若不是系统报错)通过输出端的状态进行反馈芯片故障后输出端会表现出高阻态由此可以作为判定的依据(通信端也视为一种输出反馈)若并非单芯片故障则报错若是则判定符合条件可以启动备用解除保险模块 判定流程如图 所示该判定流程所需时间极短相较于整个但要工作流程来说可以忽略不计故可在系统工作期间进行多次故障判定在多个时间节点都可以启动备用解除保险模块增加了模块的使用场景的范围 触发备用解除保险模块工作的原因有:识别环境信号的接口电路故障、输出控制开关关闭的接口故障片间通信中断、单个芯片断电、芯片烧毁等图 启动模块的判定流程.系统内部模块设计现拟设定正常工作情况下由芯片 接收环境信号 并控制开关 的闭合芯片 接收环境信号、并控制开关、的闭合 输入信号 对应时间窗、对应时间窗、对应时间窗 引入时间窗的概念可以很好的区分 个电信号张欣港等:电子安全系统备用解除保险模块逻辑设计同时根据模块化的思路可将芯片内部分为若干模块 为外部时钟用于提供工作所需的频率 为复位控制指令可以在故障或需要恢复时结束工作 每片 中都有一个控制模块集成了开关控制、信号传输、判断解除保险状态与故障、高压起爆异常与识别等功能同时控制信号的接收与发送 时间窗模块负责时间窗的打开与闭合并负责环境信号的识别同时向控制模块发送闭合开关的指令或报错信号 为发送数据模块 为接收数据模块 在此基础上加入所设计的备用解除保险模块并接入通信端口、全部的环境信号端口与输出端口等、内部模块框图如图、图 所示 可见备用保险模块与安全系统主体保持相对独立 正常工作时安全系统的结构与功能基本不变全部的时间窗与输入、输出信号仅接入备用保险模块并未接入主体系统以保证正常工作时不会出现因结构改变引起的故障图 模块图.图 模块图.如图 所示两 芯片的备用解除保险模块内部结构相同均由一个控制模块信号接收模块、信号发送模块、个时间窗模块组成 同时接收与安全系统相同的通信数据只用在经过多重检验判定系统出现单芯片故障时备用解除保险模块会通过通信获得指令开始工作 解除保险逻辑分析引信本质上是一个信息控制系统假设 个环境解除保险信号分别对应 个静态开关、一个动态开关同时加入一个启动备用保险模块信号其工作过程可视作一个具有 个变量的状态转换流程 引信的安全性是对引信的最基本也是最重要的要求利用随机过程的 理论对备用保险模块的安全性进行分析状态转换图如图 所示图 模块内部功能框图.图 备用保险模块状态转换图.转换图中四位数从右到左第一位表示备用保险模块状态 为未启动 为启动第 位依次表示静态开关、动态开关 为开关断开 为开关闭合 经过分析状态转换图共存在 个状态分别对应不同时刻下的故障情况设引信在上电后出现解除保险或误打开备用保险模块的概率相同为 则对应开关断开或未启动备用保险模块概率为 对状态转换图进行状态转移分析得出其一步转移概率矩阵:兵 器 装 备 工 程 学 报:/./()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()()代入 步转移矩阵公式:()得到未来 时刻解除保险概率:()()()()()因此安全系统解除保险概率 为 ()()取 .代入计算后所设计的包含备用解除保险逻辑模块的安全系统意外解除保险的概率为.满足安全性指标 系统仿真验证根据上述设计的引信电子安全系统备用解除保险模块的结构与功能通过使用 语言编写满足功能的逻辑控制程序并映射出对应的 逻辑电路图 电路如图 所示在编写出的备用解除保险程序的基础上进行时序仿真模拟单芯片故障通信中断与芯片完好但各种接口出现故障的情况下备用解除保险模块的工作时序图 逻辑验证电路.备用保险模块通过串口通信与外界进行信息交换这种通信的特点是用一根导线一次可传输 位串行数据不妨取其中高三位分别表示系统自检结果、片间通信结果和输出反馈结果当系统正常工作时这三位会向备用保险模块输出高电平数据表现为 即:()当其中一片芯片通过自检识别出接口故障(包括输入与输出接口)无法完成闭合开关的工作时经过三重验证后会将这三位的电平拉低即:()表示输出的 位数据在高三位均为 时另一片芯片启动备用保险模块 启动后备用解除保险模块参与的解除保险流程如图 所示图 波形图.当芯片接收到通信信号 高三位信号均为 时备用解除保险模块工作在时间窗内依次接收到对应的环境信号后开关均闭合系统进入起爆状态解除保险的工作过程与正常情况下相同 结论)通过过分析目前引信电子安全系统结构上的不足提出了一种备用保险模块的补偿方法旨在满足安全性指标的前提下增加弹药的使用场景)在现有硬件环境的基础上遵循电子安全系统冗余保险的原则在电子安全系统单芯片失效时备用解除保险模块仍可以完成解除保险流程)系统意外解除保险概率为.满足引信安全性能指标)通过 电路仿真与时序仿真验证的时序满足预设要求为弹药故障应急方案的研究提供参考参考文献:李少卿彭志凌赵河明等.巡飞弹电子安全系统程序张欣港等:电子安全系统备用解除保险模块逻辑设计设计与仿真.兵器装备工程学报():.():.韩克华周俊任西等.引信电子安全定向多点起爆控制电路设计.控制工程():.():.庞博郑松.电子安全系统在舰载水声对抗器材引信中的应用.探测与控制学报():.():.引信安全性设计准则.北京:中国军委装备发展部.:.杨辉高敏.引信软件安全性概念及分析方法.现代引信():.():.郑松展学磊.引信电子安全系统抗电磁干扰隔离距离和金属屏蔽防护计算方法.软件():.():.赵振海.对 引信安全性设计准则的理解与探讨.国防技术基础():.():.甘雨.鱼雷引信全电子安全系统保险与解除保险逻辑设计.鱼雷技术():.():.何光林.引信电子安全系统解除保险逻辑分析.北京理工大学学报():.():.李振亚王海涛.一种微处理器控制电子引信电路的设计.微电子学():.():.郭健孙江涛刘勇涛.适用于空空导弹的全电子安全系统.航空兵器():.():.施聚生李建良.论引信的信息特征.现代引信():.():.吴雷.引信安全逻辑控制电路设计和算法研究.南京:南京理工大学.:.().许皓文尚雅玲惠江海.马尔科夫理论在引信安全系统可靠性分析中的应用.四川兵工学报():.():.科学编辑 屈可朋(西安近代化学研究所研究员)责任编辑 胡君德兵 器 装 备 工 程 学 报:/./