CN106524842B - 一种应用于电子雷管起爆器的数字式自适应直流调压装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种应用于电子雷管起爆器的数字式自适应直流调压装置，包括一枚FPGA主控芯片、一枚数字电阻器、一枚三端可调电压芯片、一个精密检流电阻、一枚检流芯片、一枚AD转换芯片和一枚电平转换芯片，所述电平转换芯片连接到FPGA主控芯片，数字电阻器一端连接到电平转换芯片，另一端连接到三端可调电压芯片的第一端，三端可调电压芯片由直流电源供电，三端可调电压芯片第二端通过精密检流电阻连接到电子雷管阵列，电子雷管阵列同时接在三端可调电压芯片的输出端，检流芯片并联在精密检流电阻上，检流芯片通过AD转换芯片连接到电平转换芯片。本发明的优点在于：使电子雷管阵列中第一支雷管两端的直流供电电压稳定，从而保证起爆任务的顺利完成。

Description

一种应用于电子雷管起爆器的数字式自适应直流调压装置
技术领域
本发明涉及电子雷管起爆器，尤其涉及的是一种电子雷管起爆器的直流调压装置。
背景技术
现代爆破工程既要实现预期的爆破效果，又要有效地降低爆破振动，这对工业延期雷管的延时精度提出了越来越高的要求。普通火药延期雷管的延时偏差大，且这种偏差随着延期时间标称值的增加而增加，难以满足现代爆破工程的延时精度要求。另一方面，由于国际反恐局势严峻，我国也面临越来越大的反恐压力，普通雷管由于起爆简单，不利于管控，极易被恐怖分子加以利用。随着电子技术的快速发展，电子雷管的出现可以有效解决上述两项问题。电子雷管的延时是利用集成电路而不是延期火药来实现的，因此延时精度高，可达到毫秒级；另外，每一支电子雷管在出厂时都有厂家为其设定的ID号，因此电子雷管很容易实现全生命周期的管控。电子雷管爆破系统主要由电子雷管、起爆器和线缆构成。依据爆破行业传统，线缆采用两线制，即起爆器既通过该线缆给电子雷管供电，电子雷管也通过该线缆与起爆器进行通信(设置延时时间)。起爆器与电子雷管之间的安全距离一般为300米，这么长的线缆将产生较大的压降，另外由于爆破任务不同或爆破任务调整将导致电子雷管的数量改变，即起爆器的负载在不断变化，负载的变化又导致线缆产生的压降改变，而电子雷管正常工作须保证电子雷管阵列中第一支雷管两端的直流供电电压稳定，因此为了保证起爆任务的顺利完成，电子雷管起爆器内应当存在一种自适应负载变化的直流调压装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供了一种针对不同负载的数字式自动直流电压调整装置，使电子雷管阵列中第一支雷管两端的直流供电电压稳定，从而保证起爆任务的顺利完成。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：一种应用于电子雷管起爆器的数字式自适应直流调压装置，包括一枚FPGA主控芯片、一枚数字电阻器、一枚三端可调电压芯片、一个精密检流电阻、一枚检流芯片、一枚AD转换芯片和一枚电平转换芯片，所述电平转换芯片连接到FPGA主控芯片，所述数字电阻器一端连接到电平转换芯片，另一端连接到三端可调电压芯片的第一端，三端可调电压芯片由直流电源供电，三端可调电压芯片第二端通过精密检流电阻连接到电子雷管阵列，电子雷管阵列同时接在三端可调电压芯片的输出端，检流芯片并联在精密检流电阻上，检流芯片通过AD转换芯片连接到电平转换芯片。
作为进一步优化的技术方案，所述数字式自适应调压装置的自适应调压过程为：当电子雷管阵列按照爆破方案连接完毕后，起爆器开机，精密检流电阻两端的电压VRs与电子雷管的数量N成正比，检流芯片测量精密检流电阻两端的电压，并将其输出电压VM送至AD转换芯片，FPGA主控芯片控制AD转换芯片开始转换VM并获得VM对应的数字量电压VAD，由于须保证电子雷管阵列中第一支雷管两端的直流供电电压稳定，根据这一要求，FPGA主控芯片通过一定算法计算出数字电阻器芯片的设定值DSet，并以此设定值设置数字电阻器芯片，三端可调电压芯片的输出电压VO将随之改变，从而实现了起爆器可针对不同起爆任务的进行数字式自适应直流调压，保证电子雷管阵列中第一支雷管两端的直流供电电压稳定。
进一步的，FPGA主控芯片芯片采用EP3C25F256I7芯片。
进一步的，数字电阻器芯片采用AD8402AR1芯片，该芯片电阻值RWB(单位：Ω)按式(1)计算：
其中：RAB＝1KΩ，RW＝50Ω，D为数字电阻器芯片的阻值设置值，其取值范围为[0，256]。
进一步的，三端可调电压芯片采用LM317芯片，该芯片的输出电压VO(单位：V)按式(2)计算：
其中RWB为数字电阻器芯片的电阻值，R2＝2.4KΩ，R1＝210Ω。
进一步的，精密检流电阻的标称阻值Rs＝1Ω，其两端的电压VRs按式；(3)计算：
VRs＝I·N·Rs (3)
其中I为单支雷管的额定电流，N为电子雷管数量。
进一步的，检流芯片采用MAX4173T芯片，其增益G＝20V/V，则该芯片测量精密检流电阻两端的电压，其输出电压VM(单位：V)按式(4)计算：
VM＝VRs·G (4)。
进一步的，AD转换芯片采用AD7810，其分辨率为10位，满量程电压为VF＝2.5V，则FPGA主控芯片通过AD转换芯片转换检流芯片的数字量电压VAD按式(5)计算；
进一步的，由于FPGA主控芯片的引脚电平与AD转换芯片和数字电阻器芯片的引脚电平不兼容，故需要一枚电平转换芯片，电平转换芯片采用IDT74FCT164245TPV芯片。
进一步的，为保证电子雷管阵列中第一支雷管两端的直流供电电压稳定，FPGA主控芯片按式(6)计算出数字电阻器的设定值DSet：
其中RL＝22.5Ω为300米线缆电阻，VD＝16V为电子雷管阵列中第一支电子雷管两端的正常工作电压标称值，其它参量与前述一致。
本发明相比现有技术具有以下优点：采用本发明所述的应用于电子雷管起爆器的数字式自适应直流调压装置，可以针对电子雷管数量因不同爆破任务而导致的变化，自适应调节相应直流输出电压，增强了电子雷管起爆器的通用性，使电子雷管阵列中第一支雷管两端的直流供电电压稳定，从而保证起爆任务的顺利完成。
附图说明
图1是应用于电子雷管起爆器的数字式自适应直流调压装置的构成框图；
图2是应用于电子雷管起爆器的数字式自适应直流调压装置(不含FPGA主控芯片和电平转换芯片)的电路原理图。
图3是FPGA主控芯片和电平转换芯片的电路原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
参见图1，本发明应用于电子雷管起爆器的数字式自适应直流调压装置的主体架构包括一枚FPGA主控芯片EP3C25F256I7(11)、一枚数字电阻器芯片AD8402AR1(12)、一枚三端可调电压芯片LM317(13)、一个精密检流电阻RS(14)、一枚检流芯片MAX4173T(15)、一枚AD转换芯片AD7810(16)和电平转换芯片IDT74FCT164245TPV(17)。
参见图2，电阻R1一端接三端可调电压芯片LM317的引脚3，另一端接三端可调电压芯片LM317的引脚2，电阻R2一端接三端可调电压芯片LM317的引脚2，另一端接数字电阻器芯片AD8402AR1的引脚12，电阻R1和电阻R2的阻值固定，这样改变数字电阻器芯片AD8402AR1的电阻值就可以改变三端可调电压芯片LM317的电压输出值；精密检流电阻Rs的一端接检流芯片MAX4173T的引脚4，另一端接检流芯片MAX4173T的引脚5，检流芯片MAX4173T的引脚6接AD转换芯片AD7810的引脚2，这样AD转换芯片AD7810就可以对检流芯片MAX4173T的测得电压进行采样；所有电容的作用均为去耦滤波；电阻R3、R4和R5的作用是限流。
参见图3，结合图2，数字电阻器芯片AD8402AR1的引脚7、8、9分别接到电平转换芯片IDT74FCT164245TPV的引脚3、5、6；AD转换芯片AD7810的引脚1、6、7分别接到电平转换芯片IDT74FCT164245TPV的引脚8、17、11；电平转换芯片IDT74FCT164245TPV的引脚46、44、43、42、38、32分别接到FPGA主控芯片EP3C25F256I7的引脚R7、T4、T7、T6、B14、L7；FPGA主控芯片EP3C25F256I7通过引脚B14的FPGA_AD_SCLK信号经电平转换后为AD转换芯片AD7810提供时钟信号、通过引脚T6的FPGA_AD_CONVST信号经电平转换后控制AD转换芯片AD7810何时开始转化，通过引脚L7的FPGA_AD_DOUT信号接收经电平转换后的AD转换芯片AD7810的转换结果；FPGA主控芯片EP3C25F256I7通过引脚T4的FPGA_AD8402_CLK信号经电平转换后为数字电阻器芯片AD8402AR1提供时钟信号、通过引脚R7的FPGA_AD8402_CS信号经电平转换后对数字电阻器芯片AD8402AR1进行片选、通过引脚T7的FPGA_AD8402_SDI信号经电平转换后对数字电阻器芯片AD8402AR1的电阻值进行设置。
现对实施例进行详细描述。
实施例中所有涉及的参数为：三端可调电压芯片LM317的输入端电压为24V，R1＝210Ω，R2＝2.4KΩ；精密采样电阻Rs＝1Ω；检流芯片MAX4173T增益G＝20V/V；AD转换芯片AD7810的分辨率为10位，满量程电压为VF＝2.5V；数字电阻器芯片AD8402AR1的满量程阻值RAB＝1KΩ，游标触点电阻RW＝50Ω，分辨率为8位；起爆器与电子雷管阵列的安全距离为300米，所使用线缆的阻值RL＝22.5Ω；须保证电子雷管阵列中第一支电子雷管两端的正常工作电压标称值为VD＝16V，误差范围为±5％VD；单支电子雷管的额定电流I＝250μA；此次爆破任务电子雷管数量N＝100支；则本发明应用于电子雷管起爆器数字式自适应调压装置的自适应调压过程为：
1)精密检流电阻两端的电压VRs＝I·N·Rs＝25mV；
2)检流芯片MAX4173T测量精密检流电阻两端的电压，其输出电压
VM＝VRs·G＝0.5V；
3)FPGA主控芯片控制AD转换芯片开始转换VM，并在AD转换芯片转换完毕后接收VM对应的数字量电压VAD：
4)前三步计算结果表明，此次爆破任务中，在所有100支电子雷管连接完好后，起爆器开机，对于FPGA主控芯片来说，它将接收到AD转换芯片输出的数字量电压VAD＝205，于是按式(6)计算出数字电阻器AD8402AR1的设定值DSet＝33；
5)FPGA主控芯片按计算出的设定值DSet＝33对数字电阻器AD8402AR1进行设置，则三端可调电压芯片的输出电压将随之改变；
6)校核电子雷管阵列中第一支电子雷管两端的电压：首先按式(1)和式(2)可计算出三端可调电压芯片的输出电压VO＝16.6V，则电子雷管阵列中第一支电子雷管两端的电压
VD＝VO-I·N·(RL+Rs)＝16.01V,
满足要求。
7)若起爆任务临时有所变动，需要增加或减少雷管个数，则需要先将起爆器关机，然后重新连接电子雷管，待连接完好后，再重复上述第4)步和第5)步即可。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种应用于电子雷管起爆器的数字式自适应直流调压装置，其特征在于，包括一枚FPGA主控芯片、一枚数字电阻器、一枚三端可调电压芯片、一个精密检流电阻、一枚检流芯片、一枚AD转换芯片和一枚电平转换芯片，所述电平转换芯片连接到FPGA主控芯片，所述数字电阻器一端连接到电平转换芯片，另一端连接到三端可调电压芯片的第一端，三端可调电压芯片由直流电源供电，三端可调电压芯片第二端通过精密检流电阻连接到电子雷管阵列，电子雷管阵列同时接在三端可调电压芯片的输出端，检流芯片并联在精密检流电阻上，检流芯片通过AD转换芯片连接到电平转换芯片；
所述数字式自适应直流调压装置的自适应调压过程为：当电子雷管阵列按照爆破方案连接完毕后，起爆器开机，精密检流电阻两端的电压VRs与电子雷管的数量N成正比，检流芯片测量精密检流电阻两端的电压，并将其输出电压VM送至AD转换芯片，FPGA主控芯片控制AD转换芯片开始转换VM并获得VM对应的数字量电压VAD，由于须保证电子雷管阵列中第一支雷管两端的直流供电电压稳定，根据这一要求，FPGA主控芯片通过一定算法计算出数字电阻器芯片的设定值DSet，并以此设定值设置数字电阻器芯片，三端可调电压芯片的输出电压VO将随之改变，从而实现了起爆器可针对不同起爆任务的进行数字式自适应直流调压；FPGA主控芯片芯片采用EP3C25F256I7芯片，数字电阻器芯片采用AD8402AR1芯片，该芯片电阻值RWB(单位：Ω)按式(1)计算：
其中：RAB＝1KΩ，RW＝50Ω，D为数字电阻器芯片的阻值设置值，其取值范围为[0，256]；三端可调电压芯片采用LM317芯片，该芯片的输出电压VO(单位：V)按式(2)计算：
其中RWB为数字电阻器芯片的电阻值，R2＝2.4KΩ，R1＝210Ω；精密检流电阻的标称阻值Rs＝1Ω，其两端的电压VRs按式；(3)计算：
VRs＝I·N·Rs (3)
其中I为单支雷管的额定电流，N为电子雷管数量；
检流芯片采用MAX4173T芯片，其增益G＝20V/V，则该芯片测量精密检流电阻两端的电压，其输出电压VM(单位：V)按式(4)计算：
VM＝VRs·G (4)；
AD转换芯片采用AD7810，其分辨率为10位，满量程电压为VF＝2.5V，则FPGA主控芯片通过AD转换芯片转换检流芯片的数字量电压VAD按式(5)计算；
电平转换芯片采用IDT74FCT164245TPV芯片;
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