CN109696097A - 基于双线总线的数码电子雷管芯片及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于双线总线的数码电子雷管芯片及控制方法。该芯片采用具有无极性、一主多从半双工、可通信与供电的双线总线，支持幅度与脉宽调制方式通信；脉宽调制通信时下行通信标准脉宽值可按需配置，上行通信标准脉宽值固定；芯片包含完成起爆作业的所有功能模块和通信指令集，充电电压值可以通过外部配置；芯片控制方法由“雷管芯片信息注入与雷管芯片现场起爆”组成。通过上述方式，本发明能够满足最新中国公共安全行业标准《工业电子雷管信息管理通则(GA1531‑2018)》要求和实际应用需求，提高抗干扰性能与通信安全可靠性、拓展应用场景，提高芯片可配置性与起爆安全性，规范控制流程，避免不当操作，降低综合成本。

Description

基于双线总线的数码电子雷管芯片及控制方法

技术领域

本发明涉及数码电子雷管技术领域，特别是涉及一种基于双线总线的数码电子雷管芯片及控制方法。

背景技术

随着微电子技术、数码技术、加密技术等发展，数码电子雷管（以下简称电子雷管或雷管）得到了快速的发展与应用，工信部安全生产司2018年10月关于再次征求《民爆行业产业技术发展方向及目标（征求意见稿）》的意见通知中提到“2025年底电子雷管所占比例达到100%”，提高爆破的安全性、可靠性、精准性、环保性，以及降低综合成本。

国家相关部委局制定了相应行业标准和实施细则，如中国公安部发布并于2019年2月1日实施《工业电子雷管信息注入通则(GA1531-2018)》，确定了编码管理、安全管控、终端设备功能及管理等具体要求；中国兵器行业标准《工业数码电子雷管（WJ9085-2015）》也提出了数码电子雷管必须满足的要求。

但现有数码电子雷管控制芯片（以下简称的雷管都表示含有数码电子雷管芯片）的技术中，存在一些不足，如起爆能量是“小电压低能量”，要使用敏感药头，提高了生产成本，应用场景有局限性；充电电压不可配置，限制了应用场景的拓展；即便能在线时钟校准，但片上时钟频率精度不高，造成计时误差大，影响精准爆破效果；抗直流电压最大只能60V；安全性措施少，如无紧急放电指令；不支持脉宽调制通信方式与下行标准脉宽值可配置；总线通信距离受限，通信受环境干扰大；控制方法不符合最新《工业电子雷管信息注入通则(GA1531-2018)》要求等。

本发明基于双线总线的数码电子雷管及其控制方法，支持双线总线的脉宽调制方式通信和下行标准脉宽值可配置，可提高通信安全可靠性与抗干扰性能，延长通信距离，拓展应用场景；充电电压可配置，可提供高电压大能量，降低对敏感药头要求，降低生产成本，适应更多应场景；按《工业电子雷管信息注入通则(GA1531-2018)》要求，规范芯片控制流程，避免不当操作导致的损失，促进数码电子雷管安全生产和有效监管；提高芯片高安全性、可靠性、易用性、应用灵活性等。

发明内容

鉴于上述现有数码电子雷管芯片及控制方法所存在的问题，本发明的目的是提供一种基于双线总线的数码电子雷管芯片及控制方法，提高抗干扰性能与通信安全可靠性、拓展应用场景，提高芯片可配置性与起爆安全性，规范控制流程，避免不当操作，降低综合成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，本发明提供了一种基于双线总线的数码电子雷管芯片及控制方法，包括。

（1）双线总线

（a）无极性、一主多从、异步半双工、可供电与通信的总线；

（b）下行通信支持电压幅度或脉宽调制方式，上行通信支持电流幅度或脉宽调制方式；

（c）脉宽调制方式时，下行标准脉宽值可配置或固定，上行标准脉宽值固定；在正常通信前起爆器先发送下行标准脉宽帧，雷管检测标准脉宽值，然后正常通信时，雷管通过检测到的下行标准脉宽值解调出调制的数字信息。

（2）通信帧的字节

组成顺序依次为“起始位、数据位、校验位、结束位”，通信帧中字节连续发送无停顿，通信帧之间发送至少等待一个字节的时间。

（3）功能灵活配置

充电电压可通过外部配置输出不同电压值，雷管延时值在线写入，脉冲调制方式时下行标准脉宽值可配置，通信支持幅度或脉宽调制方式。

（4）支持在线时钟校准，提高时钟频率精度。

（5）多种方式保证储能装置的安全充放电

可闭合与断开的开关包括：充电开关、紧急放电开关、点火起爆开关；未起爆的雷管通过外接放电回路安全放电；按照芯片控制方法进行操作，避免误操作，提高安全性；采用特种BCD工艺，提高抗直流电压阈值；进行芯片内部状态检测，包括储能装置电压值，开关的状态，起爆放电回路的连接状态，基于状态信息进行相应处理，避免完全事故出现等。

（6）支持起爆所需完备指令集，实现安全精准爆破

支持指令主要包括写UID码、读UID码、写起爆密码、写延时值、选中UID码、比对起爆密码、充电准备、充电允许、紧急放电、点火起爆、时钟校准、读写寄存器指令等，接收并处理起爆器指令后，反馈对应的信息给起爆器等。

（7）制定芯片控制方法，规范控制流程，促进安全监管，降低综合管理成本。

（8）符合中国公共安全行业标准《工业电子雷管信息注入通则(GA1531-2018)》要求。

从上述技术方案可以看出，本发明针对数码电子雷管的实际应用场景，采用无极性双线总线结构、支持多种通信调制方式（幅度调制和脉宽调制），充电电压可配置，脉冲调制时下行标准脉宽值可配置，拓展应用场景；通过在线时钟校准提高时钟频率精度，多个指令控制开关保证储能装置充放电的安全性，制定合理适用的芯片控制方法，规范流程，提高可监管和安全性，降低综合管理成本。

附图说明

图1是本发明的具体实施方式的流程图。

图2是本发明的双线总线结构。

图3是本发明的数码电子雷管芯片结构。

图4是本发明的控制方法之“雷管芯片信息注入”。

图5是本发明的控制方法之“雷管芯片现场起爆”。

具体实施方式

本发明的核心思想：

（1）下行通信信号支持电压幅度和脉宽调制方式，上行通信信号支持电流幅度和脉宽调制方式；

（2）通信帧中字节内容顺序依次为“起始位、数据位、校验位、结束位”，通信帧中字节连续发送无停顿，通信帧之间发送至少等待一个字节的时间；

（3）脉宽调制方式时，在正常通信前起爆器先发送标准脉宽通信帧，数码电子雷管检测到标准脉宽值，然后正常通信时，雷管通过检测到的下行标准脉宽值解调出的调制数字信息；

（4）支持无极性双线总线，可供电与通信；

（5）充电电压可配置，多种方式保证储能装置的安全充放电；

（6）支持在线时钟校准，提高时钟精度，实现精准爆破；

（7）芯片低功耗设计，点火起爆回路支持瞬间大电流与高压

（8）符合中国公共安全行业标准《工业电子雷管信息管理通则(GA1531-2018)》要求；

通过上述方式实现基于双线总线的数码电子雷管芯片及控制方法。

现结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明，首先，参见图1，对本发明所述的方法进行说明，具体包括以下步骤。

步骤11：双线总线结构

参见图2，双线总线为无极性、既可通信又可供电、一主多从异步通信总线，上行通信（数码电子雷管到起爆器/雷管芯片信息注入终端）采用总线电流值“幅度或脉宽”调制方式实现，下行通信（起爆器/雷管芯片信息注入终端到数码电子雷管）采用总线电压值“幅度或脉宽”调制方式实现，可以提高总线抗干扰能力，降低施工难度与布线成本。

无论哪种调制通信方式，通信帧由多个字节组成，每个字节内容顺序依次为“起始位、数据位、校验位、结束位”，通信帧中字节连续发送无停顿，通信帧之间发送至少等待一个字节的时间。

数码电子雷管都并联连接在总线上，数码电子雷管采取短路保护措施，任何一个雷管出现问题，不会影响其他数码电子雷管的正常工作。

步骤12：数码雷管电子芯片结构

参见图3，基于低功耗设计理念，提高起爆器负载雷管数量，充电电压可配置，支持在线充电和时钟校准，支持高电压大电流安全起爆，满足各种应用场景和国家相关行业标准要求。

支持起爆各个环节需要的指令集，主要包括写UID码、读UID码、写起爆密码、写延时值、选中UID码、比对起爆密码、充电准备、充电允许、紧急放电、点火起爆、时钟校准、读写寄存器指令等。

主要功能包括通信信号的调制与解调、芯片供电、储能装置的充放电管理、读写存储器、时钟的生成与校准、芯片相关状态检测、上电复位与软复位、指令处理等，对应的模块参见图4，包括全波整流、电源管理、充电管理、放电管理、复位、电压检测、电流调制、可编程存储器、片上时钟、状态检测、MCU等功能模块。

步骤13：控制方法之“雷管芯片信息注入”

参见图4，在雷管生产时把空白的雷管模块（雷管芯片加其他电子器件组成的小电路板）插入雷管管壳内，并进行相应操作生产出雷管；

按照中国公共安全行业标准《工业电子雷管信息管理通则（GA1531-2018）》要求需要信息注入，包括起爆器先扫码雷管壳体码，然后写雷管芯片“UID码”指令和“起爆密码”指令，上述指令雷管芯片成功执行后，起爆器进行三码绑定与存储，接着把绑定的三码上传工作码上传设备，工作码上传设备先对绑定的三码进行加密并生成工作码，然后上传全国工业电子雷管密码中心登记；“起爆密码”写入雷管芯片后，任何外部设备不能从芯片中读出，只能由芯片读出进行起爆密码比对用。

步骤14：控制方法之“雷管芯片现场起爆”

参见图5，“雷管芯片现场起爆”作业前，起爆作业单位工作人员通过起爆器直接或间接方式上传爆破方案（起爆器编码、单位代码、工业电子雷管UID码、当前经纬度信息等）及其他相关信息，通过“工作码适配器”向所在地省级网络服务平台申请，获得“工作码适配器”下载的工作码，并经起爆器解密后进行验证是否符合“准爆和禁爆允许范围”要求，如果符合才能进入“雷管芯片现场起爆”作业；

雷管壳体码与雷管UID码（写入雷管芯片的非易失性的存储器中）是绑定的，以下描述中对雷管的操作等同对“雷管芯片”的操作。

“雷管芯片现场起爆”控制方法主要包括：雷管注册与装入炮孔、雷管芯片写入延时值与校验起爆密码、雷管芯片在线充电与点火起爆，以下描述涉及到的状态寄存器的状态为参见表1的描述。

表1 雷管芯片的状态寄存器。

“雷管注册与装入炮孔”：起爆器扫码雷管壳体码并读取雷管芯片的UID码，然后与工作码解密后的“壳体码绑定UID码”比对，如比对一致，把炮孔序号与雷管壳体码绑定存储，完成注册，接着雷管装入炮孔，雷管脚线接入双线总线；如比对不一致，排查并处理问题。

“雷管芯片写入延时值与校验起爆密码”：起爆器根据“起爆方案中信息和已注册雷管芯的UID码”进行广播“选中UID码” 指令， 如果有被选中雷管，则继续为被选中的雷管芯片发送“写入延时值”指令和”检验起爆密码“指令”，上述指令被选中的雷管芯片执行成功后，雷管芯片对应“比对起爆密码”寄存器位pswd_cmp置1，用于允许后续“充电和点火起爆操作”流程。

雷管芯片“在线充电与点火起爆”：起爆器按顺序先后广播“时钟校准、充电准备、充电允许、点火起爆”指令，每一个指令都是在前一个指令执行成功并满足等待时间后才发送，各“比对起爆密码”成功的雷管芯片（即”比对起爆密码”的寄存器位pswd_cmp为1）接收并执行前述顺序指令，当总线上出现“紧急放电”指令时，总线上所属雷管接收到“紧急放电”指令后，闭合紧急放电开关，断开其他开关（包括点火起爆开关），让充电的储能装置容紧急放电；同时产生雷管芯片内部软复位信号，让雷管芯片内部所有状态与寄存器的值复位到初始状态；起爆作业重新进入雷管芯片“写入延时值与校验起爆密码”流程。

图1中步骤11，参见图2的处理过程实质为：

（1）总线是一种主从式、串行半双工、无极性的异步通信方式，既可通信，也可以供电；起爆器（主站）不为数码电子雷管（从站）提供时钟，数码电子雷管拥有唯一的UID码，双线制总线，参见图2所示。

（2）双线制且无极性，使施工简单，拓展方便，组网成本低；一主多从保证任一数码电子雷管出现故障不会影响总线功能。

图1中步骤12，参见图3的处理过程实质为：

虚线框内设备或装置为雷管芯片外的部分，不属于雷管芯片；储能装置可以是储能电容，也可以是微型可充电电池；除MCU为数字电路外，芯片内其他模块都是模拟电路模块（有的模块有少量数字电路）。

所属模块30，全波整流模块，通过全波整流方式完成无极性总线上取电的功能。

所属模块31，电源管理模块，主要有如下功能，通过一个“数字供电LDO（LineDropout Regulator,低压差线性稳压器）”给MCU供电，通过一个“编程供电LDO”为可编程存储器提供编程电源，通过一个“模拟供电LDO”为所有模拟电路提供电源，为“充电管理模块”提供电源，当雷管进入起爆状态后，把储能装置提供电源切换到数字电路LDO，并为数字部分MCU供电。

所属模块32，充电管理模块，具体功能如下：

（1）接收并执行MCU控制信号，如需要充电时，MCU发出闭合充电开关信号，充电管理模块闭合“充电开关”，实现充电功能；

（2）充电管理模块的电荷泵升压成多个电压值，根据“外部配置”信号来选择输出充电电压值，为储能装置充电，从电源管理模块获取输入电压。

所属模块33，放电管理模块，具体功能如下：

（1）接收并执行MCU控制开关的信号；

（2）控制点火起爆开关，实现点火起爆：点火起爆回路由储能装置（如起爆电容）、点火起爆装置（如桥丝）、点火起爆开关组成闭合回路，当MCU控制起爆状态计时值等于写入雷管的延时值时，MCU控制放电管理模块闭合点火起爆开关，实现存储装置瞬间放电，大电流使桥丝温度迅速升高点燃引爆药而引爆雷管，点火起爆开关正常时候处于断开状态；

（3）控制紧急放电开关，实现紧急放电，紧急放电回路由储能装置、紧急放电开关、电阻组成，发生某种特殊情况时，起爆器发出紧急放电指令，雷管芯片收到并执行紧急放电指令，MCU向“放电管理模块”发出闭合“紧急放电”开关，实现存储装置紧急放电功能。

所属模块34，复位模块，雷管芯片上电或欠压（电压低于阈值电压）后产生的复位信号，用于复位MCU与模拟模块中的所有数字信号到初始状态；接收MCU产生的软复位，复位模拟模块中的数字信号。

所属模块35，电压检测模块，具体功能如下：

如果下行通信是电压脉宽调制方式，则通过带迟滞电路的差分电压比较器比较“双线总线的电压”，并输出数字信号ds_pwm_dl(digital signal of with pulse widthmodulation for downlink)；

如果下行通信是电压幅度调制方式，整流后的电压与内部参考电压通过电压比较器比较后输出数字信号ds_pam_dl。

所属模块36，电流调制模块，具体功能如下：

不管上行通信（雷管到起爆器）是电流脉宽调制，还是电流幅度调制方式，电流调制模块接收MCU发出“需要反馈的数字信号”，控制“电流调制模块中恒流源”从总线上取电流，实现雷管通过电流调制方式反馈信号到起爆器。

所属模块37，可编程存储器，非易失性的一次性可编程存储器件OTP或ROM，存储内容主要包括UID码、起爆密码、默认延时值等，其中起爆密码任何设备不能从芯片内读出，只能芯片本身读取和校验起爆密码；可编程端输入电压来自电源管理模块中“编程供电LDO”，可编程存储器的工作电压来自电源管理模块中“模拟供电LDO”的输出电压。

所属模块38，片上时钟模块，通过数字校准RC振荡器产生时钟信号，提供给模块MCU和相关模拟模块；接受MCU时钟校准信号控制片上时钟频率，降低误差，提高精度。

所属模块39，状态检测模块，检测储能装置的电压值，全波整流输出电压值，点火起爆开关、紧急放电开关、充电开关的状态，点火起爆回路连接状态，根据MCU的读取要求提供对应状态。

所属模块3A，MCU（微控制单元），具体功能如下。

（1）下行调制信号解调

（a）脉宽调制方式的解调

基于帧协议中字节的起始位、数据位、校验位、结束位的宽度定义，即起始位与校验位为下行标准脉宽值，数据位或校验位的脉宽是下行标准脉宽值约定倍数，如数字“0”为下行标准脉宽值的0.5倍，数字“1”为下行标准脉宽值的1.5倍；

针对电压检测模块输出数字信号ds_pwm_dl进行边沿（即上升沿和下降沿）检测，然后进行计时每个数字信号的宽度（上升沿与下降沿之间信号宽度），再基于下行标准脉宽值进行比较，获得开始位与结束位，以及解调出数字信号，例如ds_pwm_dl每个信号宽度等于下行标准脉宽值，则是开始位或结束位，如果等于下行标准脉宽值的0.5倍，则解调出数字信号为0，如果等于下行标准脉宽值的1.5倍，则解调出数字信号为1；上述解调出的数字信号以一个字节为单位发送到“指令处理单元”。

（b）幅度调制方式的解调

针对电压检测模块输出数字信号ds_pam_dl基于时钟周期进行采样，基于通信协议的字节要求中起始位、结束位的规定，解调出数字信号，并以一个字节为单位发送到“指令处理单元”。

（2）生成上行的数字调制信号

（a）脉宽调制方式的数字调制信号

根据雷管执行起爆器的指令并进行反馈信息处理，调制后以连续的调制数字信号发送到电流调制模块；调制后的数字信号可以0或1，由每个脉宽信号宽度决定传送的数字信息，而不是信号逻辑值决定；

实施例：要发送的1个周期数字信号“0”，调制后数字信号（0或1）的宽度变为上行标准脉宽值的0.5倍；要发送的1个周期数字信号“1”，调制后数字信号（0或1）的宽度变为上行标准脉宽值的1.5倍；起始位与结束位调制后信号（0或1）的宽度等于上行标准脉宽值。

（b）幅度调制方式的数字调制信号

根据雷管执行起爆器的指令并进行反馈信息处理，调制后以连续的调制数字信号发送到电流调制模块；

实施例：要发送1个周期数字信号“0”，基于通信协议中字节要求“逻辑0时，雷管电流增加11mA~20mA”,则调制后的信号为“1”；要发送1个周期数字信号“1”，基于通信协议中字节要求“逻辑1时，雷管电流不增加11mA~20mA”，则调制后的数字信号为“0”；调制后连续数字信号发送到电流调制模块。

（3）读写可编程存储器

涉及读写可编程存储器的指令有：写UID码、写起爆密码、选中UID码、比对起爆密码等，通常编程状态时，编程电压大于正常工作电压，故编程电压需要“电源管理模块”中的编程供电LDO供电。

（4）时钟校准

接收并执行起爆器的时钟校准指令，输出校准信号调整“片上时钟模块”时钟精度。

（5）模拟模块状态的读取

通过向“状态检测模块”申请要读取的状态信息，等待一定时间后，即“状态检测模块”读取对应状态需要等待几个周期才能得到稳定的状态值，然后MCU才可以获取到相应的状态值。

（6）脉宽调制时检测下行标准脉宽值

脉宽调制方式时，下行通信帧的标准脉宽值可以按应用需要现场配置，上行通信帧的标准脉宽为协议约定的固定值；

在正常通信前起爆器先发送标准脉宽的通信帧，让雷管检测到下行标准脉宽值，然后正常通信时，起爆器发送信息通信帧让数码电子雷管接收与解调出的调制数字信息。

（7）指令处理

主要涉及到的指令有：写UID码、读UID码、写起爆密码、写延时值、选中UID码、比对起爆密码、充电准备、充电允许、紧急放电、点火起爆、时钟校准、读写寄存器指令等；

充电准备与充电允许指令处理后，MCU输出控制信号到“放电管理模块”闭合充电开关，断开放电开关（点火起爆开关和紧急放电开关）；

紧急放电指令处理后，产生软复位信号，复位所有数字电路到初始状态，同时输出控制信号到“放电管理模块”实现闭合紧急放电开关进行紧急放电；

点火起爆指令执行后，断开所有开关并计时，直到计时值等于延时值，输出控制信号到“放电管理模块”，实现闭合点火起爆开关并点火起爆；

执行读UID码指令、读写寄存器指令后，反馈对应信息到起爆器。

所属外部模块3B，起爆器，支持无极性、一主多从异步通信的双线总线，支持脉宽调制与幅度调制方式的通信及其对应的通信协议，能发送支持操作系统Andriod/WinCE，执行禁爆和准爆要求，采集地理位置信息和日期、时间同步，收集已起爆的工业电子雷管UID码、起爆经纬度、起爆时间等信息，并按照规则上报起爆信息，更新准爆要求、禁爆要求，发送起爆相关指令，接收雷管反馈信息，能扫码雷管壳体码，具备无线与有线通信功能，嵌入式处理器完成所有应用与处理的主控功能等；支持主要指令包括写UID码、读UID码、写起爆密码、写延时值、选中UID码、比对起爆密码、充电准备、充电允许、紧急放电、点火起爆、时钟校准、读写寄存器指令等。

所属外部总线3C，无极性双线总线，雷管通过脚线连接在总线上，可通信与供电，支持幅度调制与脉宽调制的通信方式，幅度调制通信方式总线如MBUS总线。

所属外部模块3D，外部配置，通过芯片管脚（pin）外接高低电平来配置充电电压值的选择。

所属外部模块3E，储能装置，包括工作电容、起爆电容，或者可充放电的微型可充电电池等。

所属外部模块3F，点火起爆装置，包括桥丝、引爆药、火药、雷管外壳等。

图1中步骤13，参见图4的处理过程实质为：

涉及到的状态寄存器参见表1“雷管芯片的状态寄存器”描述，起爆器的功能包含雷管芯片信息注入终端的全部功能，雷管芯片信息注入设备可以看作是起爆器的功能简配版，雷管芯片信息注入的控制方法以起爆器与雷管芯片（雷管芯片表示已经装入雷管外壳中并已成为完整可销售的数码电子雷管，即雷管芯片表示对应的数码电子雷管）为实施列进行，雷管芯片信息注入设备的信息注入控制方法与起爆器完全相同，雷管信息注入的控制方法与上述实施例完全相同；“雷管信息注入”通常是由有生产资质的雷管生产企业完成。

起爆器发送指令帧，如果数码电子雷管芯片支持可配置下行标准脉宽值的脉宽调制方式，则下行通信帧的信号调制是基于双线总线的差动电压标准脉宽值进行，上行通信的调制方式基于双线总线电流的固定脉宽值进行；如果雷管芯片是支持下行固定脉宽值，则下行通信帧的信号调制基于双线总线电压固定脉宽值进行，上行通信的调制方式基于双线总线电流的固定脉宽值进行；如果数码电子雷管芯片支持幅度调制方式，则下行通信帧的信号调制方式基于全波整流后的电压与参考电压进行比较，上行通信的调制方式基于双线总线电流的幅度值进行。

起爆器发送“写UID码、选中UID码、写起爆密码、比对起爆密码、读状态寄存器”的指令，雷管接受指令并执行后会反馈信息，即包含 “指令执行，选中UID码、比对起爆密码、已检测下行标宽值”的状态位的寄存器值，1表示成功，0表示失败，反馈完成对应“指令执行”状态位会清0，具体参见表1。

数码电子雷管的信息注入是雷管生产时候进行注入，通过起爆器对空白（即未写入任何信息到雷管芯片非易失性存储器中）数码电子雷管进行写入“UID码与起爆密码”来实现，根据中国公共安全行业标准《工业电子雷管信息管理通则（GA1531-2018）》要求，UID码不少于13个字节，起爆密码根据规则随机生成，不少于8字节，具体“起爆器加单发雷管芯片”的信息注入，状态寄存器中的状态为参见表1，包括如下步骤。

步骤40：准备需要进行信息注入的数码电子雷管，起爆器或雷管芯片信息注入设备，工作码上传设备等，然后执行步骤41。

步骤41：起爆器判断数码电子雷管支持下行通信是否为脉宽调制方式，如果是，则执行步骤42，如果不是，即支持发送脉冲幅度调制方式的通信帧，执行步骤45。

步骤42：起爆器判断数码电子雷管支持下行脉宽调制方式通信的标准脉宽值是否为可配置（即根据应用场景可以灵活设置），如果不是，即下行标准脉宽值固定，则执行步骤45，如果是可配置，则执行步骤43 。

步骤43：起爆器通过雷管脚线连接发送下行标准脉宽帧，雷管芯片接收下行标准脉宽帧，并检测出下行标准脉宽值；

帧结构中以字节为基本单位，先后顺序为“起始位，数据位、校验位、结束位”组成，其中起始位与结束位为标准脉宽值，调制后的信息位“0”为标准脉宽值的M倍（M不为1，也不等于L，可以为正数），调制后的信息位“1”的脉宽值为标准脉宽值的L倍（L不为1，也不等于M，可以为正数），因此下行标准脉宽帧是指所有调制后的信号脉宽都为下行标准脉宽值的帧；雷管芯片检测到的“下行标准脉宽值”用于雷管芯片接收起爆器发送的下行通信帧并解调出对应的数字信息。

步骤44：起爆器通过发送“读状态寄存器指令”，获得含有“已检测下行标宽值”位dlwidth_chk（参见表1）的反馈信息，如果dlwidth_chk值为1，表示雷管芯片已经检测到下行标准脉宽值，则执行步骤45，如果反馈的值为0，则雷管芯片检测下行脉宽值失败，排查原因并继续执行步骤43。

步骤45：起爆器发送“写UID码”指令后接收雷管芯片反馈的执行指令信息，如果执行成功，起爆器继续发送“选中UID码”指令，等待接收雷管芯片执行指令后的反馈信息，执行步骤46；如果雷管芯片执行“写UID码”失败，则排查原因并重复步骤45。

步骤46：起爆器接收到雷管芯片的反馈信息中，“指令执行”与”选中UID码”指示位都为1，则表示“UID码”已写入雷管中，继续执行步骤47，否则继续执行步骤45。

步骤47：起爆器发送“写起爆密码”指令后接收雷管芯片反馈的执行指令信息，如果执行成功，起爆器继续发送“比对起爆密码”指令，等待接收雷管执行指令后的反馈信息，执行步骤48；如果雷管芯片执行“写起爆密码”指令失败，则排查原因并重复步骤47。

步骤48：起爆器接收到雷管芯片的反馈信息中，“指令执行、比对起爆密码”状态位都为1，则表示“起爆密码”已写入雷管芯片中，继续执行步骤49，否则继续执行步骤47。

步骤49：起爆器上传信息到工作码上传设备，工作码上传设备处理起爆器上传信息，并把生成的工作码上传，然后执行步骤4A；

如果是雷管芯片完成了信息注入，起爆器需要上传绑定三码（雷管壳体码、雷管芯片UID码、起爆密码）信息到工作码上传设备；工作码上传设备加密绑定三码和生成工作码，并把工作码上传全国工业电子雷管密码中心；如果完成芯片的信息注入（即数码电子雷管芯片未装入雷管管壳里做成可销售的数码电子雷管），则要按照国家相关规定使用指定专用设备进行信息存储，并提交相关结构保存。

步骤4A：完成当前雷管芯片的信息注入。

图1中步骤14，参见图5的处理过程实质为：

涉及到的状态寄存器参见表1“雷管芯片的状态寄存器”描述，以下描述中子起爆器表示组网起爆时，每个子起爆器执行主起爆器的指令，然后在子起爆器所属总线上进行广播对应指令，每个子起爆器完成执行操作后，反馈执行情况给主起爆器。如果非组网起爆，则子起爆器与主起爆器为同一个起爆器，以下涉及到状态寄存器的状态位参见表1。

步骤50：起爆现场主要准备工作，包括如果起爆作业是组网起爆时，准备多个起爆器（一个当主起爆器，其他当子起爆器用），如果非组网起爆，准备一个起爆器；主起爆器与子起爆器间通过通信线缆或无线连接组网能正常通信，子起爆器与雷管之间通过双线总线连接；起爆现场炮孔已钻好；起爆作业单位的起爆方案及相关信息申请得到主管单位批准并获得本次作业的工作码；起爆作业人员的身份通过起爆器的身份识别与使用授权；起爆器成功解密工作码并生成UID码、壳体码、起爆密码等；起爆作业满足禁爆要求、准爆要求的允许的范围；上述准备工作完成后，进入步骤51。

步骤51：完成起爆现场“雷管注册与装入炮孔”任务，如有异常情况，按照异常流程处理；每个子起爆器分别对所属雷管先进行扫码雷管壳体码，读取雷管内部芯片的UID码，如果比对“扫码壳体码与读取的UID码”与工作码解密后的“壳体码绑定UID码”一致，完成注册，接着雷管装入炮孔，雷管脚线接入双线总线，炮孔序号绑定雷管壳体码存储；如果比对不一致，排查确定是可解决的问题，排除解决后继续重复前述的操作，其他不可解决问题按异常问题处理，即如果无法使用，应按销毁流程或退货流程处理；如果可以使用，起爆作业单位留用并进行信息回传上级主管单位；

所有子起爆器所有雷管都注册并装入炮孔，则完成本次起爆现场“雷管注册与装入炮孔”操作，获得实际装入炮孔的雷管数量和对应绑定“雷管壳体码与炮孔序号”信息。

上述任务完成后执行步骤52；

步骤52：判断雷管芯片是否支持下行通信脉宽调制方式且下行标准脉宽可配置，如果是则执行步骤53，否则执行步骤54。

步骤53：雷管芯片检测“下行标准脉宽值”

子起爆器通过所属双线总线广播“下行标准脉宽帧”，下行标准脉宽帧是指“所有调制后的信号脉宽都为下行标准脉宽值的帧”，雷管内部的芯片检测下行标准脉宽值，用于雷管内部芯片接收起爆器发送的下行通信帧并解调出对应的数字信息，本步骤完成后继续执行步骤54。

步骤54：雷管芯片执行并完成“时钟校准”指令

时钟校准主要目的是为了消除芯片制造工艺、供电电压及温度变化引起时钟频率误差，提高时钟频率精度，减少起爆计时阶段的计时误差，实现精准爆破目的；

子起爆器先广播“时钟校准开始”指令，指令内容包括“时钟校准开始指令、校准等待时间值、指令结束标志”，子起爆器从“时钟校准开始”指令发出开始计时，计到“校准等待时间”后发送“时钟校准结束”指令，雷管内部的芯片从接收到“时钟校准开始”指令时开始计时，并存储子起爆器发出的实际“等待时间值”，直到收到“时钟校准结束”指令后结束计时，然后比较存储的“等待时间值”与“雷管计时值”，如果“等待时间值”大于“雷管计时值”，则要提高雷管内部的芯片时钟频率（降低时钟周期），如果“等待时间值”小于“雷管计时值”，则要降低雷管内部的芯片时钟频率（即增大时钟周期），其他情况时钟频率保持不变；完成雷管时钟校准后，继续执行步骤55。

步骤55：雷管芯片执行“选中UID码”指令，并反馈“执行指令、选中UID码”状态，由子起爆器为所属总线上已注册雷管广播“选中UID码”指令，然后执行步骤56。

步骤56：子起爆器判断所属总线上反馈信息“指令执行、选中UID码”状态位都为1，如果是，则执行步骤57，否则排查原因，继续执行本步骤。

步骤57：雷管芯片执行并完成“写入延时值与校验起爆密码”指令

每个子起爆器根据起爆方案中“所属炮孔的雷管起爆延时值”和“所属注册雷管UID与炮孔序号绑定”信息，子起爆器发送“写入延时值与校验起爆密码”指令，前述“被选中UID码”的雷管内部的芯片接收指令并执行，把延时值写入芯片中对应的寄存器，校验起爆密码成功后，把状态寄存器中“比对起爆密码”置1，并反馈信息给起爆器。

步骤58：判断雷管芯片是否“比对起爆密码” 成功，子起爆器接收并判断被选中UID码的雷管芯片的反馈信息，如果”比对起爆密码”状态位为1，则执行步骤5A，否则执行步骤59。

步骤59：子起爆器校验“被选中UID码”的雷管芯片对应起爆密码失败，如果是通信问题，排查解决，然后执行步骤57；如果是工作码问题，则重新申请；如果无法解决，则禁止起爆。

步骤5A：判断所有雷管芯片是否完成 “写入延时值与校验起爆密码”指令，主起爆器判断所有子起爆器都完成所属注册雷管“写入延时值与校验起爆密码”指令，如果都完成，则执行步骤5B，如果未完成，继续执行步骤57；

步骤5B：雷管芯片执行“在线充电与点火起爆”指令

主起爆器发出“雷管在线充电与点火起爆”指令，子起爆器在所属总线上广播，所有雷管状态寄存器中“比对起爆密码”状态位为1，则执行子起爆器按顺序广播的“充电准备、充电允许、点火起爆”指令，否则不执行“充电和点火起爆”指令；继续执行步骤5C。

步骤5C：雷管芯片判断是否“紧急放电”指令，所有总线上的雷管内部的芯片侦听并接受“紧急放电”指令，如果雷管内部的芯片收到“紧急放电”指令，则执行步骤5D，否则执行步骤5E；“点火起爆”指令前的任何状态，只要收到“紧急放电”指令，雷管内部的芯片都会执行步骤5D，如果已经进入“点火起爆的计时阶段”就不再执行“紧急放电”指令，因为此时有的雷管可能已经爆炸，总线断开不能再供电。

步骤5D：所有雷管紧急放电，雷管芯片内部状态复位到初始状态，如果下行是脉宽调制，则进入步骤52，否则就进入步骤54。

步骤5E：主起爆器判断所有雷管芯片是否完成 “点火起爆”，如果完成，执行步骤5F，否则执行步骤5B。

步骤5F：检查起爆现场，记录起爆位置信息、时间、实际注册并起爆雷管UID码、未起爆雷管进行异常处理，即如不能从炮孔中取出，应经使用所在地省级网络服务平台登记为装炮失效工业电子雷管信息处理；如能从炮孔中取出但无法使用，应按销毁流程或退货流程处理；如果从炮孔中取出且可以使用，起爆作业单位留用并进行信息回传上级主管单位。

步骤5G：完成雷管芯片现场起爆作业。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于双线总线的数码电子雷管芯片及控制方法，其特征在于，双线总线结构，采用无极性、一主多从、异步半双工、可供电与通信的总线，总线通信支持幅度调制与脉宽调制方式；脉宽调制方式时，下行通信标准脉宽值(以下简称下行标准脉宽值)可配置或固定，上行通信标准脉宽值(以下简称上行标准脉宽值)固定，在正常通信前起爆器先发送下行标准脉宽通信帧，数码电子雷管（以下简称雷管）检测下行标准脉宽值，然后正常通信时，雷管通过检测到的下行标准脉宽值解调出调制的数字信息；数码雷管芯片结构，充电电压值可以通过外部配置，开关（充电开关、紧急放电开关、点火起爆开关）可以通过对应指令控制；芯片的主要功能模块包括：全波整流模块、电源管理模块、充电管理模块、放电管理模块、复位模块、电压检测模块、电流调制模块、可编程存储器、片上时钟模块、状态检测模块、MCU（微控制单元）等；芯片支持通信指令集包括“写UID码、读UID码、写起爆密码、写延时值、选中UID码、比对起爆密码、充电准备、充电允许、紧急放电、点火起爆、时钟校准、读写寄存器”等指令；芯片控制方法主要包括“雷管芯片信息注入”和“雷管芯片现场起爆”；

本发明能够满足最新中国公共安全行业标准《工业电子雷管信息管理通则

(GA1531-2018)》要求和实际应用需求，提高抗干扰性能与通信安全可靠性、拓展应用场景，提高芯片可配置性与起爆安全性，规范控制流程，避免不当操作，降低综合成本。

2.根据权利要求1所述双线总线结构，其特征在于：所述双线总线包括如下特征，

（1）无极性、一主多从、异步半双工、可供电与通信的总线；

（2）下行通信支持电压幅度调制与电压脉宽调制方式，上行通信支持电流幅度调制与电流脉宽调制方式；

（3）脉宽调制方式时，下行标准脉宽值可配置或固定，上行标准脉宽值固定；在正常通信前起爆器先发送标准脉宽通信帧，雷管检测到标准脉宽值，然后正常通信时，雷管通过检测到的下行标准脉宽值解调出调制的数字信息；

（4）通信帧中字节组成顺序依次为“起始位、数据位、校验位、结束位”，通信帧中字节连续发送无停顿，通信帧之间发送至少等待一个字节的时间。

3.根据权利要求1所述数码雷管电子芯片结构，其特征在于：功能模块包括，全波整流模块、电源管理模块、充电管理模块、放电管理模块、复位模块、电压检测模块、电流调制模块、可编程存储器、片上时钟模块、状态检测模块、MCU（微控制单元）等，其中充电电压值可以外部配置；

（1）全波整流模块：通过全波整流方式完成无极性总线上取电的功能；

（2）电源管理模块：分别通过LDO（Line Dropout Regulator,低压差线性稳压器）为数字电路及MCU供电，为可编程存储器提供编程电源，所有模拟电路模块提供电源，“充电管理模块”提供电源；当雷管进入起爆状态后，把储能装置提供电源切换到数字电路LDO输入端，为数字部分MCU供电；

（3）充电管理模块：接收并执行MCU控制开关信号；根据外部配置，通过升压电荷泵输出对应充电电压值；

（4）放电管理模块：接收并执行MCU控制紧急放电开关和点火起爆开关的信号，实现放电管理；

（5）复位模块：芯片上电或者欠压（即电压低于设定的阈值电压）时产生复位信号并送到MCU；接收来自MCU的软复位信号；

（6）电压检测模块：如果下行通信是电压脉宽调制方式，则通过“带迟滞电路的差分电压比较器”比较“双线总线的电压”，并输出数字信号；如果下行通信是电压幅度调制方式，整流后的电压与内部参考电压通过“电压比较器”比较后输出数字信号；数字信号输出到模块MCU进行信号解调；

（7）电流调制模块：接收MCU发出的调制数字信号，信号逻辑“1”时电流调制模块中恒流源”工作，信号逻辑值“0”时恒流源不工作，通过恒流源从总线上取电流，实现雷管通过电流调制方式反馈信号到起爆器；

（8）可编程存储器：非易失性一次性可编程存储器件OTP或ROM，存储内容主要包括UID码、起爆密码、默认延时值等，其中“起爆密码”任何设备不能从芯片内读出，只能芯片本身读取；

（9）片上时钟模块：通过数字校准RC振荡器产生时钟信号，提供给模块MCU和相关模拟模块；接受MCU时钟校准信号控制片上时钟频率，降低误差，提高精度；

（10）状态检测模块：检测储能装置的电压值，全波整流输出电压值，点火起爆开关、紧急放电开关、充电开关的状态，点火起爆回路连接状态，根据MCU的读取要求提供对应状态；

（11）MCU（微控制单元）： 下行信号解调，接收来自“电压检测模块”的输出信号，进行信号解调，按字节输出信息；下行标准脉宽帧的检测，获取下行标准脉宽值；指令判断与处理，支持的指令包括：写UID码、读UID码、写起爆密码、写延时值、选中UID码、比对起爆密码、充电准备、充电允许、紧急放电、点火起爆、时钟校准、读写寄存器指令等；读写可编程存储器；上行反馈信息的电流调制信息的生成，对于脉宽调制，调制后的数字信号的宽度对应协议中约定的“逻辑0对应上行标准脉宽值的M倍，逻辑1对应上行标准脉宽值的L倍，L与M不等且都不等于1”。

4.根据权利要求1所述控制方法之“雷管芯片信息注入”，其特征在于：按照标准《工业电子雷管信息管理通则（GA1531-2018）》要求进行信息注入，雷管生产时，起爆器先扫码雷管壳体码，然后发送写雷管芯片的“UID码和起爆密码”指令，上述指令雷管芯片成功执行后，起爆器进行三码绑定与存储，并把绑定的三码上传工作码上传设备，工作码上传设备先对绑定的三码进行加密并生成工作码，然后上传全国工业电子雷管密码中心登记。

5.根据权利要求1所述控制方法之“雷管芯片现场起爆”，其特征在于：

“雷管芯片现场起爆”控制方法主要包括：雷管注册与装入炮孔、雷管芯片执行“写入延时值与校验起爆密码”、雷管芯片执行“在线充电与点火起爆”；

“雷管注册与装入炮孔”：起爆器扫码雷管壳体码并读取雷管内部芯片的UID码，然后与工作码解密后的“壳体码绑定UID码”比对，如比对一致，把炮孔序号与雷管壳体码绑定存储，完成注册，接着雷管装入炮孔，雷管脚线接入双线总线；如比对不一致，排查并处理问题；

雷管芯片执行“写入延时值与校验起爆密码”：起爆器根据起爆方案中信息和已注册雷管UID码进行广播“选中UID码” 指令， 如果有被选中雷管芯片，则继续为被选中的雷管芯片发送“写入延时值”指令和”检验起爆密码“指令”，上述指令被选中的雷管芯片执行成功后，雷管内部的芯片对应”比对起爆密码”状态位置1，用于允许后续“充电和点火起爆操作”流程；

雷管芯片执行“在线充电与点火起爆”：起爆器按顺序先后广播“时钟校准、充电准备、充电允许、点火起爆”指令，每一个指令都是在前一个指令执行成功并满足等待时间后才发送，各起爆密码校验成功的雷管（即状态寄存器中“比对起爆密码”状态位置1）接收并执行前述顺序指令，当总线上出现“紧急放电”指令时，总线上所属雷管芯片接收到“紧急放电”指令后，闭合紧急放电开关，断开其他开关，让充电的储能装置紧急放电，同时产生雷管内部的芯片软复位，让雷管内部的芯片所有状态与寄存器的值复位到初始值，起爆作业重新进入雷管芯片执行“写入延时值与校验起爆密码”流程。