CN115046440B - 提高电子***起爆安全性的***和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种提高电子***起爆安全性的***和方法，包括***和电子***；所述***与电子***通过AB二总线进行连接；所述电子***内部支持多级充电档位，***在给电子***下发充电指令时指定对应的档位；同时，***内部存储延期值和充电档位的映射表，根据电子***的延期值选择不同的充电档位给电子***充电，保证在延期结束起爆时电子***上的储能电容的电压相等。本发明对不同电子***的储能电容的充电电压进行精细化管理，让所有电子***的储能电容最终释放的发火能量是基本一致的，在保证药头可靠发火的前提下，杜绝了因电容能量过高可能导致桥丝过早熔断引发的***拒爆问题。

Description

提高电子***起爆安全性的***和方法
技术领域
本发明涉及电子***起爆技术领域，具体地，涉及一种提高电子***起爆安全性的***和方法。
背景技术
电子***起爆***一般由两部分组成：电子***和***，***用于对电子***进行控制，完成点名、延期设置、起爆密码验证、充电、起爆等功能。其中设置延期和充电是两步非常关键的操作，延期主要用于让电子***接收到起爆命令之后进行倒计时用，一旦延期结束，***就会真正起爆；而***起爆所需要的能量都来自于储能电容，在起爆之前必须先对储能电容进行充电。
传统的电子***充电方式一般有两种方式：
一种是电子***控制模块不支持多级充电档位，其充电电压完全由***输出的电压决定，所有***网路在线***充同一个电压；
第二种电子***模块支持有限的几个档位，电压档位跨度特别大，典型地一般主要是针对不同电压等级的电容来设置(比如10V、16V、20V、25V)，实际充电的时候也只是选择一个档位，所有在线***最终充的还是同一个电压。
专利文献CN108398066A(申请号：CN201810228366.2)公开了一种起爆方法及***，所述方法包括：起爆装置向各电子***发送起爆预备指令，并监听各电子***的反馈信息；若未监听到第一反馈信息，则起爆装置向各电子***发送预发火指令，以控制各电子***进入点火激发等待状态；向各电子***发送特征起爆波形指令，以使得各电子***根据接收到的特征起爆波形指令执行起爆。
然而，不同***在起爆时释放的能量差异很大，特别是个别延期短的***因为储能电容电压下降很少，远高于药头的发火电压，起爆时能量过大，可能会引起发火元件(一般为桥丝电阻)过早熔断，储能电容能量无法完全释放，最终导致出现***拒爆问题。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种提高电子***起爆安全性的***和方法。
根据本发明提供的提高电子***起爆安全性的***，包括***和电子***；
所述***与电子***通过AB二总线进行连接；
所述电子***内部支持多级充电档位，***在给电子***下发充电指令时指定对应的档位；同时，***内部存储延期值和充电档位的映射表，根据电子***的延期值选择不同的充电档位给电子***充电，保证在延期结束起爆时电子***上的储能电容的电压相等。
优选的，所述***对电子***进行起爆控制，包括主控单元、AB二总线电路及反馈电流采样电路；
所述主控单元通过PC6与AB二总线电路的PHASE端相连接，用于控制调整二总线电路输出电压的相位；AB二总线输出电压经过两个采样电阻之后输出AB二总线信号用于连接电子***模块；同时B信号与反馈电流采样电路的B_IN端相连接，用于对B总线上的电流进行采样；反馈电流采样电路的输出端B_TEST与主控单元的PA1相连接，作为主控单元的模数转换通道输入，对B总线的电流进行采样。
优选的，所述电子***包括：
电源模块：将输入的高压VDD进行转换，输出为电子***提供工作电压；
基准电压电路：与电源模块连接，输出基准电压；
上电复位电路：与基准电压电路连接，基于低压VCCL和基准电压对电子***芯片进行复位。
优选的，所述电子***还包括：
振荡器电路：与电源模块连接，产生时钟信号给数字逻辑电路使用；
充放电通路：与电源模块和储能电容连接，对储能电容进行充放电控制；
电阻分压电路：与充放电通路、比较器和储能电容连接，对储能电容电压进行电阻分压，分压比1/10，输出给比较器作为输入，基准电压进行比较，用于判断电容是否充满。
优选的，所述电子***还包括：
传输门：与基准电压电路和数字逻辑电路连接，受数字逻辑电路控制，输出相应的选通信号来选择相应的参考电压输出；
比较器：与传输门连接，对储能电容电压VB和基准电压经传输门选择输出的VREF进行比较，高于基准电压则输出高电平，反之，输出低电平；
数字逻辑电路：与上电复位电路、振荡器电路、传输门、充放电通路、比较器、通信电路和发火开关连接，处理经通信电路解析之后的指令，控制充放电通路进行储能电容的充放电，并通过计时器来完成延时处理。
优选的，所述电子***还包括：
通信电路：与***进行通信连接，接收***指令和返回数据给***；
通信电容：与电源模块、充放电通路连接，在与电子***通信时给电子***芯片补充电源。
优选的，所述电子***还包括：
储能电容：与充放电通路、电阻分压电路和发火开关连接，用于储存能量，在芯片进入延期后给电子***芯片供电，同时在延期结束之后释放能量加热发火元件；
桥丝电阻：为发火元件，连接发火开关、充放电通路和储能电容，通过加热桥丝来引爆药头；
发火开关：为发火MOS管，其栅极由电子***芯片FIRE控制。
优选的，所述充放电通路包括充放电MOS管和充放电限流电阻，所述充放电MOS管的开关信号由逻辑控制电路控制，充电MOS管的源极接输入电压，充电MOS管的栅极接充电使能信号，充电MOS管的漏极经限流电阻后连接输出电压，输出电压经限流电阻后与放电MOS管的漏接相连接，放电MOS管的栅极接放电使能信号，放电MOS管的源极接地。
根据本发明提供的提高电子***起爆安全性的方法，包括：
步骤1：在***端输出母线电压给组网的电子***供电，所有电子***正常上电经初始化之后进入待机状态，等待接收***命令；
步骤2：发出扫描命令，完成对在网的电子***点名，如果电子***数目正确，同时没有未登记的电子***，则进入步骤3，否则对线路进行检查，排查状态异常的电子***；
步骤3：根据预设***条件对电子***逐发设置延期值，并等待***反馈确认之后，进入步骤4；
步骤4：对电子***进行起爆密码验证，验证通过进入步骤5，否则排查状态异常的电子***；
步骤5：检索延期值和充电档位的映射表，通过电子***的延期值得到相应的充电档位，并发送充电指令给电子***进行充电，若所有电子***充电完毕并且状态正常，则进入步骤6，否则排查状态异常的电子***；
步骤6：发送起爆命令，所有电子***进入延期倒计时，等延期结束后自动引爆电子***。
优选的，异常电子***排查过程包括：在电子***组网时记录每一发电子***的位置和对应的电子***识别码UID，若某一发电子***识别码UID缺失，则到该电子***对应的安装位置进行检查，先将该发电子***从网络中断开，并进行单发电子***的扫描指令检查，若状态确认异常，则用新的电子***进行更换；若状态正常，则检查***与线路的连接处，根据需求更换连接位置或更换一发新的电子***。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
(1)本发明利用电子***芯片内部精细的充电档位的特性，***实现了对不同电子***的储能电容的充电电压进行精细化管理，让所有电子***的储能电容最终释放的发火能量是基本一致的，在保证药头可靠发火的前提下，杜绝了因电容能量过高可能导致桥丝过早熔断引发的***拒爆问题；
(2)采用本发明的方法，可以保证针对不同药头类型(敏感或不敏感药剂)，无论采用直径粗的桥丝还是直径细的桥丝，都不用担心桥丝有提前烧断的隐患，让药剂和桥丝的选择不再受限。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为电子***组网示意图；
图2为电子***芯片内部示意图；
图3为***内容结构示意图；
图4为充放电通路结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例：
本发明提出了一种提高电子***起爆安全性的***，该***包括***、电子***模块和电子***芯片。电子***芯片内部支持精细的多级充电档位(1V一档，9V～20V，共12个档位)，***在给***下发充电指令的时候指定对应的档位；同时，***内部存储了延期值和充电档位的映射表，根据***的延期值选择不同的充电档位给***充电，延期大的***设置较高的充电档位，延期小的***设置较低的充电档位，保证在延期结束起爆时候，储能电容上的电压基本相等，即用于加热发火元件引爆药头的能量基本一样。
如图1和图2，本发明提供的提高电子***起爆安全性的***，包括：
***：完成对电子***模块的起爆控制，包含主控单元、二总线电路(产生A、B总线电源和信号)及反馈电流采样功能，如图3，***与电子***模块通过A、B二总线进行连接；所述主控单元通过PC6与二总线电路的PHASE端相连接，用于控制调整二总线电路输出电压的相位；二总线输出电压(OUT+/OUT-)经过两个采样电阻R(R取值一般在5～20ohm左右)之后输出A、B二总线信号用于连接电子***模块；同时B信号与反馈电流采样电路的B_IN端相连接，用于对B总线上的电流进行采样；反馈电流采样电路的输出端B_TEST与主控单元的PA1相连接，作为主控单元的模数转换通道输入，对B总线的电流进行采样。
电源模块：电源模块将输入的高压VDD进行转换，输出为所述电子***芯片提供稳定的工作电压，包含高压VCCH和低压VCCL。VCCH电压范围5V～30V，芯片上电稳定之后，VCCL输出固定在3V左右。电源模块连接基准电压电路、上电复位电路、振荡器电路和充放电通路。
基准电压电路：与上电复位电路连接，电子***芯片内部基于低压VCCL产生的低压基准电源，输出有0.9V、1.0V、1.1V、…、2.0V的电压基准：VREF1、VREF2、…、VREF12。
上电复位电路：与数字逻辑电路连接，基于低压VCCL和基准电压VREF_POR来实现芯片复位，当低压VCCL低于VREF_POR时，芯片处于复位状态，POR输出为低电平，反之，则芯片复位结束，POR输出为高。
振荡器电路：与数字逻辑电路连接，产生时钟信号给数字逻辑电路使用，输入来自电源模块的低压电源VCCL，输出CLK。
充放电通路：与电阻分压电路、储能电容和发火开关连接，对储能电容进行充放电的控制电路，输入电压VIN来自电源模块的VCCH，输出端给储能电容充电，主要包含了充电、放电MOS管、充放电限流电阻(充放电电流限制在10mA以下)，MOS管的开关信号CHG_EN、DSG_EN由逻辑控制电路控制，如图4，所述充电MOS管的源极接输入电压VIN，充电MOS管的栅极接充电使能信号CHG_EN，充电MOS管的漏极经限流电阻R1之后输出VOUT，输出电压VOUT经限流电阻R2之后与放电MOS管的漏接相连接，放电MOS管的栅极接放电使能信号DSG_EN，放电MOS管的源极接地。
电阻分压电路：与比较器连接，对储能电容电压进行电阻分压，分压比1/10，输出给比较器作为输入，基准电压进行比较，用于判断电容是否充满。
比较器：对储能电容电压VB和基准电压经传输门选择输出的VREF进行比较，高于基准电压则输出高电平，反之，输出低电平。
传输门1～12：与基准电压电路和数字逻辑电路连接，受数字逻辑电路控制，输出相应的选通信号CH1、…CH12来选择相应的参考电压输出。
数字逻辑电路：***芯片内部的数字逻辑控制电路，负责处理经通信电路解析之后的指令；控制充放电通路进行储能电容的充放电；并通过计时器来完成延时处理。
通信电路：与发火开关连接，电子***内部与***完成通信功能的电路，主要负责接收***指令和返回数据给***。
通信电容：与电源模块、充放电通路连接，用于在***通信时候给芯片补充电源。
储能电容：与充放电通路、电阻分压电路和发火开关连接，用于储存能量，在芯片进入延期后给芯片供电，同时在延期结束之后释放能量加热发火元件。
桥丝电阻：发火元件，连接发火开关和充放电通路，通过加热桥丝来引爆药头。
发火开关：发火MOS管，栅极由电子***芯片FIRE控制。
本发明提出了一种提高电子***起爆安全性的方法，包括：
步骤一：***输出母线电压给组网的电子***供电，所有电子***正常上电经初始化之后进入待机状态，等待接收***命令；
步骤二：***首先发出扫描命令，完成对在网的电子***点名，如果***数目正确，同时没有未登记的***，则进入步骤三，否则要对线路进行检查，排查状态异常的***；排查方法包括：在***组网时操作人员会记录每一发***的位置和对应的***识别码UID，如果某一发UID缺失，就到该***对应的安装位置进行检查，可以先将该发***从网络中断开，并进行单发***的扫描指令检查，如果状态确认异常，则用新的***进行更换；如果状态正常的，说明***与线路的连接异常，检查***与线路的连接处，如有需要可以更换连接位置，或者也可直接更换一发新的***；
步骤三：***根据***方案对电子***逐发设置延期值，并等待***反馈确认之后，进入步骤四；
步骤四：***对电子***进行起爆密码验证，验证通过进入步骤五，否则排查状态异常的***；
步骤五：***检索延期值和充电档位的映射表，通过***的延期值得到相应的充电档位，并发送充电指令给***进行充电。如果所有***充电完毕并且状态正常，则进入步骤六，否则排查状态异常的***；
步骤六：***发送起爆命令，所有***进入延期倒计时，等延期结束，***引爆。
桥丝过早烧断引发拒爆的原理分析：
容量为C、初始充电电压U0的电容在经过时间t能释放出来的能量Q1如下计算：
其中：Rs为桥丝的电阻，Rl为电容的等效串联电阻ESR，τ＝(Rs+Rl)C为放电常数。
而桥丝要熔断所需要的能量Q2为：
Q2＝cmT
其中：c为桥丝的比热容，对于镍铬合金0.46焦/(克*度)；m为桥丝质量，以40um桥丝为例，m＝1.62E-5克；而T为温升，桥丝熔点为1400度，也即温升1400度，桥丝会熔断。
假设电容放出的能量全部用于加热桥丝，则桥丝熔断的时间t1可以根据下式计算：
从上式可以看出，电容的电压U0越高，桥丝熔断的时间t1就越短，桥丝熔断时间过快，电容的能量没法充分用于加热桥丝引爆药头，所以电容的电压并不是越高越好。
***内延期值和充电档位映射算法：
根据电容放电公式：
Ut＝U0-I*t/C
其中，C是电容容量，I是延期时芯片耗电，t是延期时间，U0是充电电压，Ut经过延期t之后电容剩余电压。
要使药头正常引爆，电容剩余电压Ut必须高于药头的发火电压Uf，对于***成品来说，药剂和桥丝、电容一旦确认，这个Uf就是一个定值。而芯片延期电流I和电容C也是定值，可见电容的充电电压和延期是一个线性关系，延期长，需要充电的电压高，延期短，需要充电的电压就低。
由于电子***芯片内部的充电电压是固定的以1V为步长的档位，因此可以上式计算不同延期下对应的充电电压值，并直接往最接近的整数电压档位进行取整，从而生成延期和充电电压档位的映射表，保存在***的存储器里面。在实际应用中，***可以根据不同***的延期要求来选择相应合适的充电档位，对***进行充电，从而保证了所有***在延期结束之后电容电压基本一致，避免个别***因为电容电压过高桥丝过早熔断导致拒爆，提升了电子***起爆的可靠性和安全性。
采用耐压25V容值为100uF的电解电容作为电子***模块的储能电容，发火元件采用30um直径的镍铬合金桥丝，采用苦味酸钾药剂的钝感药头，其正常发火电压为12.5V，桥丝熔断时间230us。而如果电容上电压过高，如18V时，桥丝熔断时间变成正常发火电压时的约1/4(69us)，这就存在桥丝熔断过快导致药头无法引爆的风险。
电容容量(uF) 100 100 100 100 100 100 100
电容起爆电压(V) 18 17 16 15 14 13 12.5
桥丝电阻(ohm) 2.6 2.6 2.6 2.6 2.6 2.6 2.6
电客ESR(ohm) 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2 0.2
放电常数(τ) 280 280 280 280 280 280 280
桥丝升温(℃) 1.40E+03 1.40E+03 1.40E+03 1.40E+03 1.40E+03 1.40E+03 1.40E+03
放电时间t(us) 69 80 95 115 144 192 230
容值为100uF的电解电容，电子***延期电流25uA，电子***一般至少需要支持20s的延期，根据电容放电公式：
Ut＝U0-I*t/C
可以计算得到，电解电容至少充电18V，延期20s之后电容还有13.0V，可以正常引爆发火药头，电容经过不同延期之后的剩余电容如下表：
延期(s) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
电容残留电压(V) 18.0 17.5 17.0 16.5 16.0 15.5 15.0 14.5 14.0 13.5 13.0
基本上每2s电压降低0.5V，所以可以简单建立如下的映射表：
延期(s) 0 (0，4] (4，8] (8，10] (10，14] (14，20]
充电电压(V) 13 14 15 16 17 18
通过延期来调整充电电压，可以保证***起爆时候的电容电压都在13V～14之间，桥丝熔断时间基本一致，控制在150～200us左右。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的***、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的***、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的***、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (3)

1.一种提高电子***起爆安全性的***，其特征在于，包括***和电子***；
所述***与电子***通过AB二总线进行连接；
所述电子***内部支持多级充电档位，***在给电子***下发充电指令时指定对应的档位；同时，***内部存储延期值和充电档位的映射表，根据电子***的延期值选择不同的充电档位给电子***充电，保证在延期结束起爆时电子***上的储能电容的电压相等；
所述***对电子***进行起爆控制，包括主控单元、AB二总线电路及反馈电流采样电路；
所述主控单元通过PC6与AB二总线电路的PHASE端相连接，用于控制调整二总线电路输出电压的相位；AB二总线输出电压经过两个采样电阻之后输出AB二总线信号用于连接电子***模块；同时B信号与反馈电流采样电路的B_IN端相连接，用于对B总线上的电流进行采样；反馈电流采样电路的输出端B_TEST与主控单元的PA1相连接，作为主控单元的模数转换通道输入，对B总线的电流进行采样；
所述电子***包括：
电源模块：将输入的高压VDD进行转换，输出为电子***提供工作电压；
基准电压电路：与电源模块连接，输出基准电压；
上电复位电路：与基准电压电路连接，基于低压VCCL和基准电压对电子***芯片进行复位；
所述电子***还包括：
振荡器电路：与电源模块连接，产生时钟信号给数字逻辑电路使用；
充放电通路：与电源模块和储能电容连接，对储能电容进行充放电控制；
电阻分压电路：与充放电通路、比较器和储能电容连接，对储能电容电压进行电阻分压，分压比1/10，输出给比较器作为输入，基准电压进行比较，用于判断电容是否充满；
所述电子***还包括：
传输门：与基准电压电路和数字逻辑电路连接，受数字逻辑电路控制，输出相应的选通信号来选择相应的参考电压输出；
比较器：与传输门连接，对储能电容电压VB和基准电压经传输门选择输出的VREF进行比较，高于基准电压则输出高电平，反之，输出低电平；
数字逻辑电路：与上电复位电路、振荡器电路、传输门、充放电通路、比较器、通信电路和发火开关连接，处理经通信电路解析之后的指令，控制充放电通路进行储能电容的充放电，并通过计时器来完成延时处理；
所述电子***还包括：
通信电路：与***进行通信连接，接收***指令和返回数据给***；
通信电容：与电源模块、充放电通路连接，在与电子***通信时给电子***芯片补充电源；
所述电子***还包括：
储能电容：与充放电通路、电阻分压电路和发火开关连接，用于储存能量，在芯片进入延期后给电子***芯片供电，同时在延期结束之后释放能量加热发火元件；
桥丝电阻：为发火元件，连接发火开关、充放电通路和储能电容，通过加热桥丝来引爆药头；
发火开关：为发火MOS管，其栅极由电子***芯片FIRE控制；
所述充放电通路包括充放电MOS管和充放电限流电阻，所述充放电MOS管的开关信号由逻辑控制电路控制，充电MOS管的源极接输入电压，充电MOS管的栅极接充电使能信号，充电MOS管的漏极经限流电阻后连接输出电压，输出电压经限流电阻后与放电MOS管的漏接相连接，放电MOS管的栅极接放电使能信号，放电MOS管的源极接地。
2.一种提高电子***起爆安全性的方法，其特征在于，采用权利要求1所述的提高电子***起爆安全性的***，包括：
步骤1：在***端输出母线电压给组网的电子***供电，所有电子***正常上电经初始化之后进入待机状态，等待接收***命令；
步骤2：发出扫描命令，完成对在网的电子***点名，如果电子***数目正确，同时没有未登记的电子***，则进入步骤3，否则对线路进行检查，排查状态异常的电子***；
步骤3：根据预设***条件对电子***逐发设置延期值，并等待***反馈确认之后，进入步骤4；
步骤4：对电子***进行起爆密码验证，验证通过进入步骤5，否则排查状态异常的电子***；
步骤5：检索延期值和充电档位的映射表，通过电子***的延期值得到相应的充电档位，并发送充电指令给电子***进行充电，若所有电子***充电完毕并且状态正常，则进入步骤6，否则排查状态异常的电子***；
步骤6：发送起爆命令，所有电子***进入延期倒计时，等延期结束后自动引爆电子***。
3.根据权利要求2所述的提高电子***起爆安全性的方法，其特征在于，异常电子***排查过程包括：在电子***组网时记录每一发电子***的位置和对应的电子***识别码UID，若某一发电子***识别码UID缺失，则到该电子***对应的安装位置进行检查，先将该发电子***从网络中断开，并进行单发电子***的扫描指令检查，若状态确认异常，则用新的电子***进行更换；若状态正常，则检查***与线路的连接处，根据需求更换连接位置或更换一发新的电子***。
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