基于卫星授时和WIFI通信的无线起爆器.pdf

本发明公开了一种基于卫星授时和WIFI通信的无线起爆器，包括外壳，在外壳内设置微处理器模块、卫星接收机模块、WIFI通信模块、起爆控制电路模块、工作电源模块、起爆电源模块；所述的卫星接收机模块、WIFI通信模块、起爆控制电路均与微处理器模块连接，所述测控软件起爆命令通过WIFI通信模块到微处理器模块，微处理器模块实时解析从卫星接收机模块进入的1PPS信号和授时信息，当授时信息与起爆命令中的时刻一致时，微处理器模块发出爆炸启动信号，该启动信号作为起爆控制电路的程控开关信号，控制与雷管直接连接的高电压信号的通断，最终引爆雷管。本发明使用方便、过程安全、能够在爆炸效应无线测试系统中作为精确定时的起爆控制装置。

权利要求书
1.  一种基于卫星授时和WIFI通信的无线起爆器，包括外壳，其特征是：在外壳内设置微处理器模块、卫星接收机模块、WIFI通信模块、起爆控制电路模块、工作电源模块、起爆电源模块；所述的卫星接收机模块、WIFI通信模块、起爆控制电路均与微处理器模块连接，在微处理器上使用硬件描述语言实现导航信息处理模块，卫星接收机模块通过卫星天线可接收卫星导航系统的导航和授时信息；所述测控软件起爆命令通过WIFI通信模块到微处理器模块，微处理器模块实时解析从卫星接收机模块进入的1PPS信号和授时信息，当授时信息与起爆命令中的时刻一致时，微处理器模块发出爆炸启动信号，该启动信号作为起爆控制电路的程控开关信号，控制与雷管直接连接的高电压信号的通断，最终引爆雷管。

2.  根据权利要求1所述的基于卫星授时和WIFI通信的无线起爆器，特征是：所述的卫星接收机模块为北斗导航接收机模块或GPS导航接收机模块。

3.  根据权利要求1所述的基于卫星授时和WIFI通信的无线起爆器，特征是：所述的微处理器模块采用FPGA芯片，该芯片完成WIFI通信和北斗接收机的接口适配，在其上利用硬件描述语言VHDL实现导航信息处理模块，完成授时同步和定位功能，作为从爆炸命令接收到启动爆炸的全过程控制核心。

4.  根据权利要求1所述的基于卫星授时和WIFI通信的无线起爆器，特征是：所述的起爆控制电路采用高频响三极管和场效应管完成起爆控制信号的高速响应（延时小于10us），在控制电路中串接可保证起爆过程安全的机械开关；所述的工作电源模块、起爆电源模块完全分离，全面保证起爆器的安全作业。

说明书基于卫星授时和WIFI通信的无线起爆器
技术领域
本发明属于爆炸测试技术领域，特别是涉及基于卫星授时和WIFI通信的无线起爆器。
背景技术
爆炸效应测试是各国武器弹药研制、工程防护研究、战场火力布置等研究中的重要基础，目前基于电学测试方法的爆炸效应试验多采用长线电测法。该方法存在信号电缆数目多，现场布设不方便，冲击波作用于信号传输电缆会因“电缆效应”产生虚假信号引起干扰和强噪声等诸多问题，数据采集和传输不方便，自动化程度很低。目前随着无线通信技术的发展不少研究机构将无线传感技术应用于爆炸效应测试中，利用无线测试设备可以灵活布置构成分布式测试系统，然而在爆炸效应已有的无线测试设备中，多个分布式测试节点采用各自独立的工作时钟和有线式触发信号，起爆器的时钟无法与多个分布式测点节点的时钟完全同步，因此无法获得信号到达各个分布式测试节点的准确时间信息。如果爆炸效应测试使用的测试设备与起爆设备之间建立完全同步的时间基准，将有效解决爆炸效应无线量测中的测试设备同步时间信息获取问题，这对无线分布式测试是至关重要的，因此需要进行能够与其他设备进行无线时钟同步的起爆器研发。
目前随着采矿业、建筑业等工业需求升级，电子爆破系统也不断改进，在爆破施工作业中，已经出现了可进行智能起爆、无线起爆的相关起爆器和与之配套的含时钟和记忆模块的数码电子雷管。利用GPS进行定位、利用3G（GPRS）进行通信及定位、利用WIFI和ZIGBEE等无线通信方式的无线爆破系统均有相关专利。但是这些系统专为工业爆破领域设计，关注无线控制、精确延时、复杂爆破过程控制等功能，无法满足在爆炸效应测试中使用且具备与效应测试设备同步时钟的需求：（1）这些起爆器通过无线方式与数码电子雷管连接，起爆器发出起爆指令通过无线网络发送具有毫秒级的网络延迟，数码电子雷管上的时钟模块精度不高且无法与测试设备同步，起爆电路本身也有一定的固有延迟，而爆炸效应测试一般的过程时间仅为数百毫秒；（2）这些起爆器未建立或者说较难建立与爆炸效应测试系统控制中心的无线通信交互及时间基准交互。因此有必要发明一种适用于爆炸效应测试的无线起爆器，用以建立爆炸过程控制设备与测试设备之间的同步时钟并能够快速触发起爆。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于卫星授时和WIFI通信的无线起爆器，该起爆器针对爆炸效应测试特点设计，既能保证与其他分布式测试设备的时钟高精度同步，又能保证爆炸瞬间各分布式测试设备的同步触发，能够在爆炸效应无线测试系统中作为精确定时的起爆控制装置。
本发明是采取如下的技术方案实现的：基于卫星授时和WIFI通信的无线起爆器，包括外壳，在外壳内设置微处理器模块、卫星接收机模块、WIFI通信模块、起爆控制电路模块、工作电源模块、起爆电源模块。卫星接收机模块、WIFI通信模块、起爆控制电路均与微处理器模块连接，在微处理器上使用硬件描述语言实现导航信息处理模块，卫星接收机模块通过卫星天线可接收卫星导航系统的导航和授时信息，所述测控软件起爆命令通过WIFI通信模块到微处理器模块，微处理器模块实时解析从卫星接收机模块进入的1PPS信号和授时信息，当授时信息与起爆命令中的时刻一致时，微处理器模块发出爆炸启动信号，该启动信号作为起爆控制电路的程控开关信号，控制与雷管直接连接的高电压信号的通断，最终引爆雷管。
所述的卫星接收机模块为北斗导航接收机模块或GPS导航接收机模块。
所述的微处理器模块采用FPGA芯片，该芯片完成WIFI通信和北斗接收机的接口适配，在其上利用硬件描述语言VHDL实现导航信息处理模块，完成授时同步和定位功能，作为从爆炸命令接收到启动爆炸的全过程控制核心。
所述的起爆控制电路采用高频响三极管和场效应管完成起爆控制信号的高速响应（延时小于10us），在控制电路中串接可保证起爆过程安全的机械开关。所述的工作电源模块、起爆电源模块完全分离，全面保证起爆器的安全作业。
无线起爆器是爆炸过程的专用控制装置，其安全性在设计、使用过程中必须首要考虑。本发明中设计的无线起爆器，通过三种方法保证其安全作业：（1）WIFI通信指令中融合身份认证和动态匹配消息，起爆器仅响应测控中心发出的正确指令，各种偶发干扰和恶意无线网络控制均无法转化为有效指令；（2）起爆器接收到的实时经纬度与预设起爆经纬度差别较大时，无线起爆器向测控软件发出报警信息；（3）在起爆控制电路加入安全机械开关，当雷管接入接线端子，爆炸区域完全警戒后才使安全机械开关导通。
综上所述，本发明结构合理、设计巧妙，有效解决了现有无线起爆器固有延时较大、无法与测试设备时钟同步、存在安全隐患等问题，非常适合在采用无线方式进行分布式测试的爆炸效应瞬态过程测试中应用。
附图说明
图1为本发明的结构组成示意图。
图2为本发明的FPGA处理器的工作状态跳转图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施例。
如附图1所示：基于北斗授时和WIFI通信的无线起爆器，包括微处理器模块、卫星接收机模块、WIFI通信模块、起爆控制电路模块、工作电源模块、起爆电源模块和外壳，北斗接收机、WIFI通信模块、起爆控制电路均与微处理器连接，在微处理器上使用硬件描述语言实现导航信息处理模块，在外壳内封装工作电源和起爆电源。其中微处理器模块采用FPGA芯片，该芯片完成WIFI通信和北斗接收机的接口适配，在其上利用硬件描述语言VHDL实现导航信息处理模块，完成授时同步和定位功能，作为从爆炸命令接收到启动爆炸的全过程控制核心。所述的卫星接收机模块为北斗导航接收机模块或GPS导航接收机模块，本实施例采用北斗导航接收机模块，通过北斗天线可接收北斗卫星导航系统的导航和授时信息。WIFI通信模块按照TCP协议进行通信，完成FPGA与测控软件之间的WIFI通信内容的接收与发送。起爆控制电路采用高频响三极管和场效应管完成起爆控制信号的高速响应（延时小于10us），串接机械开关保证起爆过程的安全。工作电源模块、起爆电源模块完全分离，全面保证起爆器的安全作业。
所述的北斗接收机模块使用ATGM331C模块，可以有效接收北斗卫星的导航信息，其授时精度为20ns北斗接收机模块在接收到北斗卫星信号时会以1Hz的刷新速度更新当前的导航信息，同时给出上升沿指示精确整秒开始的1PPS信号，导航信息按照NMEA-0183协议格式给出当前的经纬度、UTC时间等信息，按照UART接口方式与FPGA连接，FPGA要完成UART接口方式下的数据格式解析，获取经纬度、UTC时间等导航结果。
所述的起爆控制电路模块由电子升压电路、机械开关、数控开关、雷管接线端子组成。电子升压电路包括晶体管震荡、变压器升压和整流滤波三部分组成，在机械开关闭合时该电路启动工作，形成稳定的直流高压用于引爆雷管。无线起爆器仅在预设的起爆时刻引爆雷管，因此在电子升压电路之后雷管接线端子之前加入数控开关，该数控开关由FPGA发出的起爆控制脉冲控制通断。若采取常用的继电器、模拟开关等装置设计该数控开关会带来毫秒级的延时，而本无线起爆器的需要该数控开关的延时小、能通过较大电流。为实现该数控开关，将FPGA输出的TTL电平的控制脉冲输入到第一级三极管中，经电流放大后驱动第二级工作在开关状态的场效应管，这两个管子均选择高频响、大电流的管子实现，可完成仅为微秒量级延时的数控开关。
具体工作过程如下：将基于北斗授时和WIFI通信的无线起爆器纳入爆炸效应无线分布式测试系统。在进行爆炸效应试验前，测控软件通过无线WIFI网络向无线起爆器和无线存储测试设备发送定时触发命令，利用我国已成熟的北斗卫星定位系统，使用北斗接收机可以有效接收卫星导航信号，通过与北斗接收机连接的FPGA处理器进行导航信息的解析，可实现将无线起爆器与测试设备均精确时钟同步于国际标准时间。之后起爆器根据北斗接收机来更新校准本地时间，到达预设的起爆时刻时起爆器发出控制脉冲，该脉冲作用于起爆控制电路，使起爆控制电路的数控开关导通引起雷管起爆，该雷管使用普通电子雷管，通过有线导线与起爆电路的雷管接线端子连接。由于测试设备与无线起爆器的时钟同步并且预先知道起爆时刻，故可完整记录下来爆炸过程数据，同时该数据具有全网同步的时间信息。
附图2所示，FPGA处理器的工作状态跳转：首先通过WIFI模块接收测控软件的起爆控制命令，提取出控制命令中包含起爆位置的经纬度坐标和起爆时刻；然后实时判断当前北斗接收机的导航信息与起爆命令中起爆位置和起爆时刻的关系，当无线起爆器的位置与起爆命令中的位置经纬度差异小于某个阈值时，认为此处是安全的起爆位置，大于该阈值则通过WIFI网络给测控软件反馈信息，当北斗授时时间为起爆时刻前1秒时，FPGA进入精确起爆时刻确认状态；最后，在精确起爆时刻确认状态，FPGA利用内部锁相环产生高倍频时钟，利用该时钟检测1PPS的上升沿，检测到的第一个1PPS信号上升沿为准确的起爆时刻，此时FPGA发出起爆控制脉冲。
本发明设计的无线起爆器，精确定时起爆是其最大特点。采用的北斗接收机模块1PPS信号的统计精度为20ns，即不同接收机之间的授时误差为60ns以内的概率为0.9974，在爆炸效应无线分布式测试系统中该无线起爆器与测试设备之间的时间基准误差小于60ns。无线起爆器收到起爆时刻命令后，需要检测起爆时刻对应的1PPS信号的上升沿，按照FPGA采用500MHz的倍频时钟计算，每个时钟周期为2ns，五个时钟周期10ns即可完成上升沿检测后的起爆控制脉冲输出，设计的高速数控开关在小于5us的时间内可控制雷管起爆。实际测试中，该无线起爆器的接线端子上连接瞬发雷管，接线长度100米左右时，无线起爆器均可在5us内可靠通电起爆，加上雷管自身的发火时间和传导时间，雷管爆炸时刻距离整秒定时时刻延迟不超过6ms。由于起爆器与测试设备的时间基准同步精度小于60ns，因此经过10ms的预触发采样，之后进行100ms以内的触发后采样可以完整同步的记录整个爆炸过程。
通过上述具体实施方式的描述，可以看出本发明结构合理、设计巧妙，非常适合在采用无线方式进行分布式测试的爆炸效应瞬态过程测试中应用。采用本发明的技术方案，在设计细节上利用原理相同的公知技术进行改进的相关起爆器均在本专利保护范围之内。