某型武器系统点火选弹箱低温环境筛选方案初探

【摘  要】本文简要介绍了单片机C8051F040内部时钟工作原理，并针对某型武器系统点火选弹箱（以下简称选弹箱）点火时序数据濒临极限值情况进行了分析，并结合现有技术提出解决方案，研制了单片机C8051F040的时钟频率测

量设备，有效解决了选弹箱时序稳定性问题，通过实践证明该方法简单可行、性能可靠。

【关键词】 C8051F040单片机 ；周期；时序

某型武器系统作为先进的主战装备，其内部的选弹箱主要作用是当射手按下击发按钮后，按照既定时序可靠发出点火信号，从而及时有效地发射导弹，因此选弹箱点火时序数据的稳定性显得尤为重要。

一．问题概述

选弹箱低温工作检测时，2#电池点火时序时间为：-1.109s、-1.110s （技术指标要求为：-1.10s±10ms）， 1#电池点火时序时间为：-1.008s、-1.009s （技术指标要求为：-1.00s±10ms），两组技术指标数据濒临极限值。此项指标超差，后续点火时序会不同程度滞后，对导弹及时发射造成影响。

二．原因分析

1.检测设备分析

提交产品均由同一套经计量检定合格的设备进行检测。从近两年产品的点火时序检测数据看，均在合格范围内并呈离散性分布，由此可排除检测设备误差影响点火时序数据。

2.测试电缆分析

用合格的选弹箱配以之前检测用的电缆，多次插拔测试电缆，更换不同弹位，对产品进行点火时序检测，结果一致性较好。更换测试电缆，进行点火时序检测，结果无明显变化。由此可排除电缆损坏影响点火时序数据。

3.选弹箱分析

选弹箱由箱体、母板、点火盒组件、控制板组件等组成。箱体零件严格按照图纸生产装配，且绝缘措施良好，检查箱体前后面板连线，未发现异常；母板上没有逻辑电路，只是点与点间的线连接，未发现异常；点火盒为外购成件，内部只有继电器，没有时序控制器件，结构上采取电磁屏蔽防护措施。控制板组件通过板上C8051F040单片机发出控制信号给点火盒，再由点火盒控制点火时序，通过以上分析，仅有可能是该型单片机的时钟信号超差影响点火时序数据。

4.数据分析

对已交付的数套选弹箱检测数据进行分析，低温工作条件下点火时序数据相比常温工作条件下普遍滞后5ms～11ms左右，由此可见，点火时序数据受低温环境影响较大。

5.元器件分析

（1）C8051F040单片机时钟检测信号说明

a.内部振荡器时钟频率

C8051F040单片机器件包含一个可编程内部振荡器，在出厂前已被校准，对应24.5 MHz的振荡频率（典型值），如下表所示。

b.系统时钟

系统时钟是片内各功能模块工作时钟，将内部振荡器8分频，经计算（以典型值24.5MHz为例）：

f=24.5/8 = 3.0625（MHz） 周期T = 1/3.0625 = 0.3265（us）。

c.C8051F040单片机芯片检测信号频率及周期

指令周期数统计如下表所示。

由此，检测口输出检测信号的指令所耗费周期数应共计为：

2 x （2 + 3）= 10，

经计算，检测信号周期 T检测 = 0.3265  x  10 = 3.265（us），输出频率f检测 = 1/T检测= 1/3.265（us）= 306.3KHz。

d.检测芯片数据

因为T检测数据可以精确到3位小数，精度比频率值f检测高， 因此把T检测做为芯片检验数据合理。内部振荡器频率介于24MHz到25MHz之间，按理论值可测算检测信号的周期和频率，如下表所示。

（2）C8051F040性能分析

经过对C8051F040单片机工作原理的分析，因该器件时钟信号参数随温度的变化会发生漂移，固C8051F040单片机导致点火时序信号数据变化的可能性较大。

a.该器件使用内部时钟晶振，低温下时钟信号周期变长，频率变慢，软件定时输出信号也会相应发生变化；

b.时钟信号在极限临界低温状态的表现并不一致，存在一定的概率；

c.对于点火时序信号数据濒临极限值的现象，可推断出当时钟信号周期变长，各时序信号数据相应滞后，只不过2#电池点火和1#电池点火的时间相对前序时序间隔较长，积累的变化量增大，濒临极限值的概率变大。

三.解决措施

通过上述分析，增加C8051F040单片机及选弹箱低温环境筛选工序即可有效控制点火时序数据。

1.C8051F040单片机低温环境筛选方案

（1）C8051F040单片机检测仪的组成及应用

单片机检测仪由芯片放置箱和信号测试盒两部分组成（如图1）。芯片放置箱内有一块测试板，板上含8个芯片测试座和一个程序下载座，可以同时测试8个芯片。测试板内各芯片座有电源供电（DC3.3V）、程序下载座连接有JTAG接口，可以下载测试程序。信号测试盒由芯片选择开关、电源开关和信号测试柱组成，并有插座通过电缆分别与芯片放置箱和直流稳压电源连接。编制测试程序，并烧写至C8051F040单片机芯片中，程序要求管脚输出固定频率值，一次接入8个芯片，在低温环境试验条件下测试其输出时序脉宽。

（2）C8051F040单片机筛选技术要求

a.常温条件下，通过单片机检测仪，剔除C8051F040单片机周期处于边缘化芯片，以3.210µs<T <3.229µs为技术指标；

b.低温条件下，以3.240µs<T <3.255µs为技术指标；

c.高温条件下，因C8051F040单片机性能参数与常温比较，无明显差异，故参照常温技术指标。

2.选弹箱低温环境筛选

新生产一台选弹箱（不含控制板组件），搭载标准的控制板组件作为筛选工装供后续生产使用。以交付的数套选弹箱2#电池点火时序数据为样本，可以得出每组检测数据的均值和极差R，如图2所示。

分别收集常温、低温条件下数套产品点火时序数据，可得出每组数据的样本统计量△1和△2，如图3所示。

虽然数据有限，但可从图2、图3中看出两个重要特征：

（1）离散性

与其它产品一样，不论事前如何严格控制，反映产品质量的数据总是有波动的。

（2）规律性

常温情况下，2#热电池点火时序的数据虽有波动，但这种波动并非是杂乱无章的，数据都在某一范围内（-1.091s～-1.104s）波动，且普遍存在低温情况下的2#热电池点火时序比常温情况下大的趋势。

通过对图2进行分析，部分点火时序数据超出控制线。超出上控制线（UCL）的产品经过低温环境试验后，2#热电池点火时序会变化，沿着下控制线方向，向指标要求的基准值靠近，可不做控制。针对2#热电池点火时序超出下控制线（LCL）的产品，由于低温环境下其点火时序会继续远离下控制线，有超出指标要求（-1.110s）的可能，要重点加以控制。

四、结论

利用C8051F040单片机检测仪，依据单片机筛选技术要求，严格筛选符合使用要求的单片机，可有效确保选弹箱点火时序数据满足要求。对后续生产交付的数套选弹箱点火时序数据进行统计，板级、系统级点火时序数据合格率均可达99%以上。

五、几点启示

一是装备研制合同监管工作中，在有效控制成本的情况下，军事代表应督促设计师系统尽量采用外部晶振作为时钟激励，确保产品的稳定性和可靠性；

二是装备技术性能虽满足要求，但多组试验测试数据接近临界值情况时，军事代表应高度重视，及时查找分析原因，从源头上消除质量隐患。