一種無線起爆控制系統及時鐘同步方法與流程

2023-06-06 13:25:33 2

1.本發明涉及智能火控技術領域，特別涉及一種無線起爆控制系統及時鐘同步方法。


背景技術：

2.在火工品的應用場景中，由於有線網絡的穩定性和可靠性，常採用有線通信方式，但其網絡部署困難，且成本較高。目前無線通信技術發展較快，在無線起爆的技術方案中，最為關鍵的技術指標是其起爆時間的同步性。因此，針對無線起爆的時間同步進行研究具有重要意義。
3.目前，關於無線通信時鐘同步的技術方案有tpsn算法、rbs算法、dmts算法、ftsp算法以及gps授時等，但都有著各自的缺陷。tpsn算法是通過發送者和接收者的雙向通信來進行同步，能夠有效消除報文傳輸延遲的影響，但隨著網絡層級的增多，通信能耗開銷變大；rbs算法是通過接收者和接收者的通信來進行同步，常用於多跳網絡結構，不適用於單跳的星型網絡結構；dmts算法是發送者和接收者的單向同步，同步效果較差；ftsp算法是發送者和接收者的多次單向同步，能耗低，同步效果好，但僅適用於可靠通信環境下。gps授時能夠獲得較為精確的絕對時間，但增加了成本，集成度低。


技術實現要素：

4.針對現有技術中無線起爆時鐘同步效率較低的問題，本發明提出一種無線起爆控制系統及時鐘同步方法，通過無線通訊模式實現控制模塊和起爆模塊的時鐘同步，降低成本的同時提高時鐘同步效率。
5.為了實現上述目的，本發明提供以下技術方案：
6.一種無線起爆控制系統，包括上位機、控制模塊和n個並聯的起爆模塊，n≥1且為正整數；上位機通過控制模塊和n個起爆模塊分別無線連接，每個起爆模塊對應連接一個火工品。
7.優選地，所述上位機和控制模塊之間採用基於rs485-modbus的點對點通信；控制模塊和起爆模塊之間採用基於gfsk私有協議的星型網絡自組網通信。
8.優選地，所述上位機設置有：1個交流輸入口，用於供電和備用電池充電；1個指示燈，用於狀態顯示；2個usb接口，用於外圍設備連接和數據提取；1個rs485接口，用於連接控制模塊；1個解保使能開關，用於操作控制模塊解保；1個開關機按鈕。
9.優選地，所述控制模塊包括電源電路、rs485控制模塊、無線通信晶片和第一天線；無線通信晶片的第一輸入端通過rs485控制模塊與上位機的rs485接口連接；無線通信晶片的第二輸入端通過電源電路與5v外接電壓連接；無線通信晶片與上位機的解保使能開關物理連接。
10.優選地，所述起爆模塊，用於接收控制模塊的控制指令以執行相應的狀態檢測、升壓充電、點火；所述起爆模塊包括控制板和放電板，控制板和放電板之間採用銅排針連接，
銅排針起連接固定和信號連接的作用。
11.優選地，所述控制板上集成有電源、mcu、第二天線和升壓電路；放電板上集成儲能單元、放電開關、內阻採集電路、洩壓電路；
12.第二天線和mcu的第一輸入端雙向連接，mcu的輸出端與升壓電路的輸入端連接，升壓電路的輸出端與儲能單元的輸入端連接，儲能單元的輸出端與放電開關的輸入端連接，放電開關的輸出端與火工品連接；
13.內阻採集電路的輸入端與火工品連接，內阻採集電路的輸出端與mcu的第二輸入端連接；儲能單元的輸出端還與洩壓電路連接。
14.優選地，所述起爆模塊的狀態檢測包括安全、戰鬥和點火：
15.當起爆模塊收到安全指令時，升壓電路、放電開關斷開，儲能單元通過洩壓電路洩放電能，狀態切換至安全，並執行安全應答；當起爆模塊收到戰鬥指令時，儲能單元充電，設置點火延時時間，狀態切換至戰鬥，並執行戰鬥應答，等待點火指令，若點火指令等待時間大於30s則退出戰鬥回到安全狀態；當起爆模塊收到點火指令時，依據點火延時時間開始倒計時，計時時間到，則儲能單元充電關閉，完成點火操作，狀態切換至安全。
16.本發明還提供一種無線起爆控制系統的時鐘同步方法，包括廣播同步模式：
17.當起爆模塊處於安全狀態，控制模塊廣播發布2個時鐘同步幀t
a1
、t
a2
，起爆模塊收到同步幀t
b1
、t
b2
，起爆模塊根據公式(1)計算自身和控制模塊在廣播同步模式的鏈路延時t
偏移1
，控制模塊發送時鐘對齊幀t
a3
到起爆模塊，起爆模塊根據公式(2)調整自身時鐘自動與控制模塊時鐘對齊t
b3』；
[0018][0019]
t
b3』＝t
a3
+t
偏移1
ꢀꢀ
(2)
[0020]
公式(1)、(2)中，t
偏移1
表示起爆模塊與控制模塊在廣播同步模式的鏈路延時；t
a1
表示控制模塊廣播發布的第一時鐘同步幀；t
a2
表示控制模塊廣播發布的第二時鐘同步幀；t
b1
表示起爆模塊廣播接收的第一同步幀；t
b2
表示起爆模塊廣播接收的第二同步幀；t
b3』表示起爆模塊與控制模塊的時鐘對齊時刻；t
a3
表示控制模塊發送的時鐘對齊幀。
[0021]
優選地，還包括單獨同步模式：
[0022]
控制模塊在t
a4
時刻發送戰鬥指令，起爆模塊在t
b4
時刻收到戰鬥指令，首先判斷起爆模塊模塊與控制模塊的時鐘是否對齊，即是否滿足公式(3)；若是則起爆模塊在t
b5』時刻發送戰鬥應答，並進入戰鬥狀態，等待點火指令；若否則起爆模塊在t
b5』時刻發送同步應答，控制模塊在t
a5
時刻收到同步應答後，則在t
a6
時刻發送同步請求幀到起爆模塊，起爆模塊在t
b6
時刻接收到同步請求幀後，在t
b7
時刻反饋同步應答幀到控制模塊，控制模塊在t
b7
時刻接收到同步應答幀，根據公式(4)計算出在單獨同步模式的鏈路延時t
偏移2
，之後控制模塊在時刻t
a8
發送時鐘對齊幀到起爆模塊，起爆模塊收到時鐘對齊幀，根據公式(5)將自身時鐘與控制模塊時鐘對齊t
b8』；
[0023]
t
b4
＝t
a4
+t
偏移1
ꢀꢀ
(3)
[0024][0025]
t
b8』＝t
a8
+t
偏移2
ꢀꢀ
(5)
[0026]
公式(3)、(4)、(5)中，t
b4
表示起爆模塊收到戰鬥指令的時刻；t
a4
表示控制模塊發送戰鬥指令的時刻；t
偏移1
表示起爆模塊與控制模塊在廣播同步模式的鏈路延時；t
偏移2
表示起爆模塊與控制模塊在單獨同步模式的鏈路延時；t
a6
表示控制模塊發送同步請求幀的時刻；t
b6
表示起爆模塊接收同步請求幀的時刻；t
b7
表示起爆模塊反饋同步應答幀的時刻；t
a7
表示控制模塊接收同步應答幀的時刻；t
b8』表示起爆模塊與控制模塊的同步時刻；t
a8
表示控制模塊發送時鐘對齊幀的時刻。
[0027]
綜上所述，由於採用了上述技術方案，與現有技術相比，本發明至少具有以下有益效果：
[0028]
本系統採用無線通訊模式進行信號傳輸，降低了網絡部署的難度，節約了成本；同時控制模塊的體積較小，易方便攜帶；起爆模塊採用雙層結構，在集成各類模塊的同時減小了體積，降低成本；
[0029]
同時本發明採用廣播同步和單獨同步的模式將控制模塊和起爆模塊不同狀態的時鐘進行同步，能耗低，同步效率高。
附圖說明：
[0030]
圖1為根據本發明示例性實施例的一種無線起爆控制系統示意圖。
[0031]
圖2為根據本發明示例性實施例的控制模塊原理示意圖。
[0032]
圖3為根據本發明示例性實施例的起爆模塊原理示意圖。
[0033]
圖4為根據本發明示例性實施例的時鐘廣播同步模式示意圖。
[0034]
圖5為根據本發明示例性實施例的時鐘單獨同步模式示意圖。
具體實施方式
[0035]
下面結合實施例及具體實施方式對本發明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發明上述主題的範圍僅限於以下的實施例，凡基於本發明內容所實現的技術均屬於本發明的範圍。
[0036]
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0037]
如圖1所示，本發明提供一種無線起爆控制系統，包括上位機、控制模塊和n(n≥1，且為正整數)個並聯的起爆模塊；上位機通過控制模塊和n個起爆模塊分別無線連接，每個起爆模塊獨立連接一個火工品。上位機和控制模塊之間採用基於rs485-modbus的點對點通信；控制模塊和起爆模塊之間採用基於gfsk私有協議的星型網絡自組網通信方式。
[0038]
本實施例中，上位機具有人機互動功能，能與用戶進行互動。上位機還具備備用電源功能，滿足連續工作3h以上。
[0039]
本實施例中，上位機設置有1個交流輸入口，用於供電和備用電池充電；1個指示燈，用於狀態顯示；2個usb接口，用於外圍設備連接和數據提取；1個rs485接口，用於連接控制模塊；1個解保使能開關，用於操作控制模塊解保；1個開關機按鈕。
[0040]
本實施例中，控制模塊接收上位機供電和命令，轉發上位機控制命令，定時查詢起爆模塊以及自身狀態，並反饋給上位機。
[0041]
如圖2所示，控制模塊包括電源電路(現有)、rs485控制模塊、無線通信晶片和第一天線。無線通信晶片的第一輸入端通過rs485控制模塊與上位機的rs485接口連接；無線通信晶片的第二輸入端通過電源電路與5v外接電壓連接；無線通信晶片與上位機的解保使能開關物理連接。
[0042]
本實施例中，起爆模塊，用於接收控制模塊的控制指令以執行相應的狀態檢測(狀態包括安全、戰鬥和點火)、升壓充電、點火等操作，包括控制板和放電板，控制板和放電板之間採用銅排針連接，銅排針起連接固定和信號連接的作用；起爆模塊通過螺釘安裝在殼體上，最終整體尺寸為φ23mm
×
18.5mm。
[0043]
控制板上集成有電源、mcu、第二天線和升壓電路；放電板上集成儲能單元、放電開關、內阻採集電路、洩壓電路等。
[0044]
如圖3所示，第二天線和mcu的第一輸入端雙向連接，電源為各個模塊提供工作電壓，mcu的輸出端與升壓電路的輸入端連接，升壓電路的輸出端與儲能單元的輸入端連接，儲能單元的輸出端與放電開關的輸入端連接，放電開關的輸出端與火工品連接；同時內阻採集電路的輸入端與火工品連接以檢測內阻，內阻採集電路的輸出端與mcu的第二輸入端連接；儲能單元的輸出端還與洩壓電路連接，以釋放儲能單元存儲的電能。
[0045]
工作原理為：第二天線接收控制模塊發送的起爆指令並發送給mcu，mcu接收到起爆指令後，發送信號給升壓電路進行電壓升壓，放電開關(可採用mos管)導通(多餘電能存儲在儲能單元，可採用電容)，火工品得電。內阻採集電路用於實時採集火工品的內阻並發送到mcu，最終發送到上位機進行存儲和分析，實現內阻實時檢測。
[0046]
本實施例中，起爆模塊的狀態檢測包括安全、戰鬥和點火。
[0047]
當起爆模塊收到安全指令時，升壓電路、放電開關斷開，儲能單元通過洩壓電路洩放電能(例如在100ms內完成洩放)，狀態切換至安全，並執行安全應答。當起爆模塊收到戰鬥指令時，儲能單元充電，設置點火延時時間(例如500ms)，狀態切換至戰鬥，並執行戰鬥應答；等待點火指令，若點火指令等待時間大於30s則退出戰鬥回到安全狀態。當起爆模塊收到點火指令時，依據點火延時時間開始倒計時，計時時間(例如65530ms)到，則儲能單元充電關閉，完成點火操作，狀態切換至安全。
[0048]
在無線起爆控制系統中，起爆模塊之間的點火同步性是關鍵指標之一，本發明結合tpsn和ftsp算法的優缺點，提出了一種無線起爆控制系統的時鐘同步方法，包括以下步驟：
[0049]
如圖4所示，為廣播同步模式：將起爆模塊處於安全狀態，控制模塊廣播發布2個時鐘同步幀t
a1
、t
a2
，起爆模塊收到同步幀t
b1
、t
b2
，起爆模塊根據公式(1)計算自身和控制模塊在廣播同步模式的鏈路延時t
偏移1
，控制模塊發送時鐘對齊幀t
a3
到起爆模塊，起爆模塊根據公式(2)調整自身時鐘自動與控制模塊時鐘對齊t
b3』。
[0050][0051]
t
b3』＝t
a3
+t
偏移1
ꢀꢀ
(2)
[0052]
公式(1)、(2)中，t
偏移1
表示起爆模塊與控制模塊在廣播同步模式的鏈路延時；t
a1
表
示控制模塊廣播發布的第一時鐘同步幀；t
a2
表示控制模塊廣播發布的第二時鐘同步幀；t
b1
表示起爆模塊廣播接收的第一同步幀；t
b2
表示起爆模塊廣播接收的第二同步幀；t
b3』表示起爆模塊與控制模塊的時鐘對齊時刻；t
a3
表示控制模塊發送的時鐘對齊幀。
[0053]
如圖5所示，單獨同步模式：控制模塊在發送戰鬥指令時，首先檢查控制模塊和起爆模塊的時鐘是否同步；若兩者時鐘同步，起爆模塊進入戰鬥狀態並等待點火指令；否則起爆模塊不進入戰鬥狀態，等待時鐘同步後再進入戰鬥狀態，控制模塊通過單獨同步方式，使得起爆模塊時鐘與自身對齊。
[0054]
控制模塊在t
a4
時刻發送戰鬥指令，起爆模塊在t
b4
時刻收到戰鬥指令，首先判斷起爆模塊模塊與控制模塊的時鐘是否對齊，即是否滿足公式(3)；若是則起爆模塊在t
b5』時刻發送戰鬥應答，並進入戰鬥狀態，等待點火指令；若否則起爆模塊在t
b5』時刻發送同步應答，控制模塊在t
a5
時刻收到同步應答後，則在t
a6
時刻發送同步請求幀到起爆模塊，起爆模塊在t
b6
時刻接收到同步請求幀後，在t
b7
時刻反饋同步應答幀到控制模塊，控制模塊在t
b7
時刻接收到同步應答幀，根據公式(4)計算出在單獨同步模式的鏈路延時t
偏移2
，之後控制模塊在時刻t
a8
發送時鐘對齊幀到起爆模塊，起爆模塊收到時鐘對齊幀，根據公式(5)將自身時鐘與控制模塊時鐘對齊t
b8』。
[0055]
t
b4
＝t
a4
+t
偏移1
ꢀꢀ
(3)
[0056][0057]
t
b8』＝t
a8
+t
偏移2
ꢀꢀ
(5)
[0058]
公式(3)、(4)、(5)中，t
b4
表示起爆模塊收到戰鬥指令的時刻；t
a4
表示控制模塊發送戰鬥指令的時刻；t
偏移1
表示起爆模塊與控制模塊在廣播同步模式的鏈路延時；t
偏移2
表示起爆模塊與控制模塊在單獨同步模式的鏈路延時；t
a6
表示控制模塊發送同步請求幀的時刻；t
b6
表示起爆模塊接收同步請求幀的時刻；t
b7
表示起爆模塊反饋同步應答幀的時刻；t
a7
表示控制模塊接收同步應答幀的時刻；t
b8』表示起爆模塊與控制模塊的同步時刻；t
a8
表示控制模塊發送時鐘對齊幀的時刻。
[0059]
本領域的普通技術人員可以理解，上述各實施方式是實現本發明的具體實施例，而在實際應用中，可以在形式上和細節上對其作各種改變，而不偏離本發明的精神和範圍。