槍彈供輸彈機(jī)構(gòu)加速度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

袁月華，裴東興，張 瑜

（中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

轉(zhuǎn)管武器的供彈方式有彈鏈供彈和無鏈供彈兩種方式，其供輸彈過程是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。在此過程中槍彈運(yùn)動(dòng)的軌跡是一條變化的三維空間曲線。轉(zhuǎn)管武器在射擊過程中，若是供彈過程中出現(xiàn)故障，就有可能導(dǎo)致供彈的不及時(shí)，降低武器的工作可靠性。可見，測(cè)試轉(zhuǎn)管武器在不同射速下供輸彈過程中槍彈的加速度變化規(guī)律，能夠?yàn)楣椬枇氐姆治?、彈路線及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以考核彈鏈抱彈可靠性以及改進(jìn)彈鏈結(jié)構(gòu)等。因此，準(zhǔn)確測(cè)量轉(zhuǎn)管武器供輸彈過程中槍彈的空間運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)高射速武器的研制有著重要的意義［1］。在測(cè)試沖擊加速度時(shí)，常用的是引線電測(cè)法，但這種方法操作不便，應(yīng)用受到限制。本文研究的加速度測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、無引出線，被安裝在槍彈內(nèi)，隨槍彈一起運(yùn)動(dòng)，使用方便、測(cè)試精度高并可重復(fù)使用等特點(diǎn)，是一種理想的加速度測(cè)試儀器。

1 測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，測(cè)試系統(tǒng)由信號(hào)采集傳感器模塊、適配放大電路模塊和單片機(jī)以及串行接口組成。

該系統(tǒng)采用高集成度的MSP430單片機(jī)，內(nèi)部集成了豐富的功能模塊資源。測(cè)量加速度信號(hào)選用某公司的M100QX型壓阻式傳感器，當(dāng)加速度作用在壓阻式加速度傳感器上，使得傳感器內(nèi)部電橋失去平衡，產(chǎn)生電壓差輸出差動(dòng)電壓信號(hào)，信號(hào)經(jīng)適配電路進(jìn)行濾波放大和調(diào)理。該系統(tǒng)采用霍爾開關(guān)外觸發(fā)方式，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)來到，系統(tǒng)開始循環(huán)采樣，把數(shù)據(jù)送至單片機(jī)內(nèi)部A／D轉(zhuǎn)換器，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，然后直接把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到flash存儲(chǔ)器中。當(dāng)數(shù)據(jù)存滿，單片機(jī)關(guān)閉A／D轉(zhuǎn)換器和模擬電路電源，系統(tǒng)進(jìn)入省電模式，完成了一次完整的測(cè)試過程。當(dāng)電路回收后，可通過讀數(shù)口將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)通過紅外無接觸式讀數(shù)讀至計(jì)算機(jī)，以便后處理。

狀態(tài)設(shè)計(jì)是根據(jù)被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律確定存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)狀態(tài)組織結(jié)構(gòu)的過程，是實(shí)現(xiàn)功能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一環(huán)，是硬件設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是建立存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的有效手段。狀態(tài)設(shè)計(jì)可以使設(shè)計(jì)思想清晰地貫穿于設(shè)計(jì)和調(diào)試的始終，可以不同程度地簡(jiǎn)化原本復(fù)雜的設(shè)計(jì)過程［2］。該系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖2所示。

系統(tǒng)接通電源后，單片機(jī)處于知更狀態(tài)，等待觸發(fā)信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)處于超低功耗狀態(tài)。當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來后，系統(tǒng)開始循環(huán)采樣，采樣完畢，存儲(chǔ)器計(jì)滿數(shù)據(jù)后，就停止采樣進(jìn)入低功耗的等待讀數(shù)狀態(tài)。插上讀數(shù)口時(shí)，開始初始化串口，使能接受和發(fā)送，開始讀數(shù)。讀完數(shù)之后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式4等待下一次的讀數(shù)。

1.2 系統(tǒng)的采樣策略

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)微型化和低功耗的要求，選擇了TI公司的MSP430單片機(jī)，該單片機(jī)單片最高采樣頻率為64kHz，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的采樣頻率要求為120 kHz，一片單片機(jī)達(dá)不到要求的采樣頻率，故采用兩片單片機(jī)采樣。由主片TA產(chǎn)生的脈寬調(diào)制方波信號(hào)控制主從兩片單片機(jī)交叉采樣，如圖3所示。采用序列通道單次轉(zhuǎn)換模式，在上升沿，主片3個(gè)通道同時(shí)采樣，在下降沿，從片3個(gè)通道同時(shí)采樣。

該系統(tǒng)中主、從單片機(jī)的采樣頻率設(shè)為60 kHz，即主從兩片采樣間隔時(shí)間約為16.6μs，兩片單片機(jī)總的采樣頻率為120kHz，滿足了設(shè)計(jì)的采樣頻率要求。這兩片單片機(jī)分別對(duì)信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立的采集和存儲(chǔ)，但是兩片的采樣又是相互交叉的，有一定的次序，因此，兩個(gè)單片機(jī)之間的時(shí)序必須配合有序，才能得到正確的結(jié)果。除了電源、地等這些連線外，兩者之間還需要一些握手信號(hào)來協(xié)調(diào)工作。圖4為兩片之間的握手信號(hào)。

圖4中各符號(hào)意義如下：

1）Onl：接通電源后，主單片機(jī)給從單片機(jī)發(fā)的上電信號(hào)，從而使從片完成其內(nèi)部FLASH擦除、時(shí)鐘的初始化等工作，為信息的采集存儲(chǔ)做準(zhǔn)備。

2）FW：此標(biāo)志具有雙重功能，當(dāng)其判斷是觸發(fā)信號(hào)到來時(shí)，主片發(fā)給從片發(fā)觸發(fā)標(biāo)志，從片檢測(cè)到此標(biāo)志時(shí)，就開始將采集的數(shù)據(jù)往Flash單元中存儲(chǔ)。

3）PWM：此信號(hào)是主單片機(jī)產(chǎn)生的方波采樣信號(hào)，主片在其上升沿采樣，從片在其下降沿采樣；當(dāng)采樣存儲(chǔ)完畢后，由主片取消此信號(hào)的輸出。

4）CKCSH：主單片機(jī)和從單片機(jī)的此信號(hào)都連接在系統(tǒng)的初始化端口上，此信號(hào)的下降沿可以使系統(tǒng)進(jìn)入待讀數(shù)狀態(tài)或者待編程態(tài)，等待上位機(jī)發(fā)送讀數(shù)或者編程命令，進(jìn)而完成對(duì)系統(tǒng)的操作。

5）RO1：系統(tǒng)采集存儲(chǔ)完畢后，需要將數(shù)據(jù)讀出，先將主片的數(shù)據(jù)依次讀出，讀完后，主片向從片發(fā)出此RO1信號(hào)，而后主片停止發(fā)數(shù)，從片檢測(cè)到此信號(hào)后，立即向外發(fā)送數(shù)據(jù)。

6）RO2：讀數(shù)完畢后，為使系統(tǒng)能夠可重復(fù)讀數(shù)，在從片將數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，需將系統(tǒng)恢復(fù)為待讀數(shù)態(tài)，即在從片將數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，從片先恢復(fù)為待讀數(shù)態(tài)，然后從片發(fā)此RO2信號(hào)給主片，從而使主片恢復(fù)為待讀數(shù)態(tài)。

2 系統(tǒng)微型化設(shè)計(jì)

2.1 電路模塊微型化

該系統(tǒng)測(cè)試實(shí)現(xiàn)微型化的關(guān)鍵技術(shù)有：

1）優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在滿足測(cè)試要求、保證功能和可靠工作的前提下，減少冗余器件，選用多功能芯片，一件多用，使系統(tǒng)元件減少。

2）選用了高集成、微功耗的MSP430單片機(jī)作控制。

3）采用微小體積BGA封裝的芯片。

4）采用多層布線技術(shù)制版。

TI公司的高集成度的MSP430系列單片機(jī)，具有超低功耗的特點(diǎn)，電源電壓采用1.8～3.6V低電壓，活動(dòng)耗電250μA／MIPS，根據(jù)不同的功能模塊可以采用不同的工作模式，通過合理的編程即可以降低系統(tǒng)功耗。不同的MSP430系列單片機(jī)的不同型號(hào)針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域，集成了豐富的外圍模塊，包括：看門狗、模擬比較器A、定時(shí)器A、定時(shí)器B、串口 0、1、8 路 10／12／14位 ADC、12位的DAC、6個(gè)端口和基本定時(shí)器等［3］。還具有系統(tǒng)工作穩(wěn)定，開發(fā)環(huán)境便捷等特點(diǎn)。因此可見，MSP430系列單片機(jī)本身就是一個(gè)內(nèi)嵌MCU的高性能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

2.2 電池微型化

由于加速度測(cè)試系統(tǒng)是獨(dú)立的放置在被測(cè)裝置內(nèi)，不能依靠外部電源供電，故在測(cè)試系統(tǒng)中，采用了精選的能夠滿足系統(tǒng)抗沖擊要求的小體積可充電的聚合物鋰離子電池。為了減小系統(tǒng)的功耗，可以給系統(tǒng)提供較小的電壓，但是這樣又會(huì)減小系統(tǒng)的持續(xù)工作時(shí)間。應(yīng)用電源管理芯片，給單片機(jī)提供3.3V［4］固定的電壓供給測(cè)試系統(tǒng)，這樣既滿足了單片機(jī)正常工作的要求，又可以減小功耗。

2.3 結(jié)構(gòu)微型化

加速度測(cè)試儀主要由殼體、加速度傳感器、電路模塊（含電池）以及霍爾開關(guān)組成。殼體用來保護(hù)傳感器及電路模塊不受損壞?；魻栭_關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度測(cè)試儀的觸發(fā)控制。微型化是測(cè)試系統(tǒng)的最大特點(diǎn)。該加速度測(cè)試儀要滿足口徑為14.5 mm及以上口徑的各種轉(zhuǎn)管武器的可靠性試驗(yàn)要求，測(cè)試儀被放在槍彈內(nèi)，因此，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的電路模塊及電源被封裝在直徑17mm，長度為50mm的圓柱筒內(nèi)。加速度測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)如圖5所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)信號(hào)由信號(hào)發(fā)生器給出頻率為1 kHz的正弦波，直接接到AD的一個(gè)通道上，經(jīng)實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)完全實(shí)現(xiàn)觸發(fā)和采樣過程。圖6是通過實(shí)驗(yàn)得到的單通道測(cè)試波形圖，得到的輸出與所給的輸入信號(hào)完全一致，充分說明此方案是可行的。

另外將加速度測(cè)試儀連上傳感器，外界給了一個(gè)加速度，通過測(cè)試儀的測(cè)試，采集到了加速度信號(hào)，如圖7所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)完全能夠正常工作。配置好一個(gè)接收模塊，通過操作PC機(jī)上的軟件界面即可實(shí)現(xiàn)對(duì)采集點(diǎn)的控制和保存采集到的數(shù)據(jù)，便于進(jìn)一步的處理。

4 結(jié) 論

該系統(tǒng)充分利用了MSP430系列單片機(jī)內(nèi)部資源，簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確率高、調(diào)試方便、配置靈活、成本低和使用方便等優(yōu)點(diǎn)。加速度測(cè)試系統(tǒng)體積較小，實(shí)現(xiàn)了微型化。通過對(duì)槍彈空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)參數(shù)、不同射速下機(jī)心加速度的測(cè)試，為高射速武器的研制提供了重要依據(jù)。

（References）

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