彈丸轉(zhuǎn)速-炮口速度無線彈載測試系統(tǒng)設(shè)計

岳 晗，裴東興，張 瑜，馬鐵華

（1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室，山西太原 030051）

彈丸轉(zhuǎn)速-炮口速度無線彈載測試系統(tǒng)設(shè)計

岳 晗1，2，裴東興1，2，張 瑜1，2，馬鐵華1，2

（1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學電子測試技術(shù)重點實驗室，山西太原 030051）

針對現(xiàn)有存儲測試系統(tǒng)的通信方式存在通信設(shè)備位置固定、操作不便和數(shù)據(jù)傳輸可靠性差的問題，設(shè)計了彈丸轉(zhuǎn)速-炮口速度無線彈載測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以CC430作為主控芯片，將單片機與無線射頻模塊集成于一體，提高了系統(tǒng)的集成度，選擇天線并設(shè)計天線匹配電路以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)功能。利用地磁線圈切割磁感線產(chǎn)生感應電動勢來計算彈丸轉(zhuǎn)速，并依據(jù)轉(zhuǎn)速、纏度可求出彈丸在炮口的初速。經(jīng)實彈測試驗證，該系統(tǒng)在433MHz頻段工作，通信速率可達250kbps，在200m以內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)完整的數(shù)據(jù)收發(fā)，能夠準確測量彈丸的轉(zhuǎn)速及炮口速度，其炮口速度測量誤差在±1.2%以內(nèi)。

存儲測試；CC430；無線射頻；轉(zhuǎn)速；炮口速度

彈丸的轉(zhuǎn)速和炮口速度是影響火炮威力及射擊精度的重要參量，炮口速度是決定外彈道三個基本參數(shù)（彈道系數(shù)、射角和初速）之一。現(xiàn)有的炮口初速測量方法有紅外遙測法和雷達測速法等，它們都屬于外測法，受外界因素影響大、測試難度大。針對彈載測試的特殊性，設(shè)計了基于CC430的彈載測試系統(tǒng)，其具有誤差不隨時間積累、測試精度高、數(shù)據(jù)傳輸準確和方便等優(yōu)點。

其測試裝置置于彈丸內(nèi)部，能夠測量彈丸的轉(zhuǎn)速及炮口速度，并將測量數(shù)據(jù)通過無線射頻方便準確地上傳至計算機。

1 彈載測試裝置設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

基于CC430的無線彈載測試系統(tǒng)主要由薄膜線圈式地磁傳感器、信號調(diào)理電路和CC430單片機組成。測試系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

1.2 硬件電路

設(shè)計采用自制的薄膜線圈式地磁傳感器，利用先進的薄膜加工工藝，設(shè)計制造成柔性的多層薄膜線圈。該傳感器可靈活地粘貼于測試裝置的表面，極大地提高了傳感器的靈活性、可靠性和安裝適應性［］。

測試中采用CC430F6137作為主控芯片，運用其內(nèi)部自帶的12bit的AD轉(zhuǎn)換器，將從傳感器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。CC430的最大特點就是集成了RF1A無線射頻模塊，極大地方便了數(shù)據(jù)的傳輸［2-4］。對無線模塊的天線電路進行相關(guān)的無線匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計（平衡轉(zhuǎn)換和阻抗匹配）即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。設(shè)計中采用433MHz頻段。選用SMA接頭的全向天線，天線阻抗為50 Ω，只要設(shè)計相應的天線匹配電路［5］，即可實現(xiàn)無線收發(fā)功能。運用軟件AppCAD對到SMA天線座之間的微帶線進行了線寬和銅厚設(shè)計［6］，其線寬為1.81mm，銅厚為0.035mm，經(jīng)過調(diào)試，其通信速率可達250kbps，在200m以內(nèi)可以準確地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能。從而精確、方便地實現(xiàn)了測試系統(tǒng)與上位機間的數(shù)據(jù)傳輸。

2 轉(zhuǎn)速測量原理

筆者采用薄膜線圈式地磁傳感器直接測量彈丸轉(zhuǎn)速。利用薄膜線圈式地磁傳感器在子彈拋撒時，切割地磁場磁力線，由于子彈在空中做翻轉(zhuǎn)運動，使得通過薄膜式地磁傳感器的磁通量發(fā)生變化，根據(jù)電磁感應定律可得到隨磁通量變化的感應電動勢。測試裝置在彈上的安裝方式如圖2所示。一個N匝線圈的閉合電路，切割地磁場產(chǎn)生感應電動勢為［7-8］

式中：E為線圈中產(chǎn)生的感應電動勢；Φ為線圈磁通量（單匝）；t為時間；N為線圈匝數(shù)；B為當?shù)氐卮艌隹偞鸥袘獜姸?；B為總磁感應強度矢量；S為線圈面積；S為面積矢量；θ為線圈旋轉(zhuǎn)角；為線圈轉(zhuǎn)動的角速度ω。

由上述推導可知，當彈丸高速自旋時，線圈輸出感應電動勢信號E為周期性的正弦信號，正弦信號的頻率代表地磁線圈傳感器的轉(zhuǎn)動頻率。

3 炮口速度測量原理

通過彈丸角速度ω的測量可以計算出彈丸出炮口時的速度值，利用下式計算。

式中：v0為彈丸出炮口時的速度值；ηg為火炮膛線纏度；ω0為彈丸出炮口時的轉(zhuǎn)動角速度；D為彈丸直徑；rg為膛線的纏角。

分析上式可知，只要測量出彈丸的角速度即可求出彈丸出炮口時的速度。對于確定的火炮，其膛線纏度及口徑都是確定的。

4 無線射頻通信設(shè)計及應用

設(shè)計中采用點對點的通信方式，即兩個子系統(tǒng)通信獨享一條線路［9］。該無線通信系統(tǒng)由發(fā)射板（置于被測現(xiàn)場）和接收板組成，二者間采用中斷來進行發(fā)射和接收，用LED閃爍表示響應，其通信協(xié)議如圖3所示，圖3（a）為射頻發(fā)射流程，圖3（b）為射頻接收流程。

上述圖3通信協(xié)議在IAR軟件中調(diào)試，以驗證其正確性。運用SmartRF Studio軟件對CC430的RF寄存器的值進行配置，可對RF參數(shù)進行仿真。目前國內(nèi)使用較多的免費頻段有433MHz和315MHz，由于315MHz使用較多，易受干擾，因此設(shè)計中采用433MHz。只需配置頻率、調(diào)制方式、功率和晶振頻率這幾項，其他采用默認配置，配置完成后生成.h的文件即可植入程序中使用。

按照上述的寄存器配置及收發(fā)流程，在IAR軟件中對電路進行調(diào)試，經(jīng)調(diào)試在433MHz頻段，數(shù)據(jù)傳輸率為250kbps時，可以準確地實現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)。驗證性試驗如下所述：設(shè)置發(fā)送60字節(jié)的數(shù)據(jù)，發(fā)送內(nèi)容為00H～3BH，即發(fā)送緩存TxBuffer中的數(shù)據(jù)為00H～3BH。接收到的數(shù)據(jù)存至接收緩存RxBuffer中，從調(diào)試界面中得到的數(shù)據(jù)也為00H～3BH，與發(fā)送的數(shù)據(jù)一致，同時在其末尾附加兩個狀態(tài)字節(jié)，這些狀態(tài)字節(jié)包含了接收信號強度值、鏈路質(zhì)量指示值以及CRC校驗值，說明該無線射頻模塊能夠?qū)崿F(xiàn)準確的數(shù)據(jù)收發(fā)功能。

5 實彈應用及分析

對155殺爆彈進行實彈測試，利用射頻傳輸測得的數(shù)據(jù)得到彈丸在0～1s內(nèi)感應電動勢隨時間變化的曲線，如圖4所示。

為看清楚信號的變化情況，給出了彈丸在0～100ms內(nèi)感應電動勢隨時間變化的曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，彈丸出炮口是在 時間為20 ms時，計算出此時彈丸的角速度后依據(jù)式（2）可以求出彈丸出炮口時的速度。

依據(jù)圖5計算得到彈丸在炮口的轉(zhuǎn)速為18 077r／min，膛線的纏角與彈丸直徑D為確定值，根據(jù)式（2）計算得到彈丸炮口初速v0為919.3 m／s。為驗證該方案的可行性，在實彈測試的同時運用雷達直接測速法測量的彈丸炮口速度為930.2 m／s，可以算出其誤差為1.1%。經(jīng)過多次試驗驗證，其速度誤差值在±1.2%以內(nèi)，滿足測量要求。

6 結(jié) 論

筆者設(shè)計了一種基于CC430的無線彈載測試系統(tǒng)，該測試系統(tǒng)克服了全彈道測試難度大、煙霧區(qū)數(shù)據(jù)難以獲取的困難，運用CC430上自帶的無線射頻模塊實現(xiàn)測試系統(tǒng)與上位機之間的通信，能夠準確測量彈丸的轉(zhuǎn)速及炮口速度。經(jīng)過實彈測試驗證，該測試系統(tǒng)可以準確完整地傳輸數(shù)據(jù)，極大地提高了操作系統(tǒng)的便捷性。

（References）

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Wireless Missile-borne Test System Design Based on Projectile Rotating Speed-muzzle Velocity

YUE Han1，2，PEI Dong-xing1，2，ZHANG Yu1，2，MA Tie-hua1，2
（1.Ministry of Education Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China；2.National Key Laboratory of Eletronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

As regards the problems of stationary position of communication equipment，inconvenient operation and inferior reliability of data transmission existed in the communication ways of current storage test system，wireless missile-borne testing system based on projectile rotating speed-muzzle velocity was designed.The system made use of CC430as the main control chip，integrated the MCU and RF module into one chip，and thus improved the system integration degree.The antenna was chosen and the antenna matching circuit was designed so as to acquire the functions of wirelessly receiving and transmitting data.Projectile rotating speed was calculated by use of the geomagnetic coil cutting magnetic line to generate inductive electromotive force，and the projective muzzle velocity was calculated based on data of rotating speed and twist.The live ammunition test demonstrated that this system can operate at 433MHz and the communication rate can reach 250kbps，the system can achieve complete data reception and transmission within 200meters and the measuring results of projectile rotating speed and muzzle velocity are accurate，the measurement error of muzzle velocity in the system is within±1.2%.

storage test；CC430；radio frequency；rotating speed；muzzle velocity

TJ760.6

A

1673-6524（2014）01-0071-04

2013-05-08；

2013-09-02

岳晗（1988-），女，碩士研究生，主要從事動態(tài)測試與智能儀器研究。E-mail：18734137263＠163.com