基于多傳感器的機(jī)載導(dǎo)彈環(huán)境應(yīng)力監(jiān)測裝置

段鵬程，王學(xué)奇，霍建成，楊 召，姚 鵬

(1.空軍工程大學(xué)航空航天工程學(xué)院，陜西西安710038;2.空軍95920部隊(duì)，河北 衡水053000)

0 引言

機(jī)載導(dǎo)彈是航空兵戰(zhàn)斗力的直接體現(xiàn)，是一種造價(jià)昂貴、長期存儲、一次使用的產(chǎn)品。實(shí)現(xiàn)全壽命周期的質(zhì)量控制與管理對于確保其作戰(zhàn)效能的發(fā)揮具有重要意義。

導(dǎo)彈所處環(huán)境嚴(yán)重影響導(dǎo)彈壽命和性能。其中，溫度和濕度是最主要的兩個(gè)環(huán)境影響因子［1］，震動或碰撞也可能會造成硬件損傷或器件損壞，上述三種原因可能導(dǎo)致導(dǎo)彈故障，降低其使用壽命。而目前貯存過程中環(huán)境對導(dǎo)彈的壽命影響還主要依靠對庫房進(jìn)行人工測試和人工經(jīng)驗(yàn)判斷［2］。而對庫房進(jìn)行人工測試所得數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，耗時(shí)長且工作量較大［3］，難以最直接反映導(dǎo)彈存儲箱內(nèi)環(huán)境情況。

為更加精確地實(shí)現(xiàn)機(jī)載導(dǎo)彈數(shù)據(jù)分析和性能評價(jià)，需要一種全程跟隨導(dǎo)彈貯存過程的環(huán)境應(yīng)力監(jiān)測裝置，從而有效記錄導(dǎo)彈存儲壽命全周期的環(huán)境應(yīng)力。本文針對導(dǎo)彈存儲周期長的特點(diǎn)，以高集成度傳感器模塊為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一種機(jī)載導(dǎo)彈環(huán)境應(yīng)力監(jiān)測裝置。該裝置可長期監(jiān)測導(dǎo)彈所處的環(huán)境應(yīng)力，為綜合評價(jià)導(dǎo)彈狀態(tài)提供多維、詳實(shí)的外界環(huán)境應(yīng)力數(shù)據(jù)。

1 需求分析與總體設(shè)計(jì)

1.1 需求分析

硬件設(shè)計(jì)過程中要圍繞以下需求進(jìn)行器件選型與結(jié)構(gòu)定位:

1)降低系統(tǒng)復(fù)雜度，提升可靠性;

2)關(guān)鍵器件采用模塊化設(shè)計(jì)，提升維修的便捷性;

3)考慮系統(tǒng)功耗與電源模塊的容量，保證裝置在導(dǎo)彈存儲周期內(nèi)正常長期工作;

4)存儲系統(tǒng)與計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的便利性。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作流程

系統(tǒng)主要由傳感器系統(tǒng)、ARM微處理器系統(tǒng)、存儲系統(tǒng)、電源系統(tǒng)以及功能鍵組成。其中，傳感器系統(tǒng)分為溫度、濕度以及加速度三個(gè)部分，存儲系統(tǒng)包含外接 SPI FLASH卡和外接SD卡，電源系統(tǒng)包括鋰電池和電量監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

傳感器模塊將外部環(huán)境應(yīng)力轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號進(jìn)行輸出;ARM微處理器系統(tǒng)提供DMA通道以方便傳感器與存儲單元的信息傳遞;存儲系統(tǒng)接收信號并進(jìn)行存儲;電源系統(tǒng)采用多蓄電池并聯(lián)方式保證其對整體系統(tǒng)的長時(shí)間供電。

加入電源電量監(jiān)控單元，當(dāng)電池剩余電量大于20%時(shí)傳感器模塊正常工作，當(dāng)電池剩余電量小于等于20%，則通過模擬開關(guān)控制溫度和濕度傳感器間歇性進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并改變定時(shí)器使ARM讀取時(shí)間間隔加長，從而進(jìn)一步降低系統(tǒng)耗電量，保證下一次充電前導(dǎo)彈狀態(tài)監(jiān)測不中斷。具體流程如圖2所示。

圖2 裝置工作流程圖Fig 2 Working flowchart of device

2 硬件設(shè)計(jì)

裝置采用環(huán)帶結(jié)構(gòu)，扣于彈體上跟隨導(dǎo)彈存儲全周期，如圖3所示。加速度傳感器固定在與彈簧連接的壓塊1上，達(dá)到緊貼導(dǎo)彈的目的。溫度、濕度傳感器處于絕熱層所包圍的槽2，3內(nèi)，充分接觸導(dǎo)彈存儲環(huán)境，且減少裝置自身影響。4為主要電路板，含有ARM芯片、外置SPI FLASH、外置SD卡以及功能按鍵，固定于可開的裝置底板上，方便更換相關(guān)器件和讀取數(shù)據(jù)。裝置殼體內(nèi)層添加絕熱層用以減少裝置本身對導(dǎo)彈的影響。各器件電路連接如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)主要電路Fig 4 Main circuit of system

2.1 傳感器模塊

本文選用的傳感器模塊均為高集成度器件，省去了外部濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)。使用過程中遇到裝置故障，只需要更換相應(yīng)功能的傳感器模塊，簡化了裝置的檢測與維修過程。

2.1.1 溫度傳感器

溫度傳感器采用窄體SOCI封裝高精度ADT7310溫度傳感器。其片上溫度傳感器采集溫度并轉(zhuǎn)換為與絕對溫度呈正比的電壓，然后將其與內(nèi)部基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較并輸入到數(shù)字調(diào)制器［4］進(jìn)行數(shù)字化，最終結(jié)果通過SPI兼容接口輸出。在滿足高精度且能自動校準(zhǔn)的同時(shí)工作電流僅需要210μA。

2.1.2 濕度傳感器

濕度傳感器采用插針型封裝的SHT71，整個(gè)芯片包括校準(zhǔn)的傳感器和14位A/D轉(zhuǎn)換器，此外還具有一個(gè)I2C總線串行接口電路，輸出完全標(biāo)定的數(shù)字信號，傳感器可以完全互換。另外，該傳感器模塊在滿足濕度全范圍測量精度為±3.0%RH的情況下功耗僅為30μW，在鋰電池供電的情況下可長時(shí)間工作。

2.1.3 加速度傳感器

BMA250為Bosch公司推出的高集成度三軸加速度傳感器模塊，加速度使器件內(nèi)部介質(zhì)發(fā)生變形以產(chǎn)生相應(yīng)電壓，然后將電壓經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換等內(nèi)部電路后以數(shù)字量的形式輸出，該芯片集成I2C總線串行接口，量程可選±2，±4，±8，±16 gn，精度較高且性能穩(wěn)定，滿足導(dǎo)彈貯存過程中的震動和碰撞測量范圍，工作電流小于139μA。

2.2 ARM處理器與存儲系統(tǒng)

本系統(tǒng)選用STM32F101型ARM芯片，支持DMA數(shù)據(jù)傳輸方式，在數(shù)據(jù)傳輸過程中不需要CPU工作，對于系統(tǒng)降低功耗具有極大幫助。此外，ARM芯片對數(shù)據(jù)進(jìn)行一些簡單運(yùn)算，壓縮數(shù)據(jù)總量以便于存儲。

傳感器模塊輸出數(shù)據(jù)通過ARM芯片的DMA存入外接AT45DB041B型SPI FLASH中等待求解平均值［5］，在此過程中CPU處于低功耗狀態(tài)。每過一段時(shí)間通過內(nèi)置定時(shí)器喚醒一次CPU讀取外接FLASH數(shù)據(jù)并求平均值，然后將平均值通過SPI方式［6］存入外接16GB容量的SD卡，同時(shí)清除外接FLASH開始下一輪數(shù)據(jù)采集與存儲。

2.3 電源系統(tǒng)

考慮到導(dǎo)彈貯存特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用鋰電池通過電壓轉(zhuǎn)換電路為系統(tǒng)供電。在鋰電池與電壓轉(zhuǎn)換電路之間加入功能鍵作為開關(guān)。通過計(jì)算，系統(tǒng)整體工作一天的消耗為mAh量級，采用12BQ483—02型鋰電池(輸出11.1 V，容量10 Ah)理論上可支撐系統(tǒng)正常工作110天以上，因此，裝置并聯(lián)兩塊該型鋰電池，通過電壓轉(zhuǎn)換電路給各個(gè)子系統(tǒng)供電。

此外，為防止電源在導(dǎo)彈存儲過程中電量不足導(dǎo)致監(jiān)測周期不完整。系統(tǒng)加入電源監(jiān)控模塊，器件DS2780通過單總線與ARM芯片連接，如圖5所示。當(dāng)電源監(jiān)測模塊獲知電池剩余電量不足20%時(shí)輸出有效信號給ARM，觸發(fā)器CD4011保持高電平輸出，模擬開關(guān)CH440斷開，傳感器供電中斷，停止工作。周期性開關(guān)模擬開關(guān)，以降低系統(tǒng)整體耗能。

圖5 電源監(jiān)控電路圖Fig 5 Circuit of power monitoring

3 實(shí)驗(yàn)

裝置在某型空空導(dǎo)彈上進(jìn)行了為期1個(gè)月的跟蹤測試，同一導(dǎo)彈包裝箱內(nèi)放置溫度與濕度監(jiān)測儀，外接計(jì)算機(jī)進(jìn)行記錄，將1個(gè)月(5月)的記錄與本監(jiān)測裝置SD卡內(nèi)所記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 氣溫監(jiān)測結(jié)果Fig 6 Air temperature monitoring results

圖7 濕度監(jiān)測結(jié)果Fig 7 Humidity monitoring results

由圖6、圖7可知，溫度監(jiān)測結(jié)果誤差較小，濕度監(jiān)測結(jié)果雖然存在一定誤差，但在可接受范圍內(nèi)，由濕度傳感器自身誤差導(dǎo)致。

由于本裝置所跟蹤導(dǎo)彈長期處于靜態(tài)存儲狀態(tài)，為測試裝置可靠性，在存儲過程中進(jìn)行了2次搬運(yùn)，加速度測試結(jié)果如表1所示。

表1 加速度監(jiān)測結(jié)果Tab 1 Acceleration monitoring results

表1中，5月6日第14時(shí)27分和5月15日15時(shí)34分分別為抬出導(dǎo)彈時(shí)刻，另兩個(gè)時(shí)刻為放回導(dǎo)彈時(shí)刻。放回導(dǎo)彈時(shí)瞬間加速度可達(dá)到1.59，2.11 gn，取出瞬間加速度為23，25 m gn，時(shí)間和范圍符合真實(shí)情況。

經(jīng)過檢測電源剩余89%，可以滿足至少9個(gè)月的連續(xù)工作，且輸出穩(wěn)定可靠。理論工作時(shí)間可以達(dá)到1年。

4 結(jié)論

針對導(dǎo)彈長時(shí)間封閉式存儲的特點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了一種全周期跟隨導(dǎo)彈貯存過程的環(huán)境應(yīng)力監(jiān)測裝置，整個(gè)裝置圍繞低功耗、易維修為核心進(jìn)行了硬件布局、器件造型和電路設(shè)計(jì)。整體使用SPI和I2C進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，并設(shè)計(jì)加入了電源監(jiān)控模塊。對影響導(dǎo)彈性能的溫度、濕度和震動三種因素進(jìn)行監(jiān)測和記錄。實(shí)驗(yàn)表明:裝置整體功耗較低，可在密閉空間內(nèi)獨(dú)立工作9個(gè)月以上，滿足長期跟隨并監(jiān)測導(dǎo)彈貯存環(huán)境的要求，且工作穩(wěn)定，維修方便。

［1］王 凱.導(dǎo)彈武器系統(tǒng)貯存環(huán)境監(jiān)測及貯存可靠性評定方法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學(xué)，2012.

［2］李兵尚，吳 非，張 磊，等.存儲環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.測控技術(shù)與儀器儀表，2011，39(1):76-78.

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［4］李 洋，黎曉林，吳 健，等.基于數(shù)字電路的二階調(diào)制微加速度計(jì)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2015，34(1):91-93.

［5］蔣敦斌，李文英，劉元紅.閃速存儲器AT45D系列芯片的應(yīng)力［J］.天津師范大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2003，23(3):61-65.

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