引信過載數(shù)據(jù)的無線傳輸系統(tǒng)研究*

楊　茹，王　利，連云飛，張　志（　中北大學(xué)機電工程學(xué)院，太原　03005；　中國航天科工集團第六研究院60所，呼和浩特　00076）

引信過載數(shù)據(jù)的無線傳輸系統(tǒng)研究*

楊茹1，王利1，連云飛1，張志2
（1中北大學(xué)機電工程學(xué)院，太原030051；2中國航天科工集團第六研究院601所，呼和浩特010076）

針對現(xiàn)有的彈載存儲系統(tǒng)具有操作不便、回收過程復(fù)雜危險等問題，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集無線傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)利用壓電傳感器，以C8051F340為主控芯片，結(jié)合FRAM芯片，以nRF24L01作為無線收發(fā)芯片，并設(shè)計天線及匹配電路。經(jīng)實驗驗證，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)450 kbps，空曠距離為90 m時，數(shù)據(jù)仍能可靠傳輸，對一定厚度的混凝土及鋁等非屏蔽介質(zhì)下具有一定的穿透性，穿透混凝土的最大厚度為3 m。通過動態(tài)模擬實驗，系統(tǒng)可準(zhǔn)確接收加速度數(shù)據(jù)，誤差在1.5%以下，符合實際要求。

C8051F；壓電加速度；侵徹；無線傳輸

0　引言

彈丸侵徹硬目標(biāo)時的過載數(shù)據(jù)是設(shè)計引信的重要參考數(shù)據(jù)［1］。現(xiàn)有的測試方法中彈載測試存儲技術(shù)是較為普遍的技術(shù)，它能夠獲得彈丸從膛內(nèi)發(fā)射到侵徹目標(biāo)整個過載中的過載變化規(guī)律。美國sandia國家實驗室設(shè)計了小型侵徹加速度記錄儀。瑞士武器系統(tǒng)與彈藥試驗中心設(shè)計了高g值的彈道飛行數(shù)據(jù)記錄儀。國內(nèi)劉立軍等人利用彈載存儲系統(tǒng)獲得動能子彈侵徹硬目標(biāo)時加速度峰值18 000 g，加速度信號主脈寬為168 μs［2］。一般彈載存儲測試系統(tǒng)隨彈丸侵徹，彈丸侵徹結(jié)束進(jìn)入到回收場地，回收場地內(nèi)多為土壤，需要人工對其進(jìn)行挖掘，對彈載系統(tǒng)回收。但在常規(guī)的武器靶場實驗中，回收場地內(nèi)常存在危險性的物體如未起爆的彈丸、有毒物質(zhì)等，挖掘回收過程復(fù)雜危險，針對此問題設(shè)計了彈載加速度數(shù)據(jù)采集無線傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)隨彈丸侵徹進(jìn)入回收場地內(nèi)，不需要對其進(jìn)行挖掘回收，通過無線的方式獲得采集的數(shù)據(jù)。

系統(tǒng)以C8051F340高速單片機為主控制器，將FLASH與SRAM集成一體化，防止數(shù)據(jù)的丟失，采用nRF24l01作為無線傳輸芯片，系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸率高，測試精度高，對回收場地內(nèi)的非屏蔽作用的物體具有一定的穿透性等特點。

1　系統(tǒng)的整體設(shè)計方案

彈載加速度數(shù)據(jù)采集無線傳輸系統(tǒng)由信號處理模塊、信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及無線發(fā)送模塊四部分組成，系統(tǒng)設(shè)計原理見圖1所示。

系統(tǒng)工作原理如下：首先給恒流源上電，為信號處理電路提供恒定電流，將加速度傳感器感知到的信號進(jìn)行處理，成為能夠被采集的模擬信號，給信號處理模塊上電，開始對信號循環(huán)采集，判斷采集到的值是否滿足觸發(fā)值。當(dāng)滿足觸發(fā)條件時，開始對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。通過初步計算彈丸飛行的時間，設(shè)置采集時長，待采集時長計滿后，停止采集，等待無線接收設(shè)備的自動應(yīng)答，收到接收模塊的應(yīng)答后，將采集到的數(shù)據(jù)無線發(fā)送出去，從而獲得整個過程的過載曲線。

圖1　系統(tǒng)設(shè)計原理圖

2　系統(tǒng)硬件電路構(gòu)成

2.1信號處理模塊

系統(tǒng)選用壓電式加速度傳感器，其量程達(dá)104g，體積較小，其電荷靈敏度為0.072 pC/g。此加速度傳感器經(jīng)過信號調(diào)理電路的作用，將感受到的信號變?yōu)榭梢圆杉哪M信號。信號調(diào)理電路選用增益為0.5 mV/pC的微型阻抗變換器。此阻抗變換器需要提供0.5～10 mA的恒定電流才能正常工作，采用三端可調(diào)恒流源LM334芯片來為其提供電流為恒定電流。

2.2數(shù)據(jù)采集存儲電路設(shè)計

因?qū)椝俣雀摺?shù)變化快，傳感器輸入單片機的數(shù)據(jù)速度高、容量大，主控芯片選用C8051F340高速單片機，程序運行速度最高可達(dá)48 MHz，具有增強性的SPI串行接口，片內(nèi)具有多通道AD采樣系統(tǒng)，采樣頻率高達(dá)200 ksps。采用其內(nèi)部自帶的AD采集系統(tǒng)，將單片機與AD轉(zhuǎn)換器集成于一體，提高系統(tǒng)的集成度，滿足系統(tǒng)對采樣頻率和采樣精度的要求［3］。

在數(shù)據(jù)存儲部分，一般數(shù)據(jù)存儲采用EEPROM 與SRAM。EEPROM技術(shù)雖成熟，但是其存儲速度較慢，對于變化較快的信息存儲不適合。SRAM功耗低，寫入速度快，但其掉電后數(shù)據(jù)會丟失，對電源有較高的要求?；谶@兩種存儲的優(yōu)缺點，采用FM21L16鐵電存儲器作為數(shù)據(jù)存儲芯片。FM21L16可存儲2 Mbit的數(shù)據(jù)，它的讀寫功能類似于普通的SRAM，操作簡單。此芯片為并行數(shù)據(jù)存儲器，其存儲數(shù)據(jù)的速度很快，存取時間可達(dá)60 ns。其供電電壓為2.7～ 3.6 V，屬于低功耗、低電壓工作芯片。其與單片機的電路連接見圖2所示。

單片機的P2接口通過鎖存器接FM21L16的低8位地址線，P3口接FM21L16的A8-A15地址線，P4.0接芯片的 A16地址線。與普通 SRAM不同的是，F(xiàn)M21L16在芯片使能端CE的下降沿鎖存地址，利用單片機引腳P1.2與ALE經(jīng)過或門后產(chǎn)生具有下降沿的信號，通過與復(fù)位信號經(jīng)過與門，其作用是為了封鎖FM21L16的片選。控制UB與LB來選擇存儲數(shù)據(jù)占用存儲器的高低8位。

圖2　FRAM與C8051F340的電路連接

2.3無線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

無線數(shù)據(jù)發(fā)送采用nRF24l01無線收發(fā)芯片，其工作頻段在 2.4～2.5 GHz頻段，與主控芯片C8051F340通過SPI總線連接。其工作電壓在1.9～3.6 V，低功耗，滿足本系統(tǒng)要求［4-5］。系統(tǒng)采用點對點的通訊方式，包括發(fā)射模塊和接收模塊兩部分，發(fā)射模塊置于彈丸內(nèi)部。為使數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x達(dá)到最優(yōu)，天線的設(shè)計至關(guān)重要。在彈載測試中，要求系統(tǒng)具有微體積、微功耗的特點，故天線的設(shè)計需具有微小型、方便安裝等特點。本系統(tǒng)中設(shè)計采用可彎曲折疊的軟PCB板天線，其具有重量輕、體積小、剖面薄等特點。設(shè)計天線的參數(shù)如下：諧振頻率達(dá)到2.4GHz，頻帶寬度小于5%，駐波比系數(shù)小于1.5。無線天線設(shè)計的阻抗為50 Ω，線寬為0.5 mm，基本尺寸為20 mm×12 mm，并設(shè)計相應(yīng)的天線匹配電路。經(jīng)過調(diào)試，當(dāng)傳輸速率達(dá)到250 kbps時，在空曠環(huán)境中無線傳輸?shù)木嚯x可達(dá)90 m，傳輸速率可達(dá)450 kbps。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序的設(shè)計主要包括AD采集模塊，數(shù)據(jù)讀寫模塊、無線發(fā)送模塊三大部分內(nèi)容。1）AD采集模塊主要包括AD初始化，采樣頻率的設(shè)置，采集時長的設(shè)置。系統(tǒng)上電之后，經(jīng)過初始化，系統(tǒng)開始對信號進(jìn)行采樣，當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)大于設(shè)定的閾值，打開定時器0計時，當(dāng)采集的時長達(dá)到所設(shè)定的時間t1時，停止存入數(shù)據(jù)。2）數(shù)據(jù)讀寫模塊，主要針對FM21L16芯片的數(shù)據(jù)存儲與讀取，系統(tǒng)上電復(fù)位后將P1.2拉低，P1.2經(jīng)過與ALE或門，再經(jīng)過與復(fù)位信號與門后產(chǎn)生具有下降沿的信號，使得FM21L16芯片能夠在下降沿的時候鎖存地址，通過控制FM21L16芯片的CE與WE將采集到的數(shù)據(jù)存儲到芯片內(nèi)部［6］。通過控制P1.4與P1.5，控制數(shù)據(jù)存儲占用芯片的高低8位。由于單片機C8051F340外部可擴展64KB的數(shù)據(jù)存儲器，而FM21L16具有17根地址線，將P4.0作為地址線的最高位，數(shù)據(jù)存儲的地址可通過軟件設(shè)置。3）無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，首先使能芯片，將芯片設(shè)置為發(fā)送模式，將TX_ADDR（接收節(jié)點地址）與有效數(shù)據(jù)通過SPI寫入TX_FIFO中，并啟動自動應(yīng)答模式，設(shè)置工作頻段，設(shè)置等待重新發(fā)送功能，將CE拉高，將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式打包發(fā)送出去。發(fā)送完成，通過判斷IRQ與TX_DS，以及MAX_RT的電平來判斷數(shù)據(jù)發(fā)送是否完成。軟件流程見圖3所示。

圖3　系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

4　系統(tǒng)穩(wěn)定傳輸實驗

為了驗證系統(tǒng)的可靠性，必須要對系統(tǒng)進(jìn)行測試。采用靜態(tài)測試與動態(tài)測試兩種方式。利用信號發(fā)生器模擬信號，分別輸出正弦波、方波、三角波3種波形，系統(tǒng)分別對其進(jìn)行采集，采樣頻率為300 kHz，并在一定距離下進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，實驗得出當(dāng)距離為90 m時，無線接收到的數(shù)據(jù)與存儲在FM21L16芯片中的數(shù)據(jù)相同。采用KCL沖擊試驗機模擬彈丸侵徹硬目標(biāo)實驗，并對無線信號穿透能力進(jìn)行測試，將模擬輸入端的信號連到示波器上，將示波器獲得的曲線與系統(tǒng)所得到的過載曲線進(jìn)行對比。在實驗中，對非屏蔽介質(zhì)（混凝土、鋁）進(jìn)行穿透測試實驗。圖4是實驗示意圖。在混凝土厚度為1 m、2 m、3 m、3.5 m等不同的情況下進(jìn)行系統(tǒng)采集以及穿透性能的試驗。實驗驗證，無線信號穿透不同厚度的混凝土后接收到的數(shù)據(jù)曲線與實際加速度曲線一致。當(dāng)混凝土厚度達(dá)到3.5 m時，無線接收的數(shù)據(jù)有丟失現(xiàn)象。圖5和圖6是當(dāng)混凝土厚度為3m時，實際加速度曲線與無線接收的數(shù)據(jù)曲線的對比。圖7和圖8是將無線傳輸?shù)男盘柎┩镐X制物品時，實際加速度曲線與無線接收的數(shù)據(jù)的對比。

圖4　實驗示意圖

圖5　無線信號穿透3 m的混凝土實際加速度曲線

兩次實驗的采樣頻率為200 kHz，采樣時長達(dá)到397 ms。從圖中可以看出實測曲線與系統(tǒng)無線接收的數(shù)據(jù)曲線相吻合。圖5中，實際測得的峰值為0.956 V，約為26 555 g，圖6中，系統(tǒng)測得的電壓峰值為0.97 V，約為26 944 g，脈寬為105 μs，誤差約為1%。圖7中，實際測得的峰值為1.35 V，約為37 500 g。圖8中系統(tǒng)測得的電壓峰值為1.392 2 V，約為38 000 g，脈寬為90 μs，誤差約為1.3%。

在后續(xù)實測實驗中，針對彈丸侵徹結(jié)束后進(jìn)入回收場地內(nèi)的土堆，通過軟件仿真得到當(dāng)初速為400 m/s時，其進(jìn)入的深度最大為2.8 m。本系統(tǒng)在混凝土厚度為3 m的情況下可穩(wěn)定工作。系統(tǒng)中采樣頻率可調(diào)，最高可設(shè)置300 kHz的采樣頻率，系統(tǒng)誤差小于1.5%。數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)450 kbps。初步判斷系統(tǒng)的采集頻率，以及對混凝土的穿透性滿足后續(xù)動態(tài)實驗的要求。

圖6　無線信號穿透3 m的混凝土系統(tǒng)所得加速度曲線

圖7　無線信號穿透鋁制體實際加速度曲線

圖8　無線信號穿透鋁制體時系統(tǒng)所得的加速度曲線

5　結(jié)論

通過實驗，得出在空氣介質(zhì)下無線傳輸?shù)木嚯x最遠(yuǎn)可達(dá)90 m。針對3 m的混凝土和非屏蔽金屬物質(zhì)（鋁）等，無線信號具有良好的穿透性，能夠可靠的傳輸數(shù)據(jù)。在后續(xù)動態(tài)試驗中，將鋁作為引信殼體的制作材料，避免安裝時對信號屏蔽性的考慮，既可保證彈丸的封閉性，又能保證無線數(shù)據(jù)能夠可靠的傳輸。通過測試，系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)450 kbps，系統(tǒng)采樣率最高可達(dá)300 kHz，其采樣頻率、無線數(shù)據(jù)傳輸率對回收場地內(nèi)一定厚度土壤的穿透性等滿足實驗的要求。

無線彈載測試系統(tǒng)具有微體積，微功耗，傳輸距離遠(yuǎn)，數(shù)據(jù)傳輸率高，對非屏蔽作用的物質(zhì)具有一定穿透性等特點。本系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于采集有害環(huán)境中的溫度、氣壓等參數(shù)，只需在信號輸入端接入相應(yīng)的傳感器，具有一定的實際應(yīng)用價值。

［1］張清爽.彈丸侵徹裝甲鋼板過載特性數(shù)值模擬［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2009，29（4）：133-135.

［2］劉立軍，祖靜，范錦彪，等.動能子彈侵徹鋼板加速度測試與分析［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2010，29（6）：15-17.

［3］SILICON Laboratories.C8051F34x數(shù)據(jù)手冊［OL］.http：∥www.silabs.corn.

［4］李文仲，段朝玉.C8051F系列單片機與短距離無線數(shù)據(jù)通信［M］.北京：北京航空航大學(xué)出版社，2007：183-184.

［5］2.4G無線射頻收發(fā)芯片Nrf24l01手冊［OL］.bbs. gonkong，com/D/201204/430766-1.shtml

［6］李敏，孟晨.并行接口鐵電存儲器FM1808及其應(yīng)用［J］.國外電子元器件，2004（3）：36-39.

Wireless Transmission Technology Research Based on Fuze Acceleration Data

YANG Ru1，WANG Li1，LIAN Yunfei1，ZHANG Zhi2
（1School of Mechatronics Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2The 601st Institute of the 6th Academg，CASIC，Huhhot 010076，China）

Data collection wireless transmission system was designed for solving the problem of inconvenient operation and complex recycling process of onboard storage test system.The C8051F340-based system uses piezoelectric acceleration sensor with combination of FRAM chip，taking nRF24L01 as a wireless transceiver chip for antenna design and circuit matching.According to experimental verification，data transfer rate is up to 450 kbps.When open distance is as far as 90 m，data can still be transmitted reliably.It can penetrate well in unshielded objects such as concrete and aluminum products with certain thickness.The maximum thickness for concrete penetration is 3 m. Accurate data was received by the dynamic simulation system with measurement error less than 1.5%.It meets the requirements.

C8051F；piezoelectric acceleration sensor；penetration；wireless transmission

TJ01

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.019

2015-02-08

楊茹（1991-），女，山西運城人，碩士研究生，研究方向：機電控制系統(tǒng)。