引信加速度信號測試儀設(shè)計

馬強，沈大偉*，馬鐵華，馮衛(wèi)國

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051；3.遼沈工業(yè)集團有限公司，沈陽110045）

引信加速度信號測試儀設(shè)計

馬強1，2，沈大偉1，2*，馬鐵華1，2，馮衛(wèi)國3

（1.中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原030051；3.遼沈工業(yè)集團有限公司，沈陽110045）

為了準(zhǔn)確獲得引信在彈丸運動各個階段的加速度信號，設(shè)計了一種可置于彈丸引信處的加速度測試儀，使用單片機和CPLD作為控制器，基于乒乓存儲原理和負(fù)延遲理論，使得測試儀性能得到很大提高。通過靶場實驗實測數(shù)據(jù)表明，測試儀能夠成功獲取引信發(fā)射及飛行過程的三軸加速度曲線，對于引信、彈丸和火炮的設(shè)計和研究具有重要意義。

存儲測試；彈載測試儀；乒乓存儲；負(fù)延遲；引信加速度

武器系統(tǒng)的發(fā)展，要求能夠更加準(zhǔn)確地獲取各種動態(tài)參數(shù)，其中引信在彈丸運動各個階段的加速度信號便是一個重要的被測值，是引信設(shè)計、研制、故障分析的重要依據(jù)。引信作為重要的彈載機構(gòu)，其測試環(huán)境具有高溫、高壓、高沖擊和強電磁干擾等特點［1］，這些特點使得引線測試和遙測等測試手段無法正常工作，因此設(shè)計了基于存儲測試技術(shù)的彈載測試儀［2］，其無需引線且具有良好的電磁兼容性，能夠置于彈丸內(nèi)部，隨彈丸一起運動，記錄引信在彈丸運動的各個過程的加速度信號［3］。

以往的測試，我們選用專用的集成芯片，例如HB0202等，在試驗中也獲取了相應(yīng)的加速度信號［4］，但也暴露出專用集成芯片的不足，如性能不穩(wěn)定、不易調(diào)試、生產(chǎn)成本高等缺點，因此本文提出了基于低功耗、高集成度的CPLD芯片和AVR單片機的彈載測試儀，測試儀還采用了乒乓存儲和負(fù)延遲技術(shù)以提高其性能。

1　總體設(shè)計

火炮發(fā)射過程中，膛內(nèi)環(huán)境比較惡劣，膛內(nèi)溫度可高達(dá)幾百度（℃），發(fā)射藥所產(chǎn)生的高膛壓可達(dá)到300 MPa左右，產(chǎn)生的彈丸加速度峰值可達(dá)到10 000 gn以上，脈寬十幾毫秒，要在如此惡劣的測試環(huán)境中獲得有效信號，就必須對測試儀進行有效防護，采用環(huán)氧樹脂對電路模塊進行灌封，設(shè)計高強度殼體，并在殼體與電路模塊間加入緩沖材料，可提高測試儀存活性。

查閱相關(guān)資料可知火炮膛內(nèi)被測有效信號的最高頻率為幾kHz量級，因此擬采用總采樣頻率為400 kHz，分4個通道對引信加速度信號進行采集，彈丸從發(fā)射到落地運動時間大約在1 min左右，使用兩片容量為128 Mbyte的NAND Flash進行存儲可滿足數(shù)據(jù)容量要求。

測試儀系統(tǒng)由電路模塊、傳感器、電池、灌封結(jié)構(gòu)和金屬外殼等組成［5-7］，其原理圖如圖1所示：其中傳感器陣列為相互垂直安裝的3個加速度傳感器，高強度殼體及灌封材料用于保護電路模塊。

系統(tǒng)的工作原理為系統(tǒng)上電后為循環(huán)采樣狀態(tài)，加速度信號經(jīng)模擬電路調(diào)理后進入A/D進行轉(zhuǎn)換，并與設(shè)置的觸發(fā)閾值比較，達(dá)到觸發(fā)條件電路觸發(fā)，保存負(fù)延遲區(qū)域數(shù)據(jù)，并記錄觸發(fā)后數(shù)據(jù)，直到記錄完成，進入低功耗狀態(tài)，等待回收。電路模塊與計算機之間采用USB通信，回收后可將采集到的數(shù)據(jù)通過USB傳輸?shù)缴衔粰C。

圖1　系統(tǒng)原理框圖

2　設(shè)計原理

2.1乒乓存儲原理

為提高采樣頻率和存儲容量，本系統(tǒng)使用兩片K9F1G08U0B實現(xiàn)乒乓存儲，主控制器、從控制器、A/D及兩片F(xiàn)lash的連接框圖，如圖2所示。

AVR單片機是使用RISC指令集并且具有哈佛結(jié)構(gòu)的高速單片機，主要的功能為控制從處理器的工作狀態(tài)、實現(xiàn)NAND Flash的讀寫和擦除等操作、控制A/D采集等；CPLD具有功耗低、體積小、可靠性高等特點，且具有強大的邏輯處理能力，在本系統(tǒng)主要用于地址產(chǎn)生、時鐘分頻和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等，并作為AVR單片機與NAND Flash之間雙向通信的接口。

NAND Flash的乒乓存儲原理如圖3所示。

圖3　乒乓存儲原理

由圖3可知，在其中一片NAND Flash寫數(shù)據(jù)的過程中，另一片在進行塊擦除和頁編程，這樣兩片NAND Flash交替存儲，能夠提高系統(tǒng)工作效率和采樣頻率。要求采集到的數(shù)據(jù)不丟點，即能夠全部存進Flash中，則數(shù)據(jù)寫入Flash數(shù)據(jù)寄存器的時間tW需大于頁編程時間tPROG和塊擦除時間tBERS的和，

其中C為Flash數(shù)據(jù)寄存器容量，fs為采樣頻率。

查閱K9F1G08U0B芯片資料可得tPROG的典型值為0.2 ms，tBERS的典型值為1.5 ms，C為2 kbyte則可計算出理論最大采樣頻率為602 kHz，要采集三軸加速度曲線，可分為4個通道采集，則每個通道理論最大采樣頻率為150.5 kHz，可以滿足本設(shè)計每通道100 kHz，四通道的采集要求。

2.2負(fù)延遲技術(shù)

為了能夠獲取完整的加速度曲線，要求測試儀不僅僅能夠記錄觸發(fā)后的數(shù)據(jù)，還要記錄觸發(fā)前的數(shù)據(jù)，因此采用了負(fù)延遲技術(shù)，即將整個存儲空間分成兩個區(qū)域，負(fù)延遲區(qū)域和觸發(fā)后存儲區(qū)域［8-9］，系統(tǒng)上電沒觸發(fā)前，在負(fù)延遲區(qū)域循環(huán)采樣，寫滿負(fù)延遲區(qū)域后擦除閃存，再重新寫入，當(dāng)達(dá)到觸發(fā)閾值后，從觸發(fā)點地址開始寫入，直到寫滿Flash，進入低功耗狀態(tài)，等待讀數(shù)，負(fù)延遲原理如圖4所示。

圖4　負(fù)延遲原理

2.3主控制器程序設(shè)計

AVR單片機作為系統(tǒng)的主控制器，上電后初始化整個系統(tǒng)，進入負(fù)延遲循環(huán)采樣狀態(tài)，等待軸向加速度信號達(dá)到觸發(fā)閾值，開始從觸發(fā)地址依次寫入數(shù)據(jù)，寫滿存儲器則進入低功耗狀態(tài)，等待計算機讀數(shù)，單片機程序流程圖如圖5所示。

圖5　單片機程序流程圖

3　微體積和低功耗設(shè)計

彈載測試儀要裝在彈丸引信處，由于引信處空間狹小，則要對測試儀進行微體積設(shè)計。加速度傳感器選用體積為5 mm×8 mm×10 mm的壓阻式加速度傳感器，3個傳感器相互垂直安裝在Φ24×20 mm的圓柱空間內(nèi)，以高強度鋁合金作為底座；電路的控制器為AVR單片機和CPLD芯片配合使用，具有集成度高、體積小、功耗低、可靠性高等特點；為了減小系統(tǒng)體積，采用數(shù)字電路、模擬電路、電源管理電路分開設(shè)計在不同電路板上的方法，各個電路板之間使用柔性導(dǎo)線相連，各個電路板之間加絕緣材料相互疊加在一起可以實現(xiàn)三維空間的微體積。

由于受到體積的限制，測試儀的電池容量就不可能太大，因此對體積要求較嚴(yán)格的彈載測試儀進行低功耗設(shè)計能夠延長記錄儀工作時間，確保數(shù)據(jù)安全有效。

首先，記錄儀選用低功耗的CPLD芯片和AVR單片機作為處理器，其次，在各個不同工作狀態(tài)中僅必要模塊供電，其他模塊不供電，以減小功耗，系統(tǒng)在各個狀態(tài)電源管理情況如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)電源管理

在電源接通未上電狀態(tài)，數(shù)字電源VDD和模擬電源VSS都不供電，只有上電開關(guān)供電，功耗很低；當(dāng)上電開關(guān)ON端檢測到高電平，整個系統(tǒng)上電，進入采樣狀態(tài)，此時系統(tǒng)的各個模塊都在工作，功耗最大；當(dāng)檢測Flash存滿后，單片機發(fā)送TC信號，使整個系統(tǒng)進入低功耗狀態(tài)，此時只有Flash、CPLD、單片機在供電，晶振、模擬電路、傳感器等都已下電，減小功耗，等待回收；回收后，使上電開關(guān)OFF=1，則系統(tǒng)下電。

此系統(tǒng)使用40 mAh和80 mAh兩組電池供電，互為備份，增加電源可靠性，理論上在采樣狀態(tài)可以工作2 h，而系統(tǒng)從觸發(fā)到存儲器存滿時間最長為6 min，因此可以安全有效的工作，進入低功耗狀態(tài)可以堅持10 h，等待回收讀數(shù)。

4　試驗及結(jié)果

將加速度測試儀裝在彈丸引信處，進行靶場射擊試驗，最后回收彈丸，拆下測試儀，回收的測試儀如圖7所示，從圖中可以看出，測試儀頂部有很大磨損，為落地與土壤摩擦所致，但整個測試儀完好，測試儀獲取了引信在彈丸運動各個階段的加速度信號，由于篇幅所限，這里僅截取膛內(nèi)及出炮口處的加速度信號如圖8所示。

圖7　回收的加速度測試儀

圖8　膛內(nèi)及炮口處引信加速度信號

從軸向加速度曲線看（軸向加速度定義為彈軸方向），膛內(nèi)部分加速度信號最大峰值為12 110 gn，脈寬大約為14.5 ms，在炮口處，出現(xiàn)了比較大的高頻振蕩，正向峰值超過30 000 gn，負(fù)向峰值在20 000 gn左右，此時彈丸剛飛出炮口，火藥氣體壓力突變，引起彈丸-引信-加速度傳感器系統(tǒng)的自激振蕩［10-13］，出現(xiàn)比較大的振蕩加速度，很可能引起引信的失效。

從兩個徑向加速度加速度曲線看，膛內(nèi)部分，兩個徑向加速度的正負(fù)峰值在2 000 gn左右，在炮口處也出現(xiàn)了比較大的震蕩，正向峰值在7 000 gn左右，負(fù)向峰值在4 000 gn左右，此沖擊加速度也很有可能引起引信內(nèi)部機構(gòu)的誤動作。

對軸向加速度曲線進行積分，可以得到速度曲線，如圖9所示，從曲線上看最大速度為922 m/s，出現(xiàn)在彈丸處炮口處，而從靶場處得到的雷達(dá)測得的彈丸炮口速度為931 m/s，可見兩者吻合的較好。

圖9　軸向加速度積分曲線

5　結(jié)論

本文設(shè)計了基于AVR單片機和CPLD芯片的引信加速度信號測試儀，具有體積小、功耗低、可靠性高等特點，靶場實驗數(shù)據(jù)表明，測試儀能夠在彈丸發(fā)射高溫、高壓、高沖擊和強電磁干擾惡劣環(huán)境下獲取引信的加速度信號，對膛內(nèi)及炮口處的軸向加速度信號積分能夠比較好的與炮口速度相吻合，測得的數(shù)據(jù)對于引信的設(shè)計、研究和故障分析具有重要意義。

［1］馬英卓，祖靜，張瑜.低功耗瞬態(tài)火炮膛壓存儲測試儀設(shè)計［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2013，26（1）：128-132.

［2］尤文斌，丁永紅，祖靜，等.彈底過載存儲記錄儀［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2012，32（5）：145-151.

［3］楊志勇，文豐，郝曉劍.基于Flash存儲器的抗高過載電子記錄器關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.國外電子測量技術(shù)，2009，28（7）：27-29.

［4］裴東興，祖靜，張瑜，等.彈載電子測試儀的設(shè)計［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報，2012，32（3）：220-222.

［5］李紅旗，李世義，吳日恒.基于壓電式加速度計的彈丸初速存儲測試系統(tǒng)［J］.電子器件，2007，30（4）：1361-1364.

［6］邊晶晶，尤文斌，祖靜，等.一種彈載記錄儀的實時加密方法［J］.電子器件，2014，37（2）：355-357.

［7］許其容，尤文斌，馬鐵華，等.基于無線控制的爆炸場多參數(shù)存儲測試系統(tǒng)［J］.電子器件，2014，37（2）：207-310.

［8］靳鴻，陳昌鑫，史曉軍.具有負(fù)延遲的分區(qū)域數(shù)據(jù)存儲方法［J］.探測與控制學(xué)報，2013，35（2）：25-32.

［9］焦耀晗，杜紅棉，徐鵬.基于多重觸發(fā)和負(fù)延遲的炮口沖擊波存儲測試［J］.探測與控制學(xué)報，2015，37（1）：86-89.

［10］沈大偉，裴東興，祖靜.引信膛內(nèi)加速度信號測試與分析［J］.中北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009，30（3）：293-295.

［11］崔春生，馬鐵華，祖靜，等.引信發(fā)射環(huán)境多參數(shù)動態(tài)實測與分析［J］.振動與沖擊，2012，31（21）：94-97.

［12］裴東興，祖靜，張瑜，等.彈丸發(fā)射環(huán)境動態(tài)參數(shù)測試研究［J］.火炮發(fā)射與控制學(xué)報，2012（2）：75-78.

［13］李樂.引信全彈道多參數(shù)測試研究［D］.太原：中北大學(xué)，2006.

馬強（1990-），男，漢族，黑龍江泰來縣人，中北大學(xué)碩士研究生，研究方向為動態(tài)測控與智能儀器，527933346@qq.com；

沈大偉（1979-），男，山西太原人，講師，漢族，中北大學(xué)博士研究生，研究方向為動態(tài)測控與智能儀器設(shè)計，bensdw@ sina.com；

馬鐵華（1964-），男，漢族，山西交城人，中北大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為動態(tài)測試與傳感技術(shù)，matiehua@nuc. edu.cn。

Design of Fuse Acceleration Tester

MA Qiang1，2，SHEN Dawei1，2*，MA Tiehua1，2，F(xiàn)ENG Weiguo3
（1.Science and technology on Electric Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China；3.Liaoshen Industries Group Co.Ltd.，Shenyang 110045，China）

In order to obtain the acceleration curve in each movement of the projectile accurately，an acceleration re?corder placed inside the projectile was designed；it used MCU and CPLD as controller and based on negative delay technique and the principle of ping-pong storage to improve its performance dramatically.The experimental testing data in shooting range showed that the tester can successfully obtain three-axis acceleration curve of fuse on projec?tile launch and flight process which had important significance for design and research of fuse，projectile and gun.

memory testing；missile tester；ping-pong storage；negative delay；fuse acceleration

TJ43；TN206

A

1005-9490（2016）02-0383-05

EEACC：7320E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.028

2015-05-21修改日期：2015-07-09