爆炸威力場動態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測模塊

解 煜，孫發(fā)魚，白瑞青，駱海濤

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

爆炸威力場動態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測模塊

解 煜，孫發(fā)魚，白瑞青，駱海濤

(西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

針對新型武器彈藥在研制試驗和演習(xí)訓(xùn)練中爆炸瞬間的強電磁干擾導(dǎo)致遙測數(shù)據(jù)無法實時發(fā)出問題，設(shè)計了爆炸威力場動態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測模塊。該模塊遠(yuǎn)程無線發(fā)送指令控制采集存儲數(shù)據(jù)，避開爆炸產(chǎn)生的電磁干擾后，以“快記慢發(fā)”的方式將測試數(shù)據(jù)送回接收站。仿真實驗表明，該模塊具有抗干擾能力強、誤碼率低、靈活性高、成本低廉等優(yōu)點，可以滿足對爆炸威力場動態(tài)參數(shù)測試提出的特殊需求。

爆炸威力場；測試；遙測；記憶重發(fā)；快記慢發(fā)

0 引言

在新型武器彈藥研制試驗和演習(xí)訓(xùn)練中，其爆炸威力場動態(tài)參數(shù)具有多樣性、大范圍、不可重復(fù)、試驗經(jīng)費投入大、危險大、節(jié)點的瞬時采樣數(shù)據(jù)量大和實時性高等特點。爆炸場測試系統(tǒng)在爆炸發(fā)生時要受到瞬態(tài)強光、瞬態(tài)高溫、強電磁場破片引起的強沖擊波、強烈振動等影響，因此對測試系統(tǒng)的動態(tài)性、實戰(zhàn)性、快速性、靈活性及機動性提出了特殊需求。而現(xiàn)有的引線電測法[1]存在電纜布線麻煩，爆炸產(chǎn)生的電磁干擾會給信號疊加很大的噪聲等問題；存貯測試法[2]存在無法實時監(jiān)測，試驗效率低，事后回收裝置麻煩等問題；現(xiàn)有的無線傳輸(如Zigbee無線通信模塊[3])雖然具有體積小，成本低及功耗小等優(yōu)點，但在高沖擊、高溫、高壓等惡劣環(huán)境下，傳輸距離較遠(yuǎn)時會導(dǎo)致嚴(yán)重的信號幅度衰減和誤碼率，當(dāng)采用數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議時會導(dǎo)致各測點存在測試時間不確定性等缺點。遙測方法在靶場試驗中廣泛應(yīng)用，具有實時性、采集數(shù)據(jù)量大等特點，但爆炸瞬間的強電磁干擾導(dǎo)致測試數(shù)據(jù)無法實時發(fā)出。本文針對此問題，提出了爆炸威力場動態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測模塊。

1 記憶重發(fā)和快記慢發(fā)

1.1 記憶重發(fā)技術(shù)和快記慢發(fā)

記憶重發(fā)技術(shù)是測試過程中將測試數(shù)據(jù)存儲下來，經(jīng)延遲后重新將數(shù)據(jù)發(fā)送出來。例如將處于黑障區(qū)內(nèi)的遙測數(shù)據(jù)暫時存儲起來，待飛行體出了黑障區(qū)之后再將存儲數(shù)據(jù)向地面站傳送。中北大學(xué)的閆鑫應(yīng)用記憶重發(fā)技術(shù)在飛行器飛行試驗過程中，采用記憶重發(fā)裝置，在黑障區(qū)內(nèi)記錄重要的參數(shù)，當(dāng)飛行器離開黑障區(qū)后，將存儲器中的數(shù)據(jù)按一定的速度比快速重發(fā)，系統(tǒng)采用CPLD與鐵電存儲器[4]。西安機電信息技術(shù)研究所的白瑞青基于FPGA設(shè)計的彈載遙測記憶重發(fā)器，數(shù)據(jù)存儲器采用FPGA內(nèi)部的FIFO存儲器實現(xiàn)，該記憶重發(fā)器的重發(fā)方式采用的是記滿重發(fā)方式，不需要系統(tǒng)提供重發(fā)命令[5]。還有為了避免炮膛屏蔽、炮口電離干擾等記憶重發(fā)技術(shù)的應(yīng)用。

在記憶重發(fā)過程中有時存儲數(shù)據(jù)速率和重發(fā)數(shù)據(jù)速率不同，重發(fā)數(shù)據(jù)速率小于存儲數(shù)據(jù)速率，這種記憶重發(fā)方式叫做“快記慢發(fā)”[6]。

1.2 爆炸威力場動態(tài)參數(shù)特征

爆炸威力場動態(tài)參數(shù)具有多樣性，如溫度、振動、壓力等參數(shù)，根據(jù)新型武器彈藥的動態(tài)參數(shù)特征和前人的試驗經(jīng)驗沖擊波頻率響應(yīng)為100 kHz，振動頻響為10 kHz，溫度頻響為1 kHz，采樣率是頻率響應(yīng)的3～5倍可完整還原信號，根據(jù)存儲公式計算實時存儲量。新型武器彈藥研制試驗和演習(xí)訓(xùn)練時爆炸范圍大、試驗經(jīng)費投入大、危險性大，利用遠(yuǎn)程無線控制來降低試驗危險性和試驗成本。爆炸煙霧干擾時間不定，延遲時間可由地面控制。爆炸結(jié)束后，發(fā)送速率過高會造成較大的誤碼率影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也增加了系統(tǒng)成本。

1.3 控制器、存儲器和無線收發(fā)芯片

器件的發(fā)展為記憶重發(fā)技術(shù)的提高創(chuàng)造了條件。目前廣泛應(yīng)用的單片機處理器有51單片機、DSP和ARM。51單片機其價格低廉、開發(fā)技術(shù)成熟，但是其不足在于功能過于簡單，計算能力有限。DSP器件偏重高端應(yīng)用領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)功能設(shè)計側(cè)重于有大量數(shù)字信號處理的場合，如雷達(dá)、多媒體等領(lǐng)域，不適合在數(shù)據(jù)處理量不大的小型系統(tǒng)使用。而且目前其價格較高，開發(fā)技術(shù)難度大。ARM芯片具有體積小、功耗低和高性能的特點，但成本較高，也不適用于小型系統(tǒng)。AVR Atmega128單片機是增強型RISC內(nèi)載Flash的單片機，其采用了流水線操作和等長指令的體系結(jié)構(gòu)，這種MCU對SRAM和FLASH存儲器分別進(jìn)行尋址的哈佛結(jié)構(gòu)極大地提高了MCU工作速度。與傳統(tǒng)的微控制器相比高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率，豐富的中斷源極大地方便了對外設(shè)的快速配置。該單片機應(yīng)用于測試系統(tǒng)中具有很多優(yōu)勢。

SAMSUNG公司的NAND FLASH存儲器由block(塊)構(gòu)成，block的基本單元是page(頁)。NAND FLASH的讀取和燒錄以頁為基礎(chǔ)，基本的操作：讀取一個頁，燒錄一個頁和擦除一個塊。存儲和擦除速度非常快，容量大，價格便宜。根據(jù)爆炸場參數(shù)特征以及采樣率，經(jīng)過理論計算數(shù)據(jù)量小于100 M Words，選擇容量512 M的FLASH足夠用。

成都億佰特公司的E34-TTL-100芯片是一款基于nRF24L01芯片的無線收發(fā)芯片，工作在2.4～2.518 GHz頻段，使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，功率密度高，傳輸距離遠(yuǎn)，具有自動調(diào)頻功能，抗干擾能力強。

2 爆炸威力場動態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測

爆炸威力場遙測的關(guān)鍵在于采用記憶重發(fā)技術(shù)，避開爆炸時產(chǎn)生的電磁干擾。針對爆炸威力場動態(tài)參數(shù)數(shù)量多、頻響高、采樣率高等特征，為降低系統(tǒng)成本、降低誤碼率，采用快記慢發(fā)方式。

本文設(shè)計的爆炸威力場動態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測模塊主要由AVR單片機、存儲器和無線收發(fā)模塊組成。記憶重發(fā)遙測模塊的串并接口轉(zhuǎn)換和計數(shù)器的設(shè)計使采集編碼所得數(shù)據(jù)PCM碼流快速存入大容量存儲器中，計數(shù)器記滿8個數(shù)后發(fā)出一個指令，此時恰好將PCM 8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并行通過單片機I/O寫入存儲器內(nèi)。無線收發(fā)模塊用來主控機命令的收發(fā)和測試數(shù)據(jù)收發(fā)，測試數(shù)據(jù)送回主控機時，單片機讀取存儲器中數(shù)據(jù)由串口將數(shù)據(jù)寫入無線收發(fā)模塊，無線收發(fā)模塊接收到數(shù)據(jù)，模塊發(fā)射無線數(shù)據(jù)包長度為29字節(jié)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)量達(dá)到29字節(jié)時，模塊將啟動無線發(fā)射。主控機端發(fā)送控制指令時，控制指令長度不足29字節(jié)，模塊等待3字節(jié)時間若無數(shù)據(jù)則將指令數(shù)據(jù)發(fā)出，無線收發(fā)模塊無線接收功能一直打開。記憶重發(fā)遙測模塊如圖1所示。

本文提出的記憶重發(fā)遙測模塊與過去的彈上記憶重發(fā)器的主要區(qū)別是與主控機半雙工通信，可接收主控機的指令進(jìn)行多種操作，在傳統(tǒng)遙測的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了遙控功能。當(dāng)模塊上電工作時，主控機要與從控單元互相通信，雙方進(jìn)行握手；然后主控機將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，從控單元在收到該數(shù)據(jù)后，需要立即向主控機應(yīng)答，表示已成功接收；當(dāng)主控機收到此應(yīng)答信號時，方可進(jìn)行下一步操作。若在規(guī)定時間內(nèi)主控機沒有收到應(yīng)答，則認(rèn)為通信失敗，則會重發(fā)此數(shù)據(jù)包直至收到應(yīng)答信號。主從單元握手通信協(xié)議如圖2所示。

該模塊設(shè)計多種操作指令：準(zhǔn)備、記錄、讀數(shù)、停止和擦除命令等，在完成一次試驗后可遠(yuǎn)程無線控制遙測記憶重發(fā)模塊擦除存儲器數(shù)據(jù)，擦除后等待操作指令又可以進(jìn)行下一次試驗，有限的時間內(nèi)利用現(xiàn)有的資源可進(jìn)行多次試驗。主控機通過無線發(fā)送控制命令遠(yuǎn)程操控從控單元，從控單元首先判斷主控機是否發(fā)來準(zhǔn)備指令，每次進(jìn)行其他操作之前都要進(jìn)行預(yù)先準(zhǔn)備過程。設(shè)計的多級指令方式使得真實信號才能可靠地啟動存儲程序，一定程度上避免了誤操作給整個從控單元帶來的影響。具體的存儲控制單元工作流程如圖3所示。

該記憶重發(fā)遙測模塊與以往遙測模塊的另一區(qū)別是采用新器件。一、采用的AVR系列單片機是一種高性能成本低廉的微控制器；二、存儲器采用NAND FLASH，具有容量大，改寫速度快等優(yōu)點。存儲芯片容量遠(yuǎn)大于所需存儲的測試數(shù)據(jù)量，避免數(shù)據(jù)溢出，保證了存儲數(shù)據(jù)的完整性。

針對傳輸距離較近的特點，采用無線收發(fā)模塊替代傳統(tǒng)遙測發(fā)射機、接收機實現(xiàn)雙向傳輸，具有成本低廉、操作方便、研發(fā)周期短等優(yōu)點。

3 仿真試驗驗證

對記憶重發(fā)遙測模塊進(jìn)行了數(shù)據(jù)存儲傳輸試驗。在空曠的場地，主控機和從控單片機以及采集存儲設(shè)備相距300 m以上。為了比較，無線收發(fā)模塊采用三種空中傳輸速率，分別是0.25 Mbps、1 Mbps和2 Mbps。模塊開始工作時先進(jìn)行上電自檢，并將存儲器初始化信息反饋給主控機，存儲器存儲有數(shù)據(jù)或者存儲器空。主控機收到狀態(tài)信號之后回饋0x11給單片機，從控模塊收到0x11進(jìn)入工作狀態(tài)，表示雙方收發(fā)正常；若經(jīng)過一段時間未收到則單片機復(fù)位初始化再次進(jìn)行握手。主從兩個單元通過握手建立穩(wěn)定可靠的聯(lián)系，雙方收發(fā)正常。爆炸前開始工作記錄數(shù)據(jù)和爆炸后的延遲一段時間以及發(fā)送命令傳輸時間都需要留有余量，存儲時間長短是可控的。

實驗采用信號發(fā)生器模擬沖擊波、振動和溫度在爆炸時的產(chǎn)生的模擬信號，在爆炸前約5 s的時間記錄數(shù)據(jù)信號由遠(yuǎn)程主控機發(fā)出，主控機發(fā)出存儲指令給從控單片機開始工作，對沖擊波、振動和溫度多路信號同時采集，記錄時間大于實際爆炸時間以保證爆炸數(shù)據(jù)的完整性，分別記錄不同的時間后主控機發(fā)送停止命令，存儲器停止工作進(jìn)入單片機睡眠狀態(tài)，以降低功耗。等待一段時間(實際爆炸時煙霧散去時間)，主控機發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令喚醒單片機將存儲數(shù)據(jù)送回主控機。進(jìn)行一次存儲數(shù)據(jù)后，在無線收發(fā)芯片三個空中速率下進(jìn)行了多次傳輸試驗，數(shù)據(jù)平均接收誤碼率如表1所示。

表1 不同空中速率下的接收情況

由上表可看出距離300 m時傳輸速率0.25 Mbps、1 Mbps和2 Mbps時傳輸誤碼率均在遙測指標(biāo)10-3要求內(nèi)。第四組標(biāo)星號數(shù)據(jù)是在增大傳輸距離為500 m時的試驗數(shù)據(jù)，此時誤碼率明顯增大，傳輸速率過高會影響接收數(shù)據(jù)誤碼率。無線收發(fā)芯片的傳輸距離和傳輸速率是有一定的聯(lián)系，選擇傳輸速率為0.25 Mbps時傳輸時間已滿足測試要求，同時傳輸距離也會增加。

模塊實時采集存儲數(shù)據(jù)，準(zhǔn)實時性的將數(shù)據(jù)送回地面，滿足爆炸場瞬間采樣數(shù)據(jù)量大和實時性高的要求，“快記慢發(fā)”的方式避開了爆炸時延誤產(chǎn)生的電磁干擾，很好地保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。通過單片機、閃存和無線收發(fā)芯片的組合設(shè)計符合爆炸威力場的特殊環(huán)境，滿足了動態(tài)參數(shù)的測試要求，實現(xiàn)記憶重發(fā)遙測功能，并具有成本低廉、研制容易、設(shè)計靈活簡單等優(yōu)點。通過無線傳輸數(shù)據(jù)和命令方便靈活，避免了布線和事后回收測試設(shè)備等操作。

4 結(jié)論

本文提出了爆炸威力場動態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測模塊，該模塊遠(yuǎn)程無線發(fā)送指令控制采集存儲測試數(shù)據(jù)，避開爆炸產(chǎn)生的電磁干擾后，以“快記慢發(fā)”的方式將測試數(shù)據(jù)送回接收站，針對傳輸距離較近的特點，采用無線收發(fā)芯片替代傳統(tǒng)遙測發(fā)射機、接收機。試驗驗證表明，該模塊具有抗干擾能力強、誤碼率低、靈活性高、成本低廉等優(yōu)點，可以滿足對爆炸威力場動態(tài)參數(shù)測試提出的特殊需求，可應(yīng)用到爆炸威力場動態(tài)參數(shù)測試中。但該模塊仍存在著不足，如真實爆炸場環(huán)境下遠(yuǎn)距離傳輸問題和天線防護(hù)問題，擬進(jìn)一步研究試驗解決存在的問題。

[1]張志杰,王代華,王文廉,等. 具有無線數(shù)據(jù)傳輸與控制功能的沖擊波超壓測試系統(tǒng)[J]. 計測技術(shù),2010,30(1):22-25.

[2]張哲,李寶珠,王存寶,等. 基于無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)臎_擊波超壓測試系統(tǒng)的研究[J] .傳感器與微系統(tǒng),2009,28(6):7-9.

[3]余凱凱,杜紅棉,馬鐵華. 基于Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)沖擊波測試系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 傳感器世界,2010(11):25-28.

[4]閆鑫.遙測系統(tǒng)中記憶重發(fā)電路設(shè)計[D].中北大學(xué).2012.

[5]白瑞青,宋軍,宋鑫霞,等. 基于現(xiàn)場可編程門陣列的彈載遙測記憶重發(fā)器[J]. 探測與控制學(xué)報,2015,37(2):55-58.

[6]謝銘勛. 再入遙測技術(shù)[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,1992:1-12.

A Dynamic Parameters Memory Retransmission Telemetry Module for Explosive Power Field Measuring

XIE Yu，SUN Fayu，BAI Ruiqing，LUO Haitao

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi'an 710065, China)

The explosion of a new type of weapon ammunition caused a strong electromagnetic interference to the real-time transmission of telemetry data. An explosive power field dynamic parameter memory retransmission telemetry module was designed to solve the problem. The module wirelessly sent commands to control the acquisition of stored data remotely to avoid the explosion caused by electromagnetic interference. Than, the test data was sent back to the receiving station by the way of “quickly store and slowly send”. The practice showed that the module had the advantages of strong anti-interference ability, low bit error rate, high flexibility and low cost, which could satisfy the special requirements of the dynamic parameter test of the explosive power field.

explosive power field; test; telemetry; memory retransmission; quickly store and slowly send

2017-02-17

解煜(1992—)，男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向：遙測遙控技術(shù)。E-mail：554239261@qq.com。

TJ430

A

1008-1194(2017)03-0066-04