基于FPGA的小型彈上三向過(guò)載記錄儀

馬游春 吳正洋 姜 德 王曉娟

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

基于FPGA的小型彈上三向過(guò)載記錄儀

馬游春1，2， 吳正洋1，2， 姜 德1，2， 王曉娟1，2

（1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051）

在彈箭研發(fā)試驗(yàn)中，對(duì)彈體侵徹過(guò)載特性的測(cè)試具有重要意義。為獲取彈體在膛內(nèi)和整個(gè)飛行過(guò)程中的過(guò)載曲線，設(shè)計(jì)一種小型化、耐高沖擊的三向過(guò)載記錄儀。該記錄儀以FPGA作為主控芯片，F(xiàn)lash作為存儲(chǔ)介質(zhì)，并采用MRAM備份關(guān)鍵數(shù)據(jù)以提高可靠性，通過(guò)回讀數(shù)據(jù)的方式獲得過(guò)載數(shù)據(jù)；采用高強(qiáng)度鋼配合填充橡膠的復(fù)合結(jié)構(gòu)提高記錄儀的抗沖擊能力。經(jīng)某型號(hào)平衡炮測(cè)試表明：該記錄儀能承受膛內(nèi)和穿靶的高沖擊，并有效記錄軸、徑、切3個(gè)方向的過(guò)載數(shù)據(jù)。實(shí)際測(cè)得最大過(guò)載峰值為2.6×104g，表明記錄儀在彈上惡劣環(huán)境中具有較高的存活能力。

數(shù)據(jù)記錄儀；現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列；小型化；抗高沖擊

0 引 言

從近幾年的利比亞戰(zhàn)爭(zhēng)、俄烏沖突以及美“重返亞太”等重大事件來(lái)看，導(dǎo)彈武器以其高準(zhǔn)確度、遠(yuǎn)射程、綜合效費(fèi)比高等特點(diǎn)，在各國(guó)作戰(zhàn)中發(fā)揮著不可或缺的作用[1]。開展真實(shí)的導(dǎo)彈打靶實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驗(yàn)檠兄坪透倪M(jìn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈提供理論依據(jù)，對(duì)彈箭工作狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄可以對(duì)發(fā)射技術(shù)與性能有全面的提升。在研究彈體在膛內(nèi)以及穿靶過(guò)程中的過(guò)載特性和規(guī)律時(shí)，一個(gè)重要的被測(cè)對(duì)象就是加速度與時(shí)間的關(guān)系曲線[2]，即過(guò)載曲線。

對(duì)彈體加速度的測(cè)量一般采用彈上記錄儀，實(shí)驗(yàn)后對(duì)記錄儀進(jìn)行硬回收，然后讀取數(shù)據(jù)。但通常情況下炮彈的發(fā)射環(huán)境非常惡劣，最高能達(dá)到上萬(wàn)個(gè)g的高沖擊，另外受到彈體空間的限制，對(duì)彈體過(guò)載的動(dòng)態(tài)測(cè)試較為困難[3]。

在硬回收過(guò)程中，保護(hù)內(nèi)部核心電路至關(guān)重要。國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)彈載記錄儀多采用鋼纖維橡膠彈簧或泡沫鋁作為緩沖材料[4]，但這種材料彈性模量小，緩沖過(guò)程會(huì)產(chǎn)生較大的形變[5]，容易擠壓內(nèi)部核心電路，對(duì)電路造成損壞；若采用泡沫鋁作為緩沖材料，會(huì)占用記錄儀大量體積，不適合空間狹小的彈上使用。由于炮彈發(fā)射試驗(yàn)存在環(huán)境惡劣、沖擊強(qiáng)等特點(diǎn)，當(dāng)前使用的彈上記錄儀還經(jīng)常暴露出回收成功率低的問(wèn)題[6]。國(guó)外對(duì)高過(guò)載數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置的研究較早，其具有較高的數(shù)據(jù)采樣率和抗沖擊能力，但外形尺寸普遍較大，并且要求較高的供電電壓[7]。

針對(duì)以上問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種小型化、高可靠性的三向過(guò)載記錄儀。結(jié)構(gòu)上將高強(qiáng)度鋼與柔性橡膠相結(jié)合，形成多層復(fù)合結(jié)構(gòu)以充分保護(hù)電路；電路上使用雙存儲(chǔ)器，將重要數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)以提高可靠性。在實(shí)際打靶試驗(yàn)中，回收后的記錄儀結(jié)構(gòu)完整并能成功讀出有效數(shù)據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

炮彈發(fā)射過(guò)程中，尤其在膛內(nèi)、出炮口以及撞靶時(shí)，最大需承受幾萬(wàn)個(gè)g的沖擊[8]。若對(duì)記錄儀整體進(jìn)行抗沖擊緩沖設(shè)計(jì)，則會(huì)使沖擊脈沖寬度變寬，導(dǎo)致測(cè)得過(guò)載幅值比實(shí)際值小[9]。為此，該記錄儀使用高強(qiáng)度鋼作為主體結(jié)構(gòu)，其力學(xué)表現(xiàn)能力與普通強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)相比有很大提高[10]。不對(duì)外部做緩沖處理，將傳感器直接安裝在高強(qiáng)度鋼上，使其充分吸收過(guò)載沖擊，避免測(cè)量不準(zhǔn)的問(wèn)題，主控電路和電池安裝在高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)腔體內(nèi)部，如圖1所示。

圖1 記錄儀內(nèi)部基本構(gòu)造

圖2 記錄儀外部圖

整個(gè)電路系統(tǒng)安裝完成后，通過(guò)螺紋安裝外層鋁殼，其既有減重的作用，也能減輕外力的剛性傳遞，保護(hù)電路板和電池，最后通過(guò)鋁殼預(yù)留孔灌入彈性膠，使用真空機(jī)排出空氣使彈性膠充滿腔體，形成鋁殼-彈性膠-鋼結(jié)構(gòu)-彈性膠的復(fù)合結(jié)構(gòu)，充分保護(hù)內(nèi)部核心電路[11]，如圖2所示。安裝完成后，記錄儀的外形尺寸僅為φ50mm×55mm，與傳統(tǒng)記錄儀相比極大地壓縮了儀器體積，由美國(guó)研發(fā)的EDR-4M型固態(tài)導(dǎo)彈數(shù)據(jù)記錄儀，其外形尺寸為145 mm×140mm×74mm[7]。

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 電路總體設(shè)計(jì)

硬件電路基本組成如圖3所示，電路包括主控電路板、信號(hào)調(diào)理板、3路傳感器以及外部接口等。PCB板使用Altium Designer 09軟件進(jìn)行繪制，主控電路板和信號(hào)調(diào)理板都采用4層印制電路板。

2.2 主控電路板設(shè)計(jì)

圖3 硬件電路基本組成

主控電路板作為整個(gè)記錄儀的核心部分，實(shí)現(xiàn)復(fù)位、觸發(fā)、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)讀取等系統(tǒng)功能。主控電路板主要包括FPGA模塊、Flash模塊、A/D模塊、MRAM模塊、電源模塊以及時(shí)鐘模塊，結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。加速度傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理后送入A/D轉(zhuǎn)換電路，在FPGA的控制下對(duì)采集數(shù)據(jù)編幀后存入Flash和MRAM中，記錄儀通過(guò)串口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)復(fù)位、讀數(shù)、擦除等功能。串口通信采用速率為5Mb/s的RS232標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

圖4 主控電路板結(jié)構(gòu)圖

主控電路板以FPGA為核心，F(xiàn)PGA采用Xilinx公司的工業(yè)級(jí)芯片XC3S500E-VQ100，其外部配有66個(gè)自定義I/O口，內(nèi)部資源豐富，在Xilinx ISE軟件平臺(tái)下，有很強(qiáng)的編程仿真能力，并且封裝尺寸較小，滿足小型化設(shè)計(jì)的要求。

A/D轉(zhuǎn)換器使用Analog Devices公司生產(chǎn)的AD7983，用于接收調(diào)理后的模擬傳感器信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行量化處理，再將信號(hào)傳輸?shù)街骺匦酒現(xiàn)PGA中。AD7983模數(shù)轉(zhuǎn)換器具有16位的精度，最高采樣頻率可達(dá)1.33 MS/s，本文使用250 kHz的采樣頻率。A/D轉(zhuǎn)換器的電壓參考芯片使用TI生產(chǎn)的REF2930芯片，經(jīng)過(guò)電壓跟隨器后為3個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器提供穩(wěn)定的3V參考電壓源。

Flash作為記錄儀的主存儲(chǔ)介質(zhì)，負(fù)責(zé)記錄彈體從發(fā)射到落地靜止的全部數(shù)據(jù)。選用三星公司生產(chǎn)的K9K8G08U0M，該芯片具有1 GB的存儲(chǔ)容量，能夠記錄時(shí)長(zhǎng)11min的過(guò)載數(shù)據(jù)，可完整記錄整個(gè)發(fā)射過(guò)程。

MRAM作為系統(tǒng)備用存儲(chǔ)介質(zhì)，記錄彈體觸靶前后短時(shí)間內(nèi)的加速度信息，目的是防止Flash損壞，作為保存重要數(shù)據(jù)的保障手段。考慮到小型化設(shè)計(jì)和需要重復(fù)多次寫入的要求，MRAM選用EVERSPIN公司的MR25H40存儲(chǔ)器，容量為512KB，是一種非揮發(fā)性的磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器。其擁有靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無(wú)限次地重復(fù)寫入，以此來(lái)提高數(shù)據(jù)備份的可靠性[12]。

2.3 傳感器電路設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)彈載記錄儀大多使用國(guó)外的加速度傳感器，導(dǎo)致國(guó)內(nèi)傳感器不能得到大量實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證。該記錄儀選用由國(guó)內(nèi)某研究所自主研發(fā)的壓阻型橋式電壓信號(hào)加速度傳感器，與電容型加速度傳感器相比，該傳感器具有更好的頻率響應(yīng)和線性度[13]，也更適合大量程的加速度值測(cè)量，其滿量程為±8×104g，輸出的電壓范圍為±50mV，由于傳感器內(nèi)部為惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，需要對(duì)其進(jìn)行零位補(bǔ)償[14]，補(bǔ)償電路如圖5所示。VDD、GND、Vout+和Vout-為傳感器的四個(gè)管腳，在Vout+與GND之間或者Vout-與GND之間以任意方式并聯(lián)電阻，使其靜態(tài)時(shí)輸出為零，即完成零位補(bǔ)償[15]。

圖5 傳感器補(bǔ)償電阻

2.4 信號(hào)調(diào)理板設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理板是連接加速度傳感器與主控電路板的信號(hào)調(diào)理電路，主要完成傳感器信號(hào)放大和濾波。由于A/D轉(zhuǎn)換器只能轉(zhuǎn)換0～3V的模擬電壓信號(hào)，而傳感器輸出的電壓范圍為±50mV，則需對(duì)傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。信號(hào)調(diào)理板的電路原理如圖6所示，VIN+與VIN-直接連接傳感器，在第一級(jí)電路，通過(guò)電阻R7、R8將INA827配置成一個(gè)25倍的信號(hào)放大器，將信號(hào)放大成范圍為±1.25V的模擬信號(hào)；在第二級(jí)電路中，為信號(hào)加上1.25V的電壓偏置，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，采用無(wú)限增益多路反饋二階低通濾波電路[16]，旨在濾去彈體在發(fā)射過(guò)程中因自身頻率響應(yīng)產(chǎn)生的高頻噪聲，最后輸出0～2.5V的模擬電壓信號(hào)完成信號(hào)調(diào)理。

圖6 信號(hào)調(diào)理板的電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

由于大型火炮試驗(yàn)存在復(fù)雜性和危險(xiǎn)性，臨近發(fā)射時(shí)人工無(wú)法近距離干預(yù)記錄儀啟動(dòng)和觸發(fā)，考慮到存儲(chǔ)容量和待機(jī)時(shí)間的限制，在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中應(yīng)著重考慮以下問(wèn)題：1）記錄儀的智能上電和自動(dòng)觸發(fā)等問(wèn)題；2）檢測(cè)到有效數(shù)據(jù)后再進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，避免存儲(chǔ)容量不足的問(wèn)題；3）檢測(cè)到撞靶數(shù)據(jù)后再將其備份到MRAM的問(wèn)題。

3.1 啟動(dòng)設(shè)計(jì)

根據(jù)需求，記錄儀在彈體上安裝至少5h之后才發(fā)射。由于使用鋰電池供電，并且可用體積有限，所以在等待期間記錄儀不能處于高功耗的采集狀態(tài)，為此人工觸發(fā)啟動(dòng)后即進(jìn)入一個(gè)5 h的計(jì)時(shí)過(guò)程，此過(guò)程中，記錄儀處于低功耗的計(jì)時(shí)狀態(tài)。軟件設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

3.2 Flash存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

在經(jīng)過(guò)5 h的計(jì)數(shù)等待之后，記錄儀啟動(dòng)，A/D轉(zhuǎn)換器開始工作，F(xiàn)PGA開始采集數(shù)據(jù)；由于炮彈還未發(fā)射，數(shù)據(jù)都為無(wú)效數(shù)據(jù)，并不會(huì)存儲(chǔ)到Flash中，而是在FPGA內(nèi)部的一個(gè)32KB大小的FIFO中循環(huán)記錄；炮彈發(fā)射時(shí)，沿彈體前進(jìn)方向的加速度傳感器將采集到一個(gè)較強(qiáng)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)消抖處理，若信號(hào)換算為加速度后不小于2000g，則系統(tǒng)判斷炮彈開始加速，將FIFO中已經(jīng)記錄下的炮彈發(fā)射前的32KB數(shù)據(jù)寫入到Flash存儲(chǔ)器中，并繼續(xù)記錄后續(xù)數(shù)據(jù)，直到記錄儀停止工作。

圖7 軟件設(shè)計(jì)流程圖

3.3 MRAM備份存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

當(dāng)記錄儀啟動(dòng)時(shí)，MRAM存儲(chǔ)器開始循環(huán)記錄數(shù)據(jù)，即寫滿后再?gòu)念^寫入，覆蓋之前的數(shù)據(jù)。彈體觸靶時(shí)，沿彈體前進(jìn)方向的加速度傳感器將采集到一個(gè)較強(qiáng)的信號(hào)，經(jīng)過(guò)消抖處理，若信號(hào)換算為加速度后不小于10 000g，則系統(tǒng)判斷炮彈觸靶，此時(shí)容量為512KB的MRAM再記錄256KB數(shù)據(jù)即停止記錄，因此可以將彈體觸靶前后的各256 KB數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，作為備份。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

將記錄儀安裝在某型號(hào)平衡炮底部測(cè)量彈體的加速度。彈體在膛內(nèi)除了受到加速過(guò)載的作用，還受到膛內(nèi)摩擦阻力的作用，從而產(chǎn)生較大的彈體結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)。將實(shí)際測(cè)得的彈體前進(jìn)方向膛內(nèi)過(guò)載數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)1 kHz低通濾波處理，可以更好地分析膛內(nèi)加速過(guò)程，處理后的曲線如圖8所示，由圖可知整個(gè)膛內(nèi)加速過(guò)程約為50ms，過(guò)載峰值約為2700g。

圖8 彈體膛內(nèi)過(guò)載曲線

圖9是實(shí)際測(cè)得彈體前進(jìn)方向的彈體穿靶過(guò)程經(jīng)過(guò)30 kHz低通濾波后的曲線，可以看出，第一個(gè)峰值為彈體觸靶時(shí)的過(guò)載值，約為26 000g，之后的數(shù)據(jù)應(yīng)為彈體四周受到的摩擦阻力過(guò)程。除了軸向的過(guò)載數(shù)據(jù)，記錄儀還成功記錄了炮彈徑向和切向的數(shù)據(jù)。

圖9 彈體觸靶過(guò)載曲線

本記錄儀使用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的加速度傳感器，通過(guò)實(shí)際彈載測(cè)試得到了有效可用的過(guò)載數(shù)據(jù)，功能上已經(jīng)能夠替代使用進(jìn)口傳感器的傳統(tǒng)記錄儀。在本次炮彈發(fā)射試驗(yàn)中，記錄儀有效記錄了全部加速度數(shù)據(jù)，并在回收后能完整地讀出數(shù)據(jù)，這表明經(jīng)過(guò)小型化設(shè)計(jì)的記錄儀受到了有效防護(hù)，能夠在彈上惡劣環(huán)境中存活。最后經(jīng)過(guò)記錄儀內(nèi)部濾波后獲取的波形也得到了較理想的結(jié)果。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的三向過(guò)載記錄儀，使用國(guó)內(nèi)自主研發(fā)的傳感器,能在炮彈發(fā)射過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄彈體3個(gè)方向的過(guò)載數(shù)據(jù)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中使用多層復(fù)合結(jié)構(gòu)以保護(hù)電路，在電路設(shè)計(jì)中使用雙存儲(chǔ)器備份重要數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)彈上記錄儀相比，該儀器具有更小的體積和更高的可靠性，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中成功獲取數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了儀器的抗震性能，為彈道特性的研究提供了有力的數(shù)據(jù)，同時(shí)為國(guó)內(nèi)傳感器的自主研制提供了參考。

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（編輯：商丹丹）

Three-direction projectile overload recorder with small size based on FPGA

MA Youchun1，2， WU Zhengyang1，2， JIANG De1，2， WANG Xiaojuan1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrument Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In the research and development test of projectile，the test of penetration and overload characteristics of projectile is of great significance.In order to obtain the overload curve of projectile in the bore and the whole flight process，a small and high impact resistant overload recorder is designed.The recorder uses FPGA as the main control chip and Flash as the storage medium， and uses MRAM to backup key data to improve reliability.The overload data is obtained by reading back data.The composite structure of high strength steel combined with filled rubber is used to improve the impact resistance of the recorder.In the test of certain type of balance cannon， the recorder is able to bear the high impact of the bore and in the targeting，and records the overload data of three directions of axial，radial and tangential.The measured maximum peak overload value reaches 2.6×104g， indicating that the recorder has a high survival ability in harsh environment of projectile.

data recorder； FPGA； miniaturization； high impact resistance

A

：1674-5124（2017）07-0083-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.016

2016-10-20；

：2016-11-13

馬游春（1977-），男，江蘇鹽城市人，副教授，博士，研究方向?yàn)闇y(cè)試計(jì)量技術(shù)與儀器、電子測(cè)試儀器與系統(tǒng)。