沖擊波超壓存儲測試中無線可編程技術(shù)研究

楊佩宗　暢麗紅

摘要：沖擊波超壓值和持續(xù)時(shí)間隨測試半徑的變化而顯著變化，且測試現(xiàn)場的測試節(jié)點(diǎn)多、分散性大、難以集中管理。另外，測試時(shí)，一旦設(shè)定好測試節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，現(xiàn)場就難以更改，即存儲測試系統(tǒng)的可控性和靈活性較差。基于以上兩點(diǎn)，提出一種用于沖擊波超壓測試的無線可編程存儲測試技術(shù)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)存儲測試電路及智能無線測試節(jié)點(diǎn)；開發(fā)基于LabVIEW平臺的上位機(jī)軟件；通過WLAN無線網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)來靈活設(shè)置測試節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)，并對測試節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，從而完成沖擊波超壓測試。將此無線可編程技術(shù)應(yīng)用到彈藥爆炸的靜爆試驗(yàn)中，所得30m處超壓值分別為60，90，120，150m處超壓值的1/10、1/19.7、1/30和1/50，超壓值隨測試半徑變化顯著，通過靈活設(shè)置放大倍數(shù)，大大提高現(xiàn)場測試的穩(wěn)定性和靈活性。

關(guān)鍵詞：沖擊波超壓；測試節(jié)點(diǎn)；WIAN；存儲測試系統(tǒng)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-5124（2018）02-0088-05

0引言

進(jìn)行沖擊波超壓測試時(shí)，目前國內(nèi)外研究人員所采用的測試方法大致分為有線電測法和存儲測試法兩種。采用有線式電測法進(jìn)行測試時(shí)，不僅布線耗時(shí)費(fèi)力，而且傳感器電纜存在阻抗，很容易造成信號衰減和幅值相位的失真，從而嚴(yán)重影響測試精度，所以，現(xiàn)在多采用存儲式測試法。存儲式測試法是一種將傳感器與數(shù)據(jù)采集存儲儀集成于一體對沖擊波超壓進(jìn)行測試的方法。其測試系統(tǒng)不僅體積微小，而且具有很高的抗沖擊能力，可有效避免有線式電測法的弊端。然而，這種方法無法對多個(gè)測試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。據(jù)Henrych J經(jīng)驗(yàn)分析可知：在多點(diǎn)測試的爆炸場環(huán)境中，彈藥當(dāng)量和測試半徑對沖擊波超壓值和持續(xù)時(shí)間的影響很大（本文只討論測試半徑對超壓值和持續(xù)時(shí)間的影響）。因此，傳統(tǒng)測試系統(tǒng)中固定的參數(shù)設(shè)置已不能滿足多點(diǎn)測試的需求。為此，本文將WLAN技術(shù)與存儲測試原理相結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了參數(shù)可編程的無線存儲式測試系統(tǒng)，將其用于測點(diǎn)多、分散性大且難以集中管理的沖擊波超壓值測試中。由于此技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以使測試人員在安全的掩體內(nèi)通過無線網(wǎng)絡(luò)對測試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靈活的參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測，這就大大提高了現(xiàn)場測試的可靠性和靈活性。

1參數(shù)可編程理論基礎(chǔ)

沖擊波是評價(jià)武器殺傷力的重要媒介。通過測試不同半徑下沖擊波的超壓峰值、持續(xù)時(shí)間、傳播速度及衰減規(guī)律就可以對武器系統(tǒng)的殺傷力進(jìn)行評價(jià)。據(jù)Henrych J經(jīng)驗(yàn)公式，對不同測試半徑和彈藥當(dāng)量下的沖擊波超壓值和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行理論分析，結(jié)果列于表1中。

由表可知：1）在彈藥當(dāng)量相同的情況下，當(dāng)測試半徑相差3倍時(shí)，沖擊波超壓峰值會增加10倍左右；2）當(dāng)彈藥當(dāng)量相同、測試半徑不同時(shí)，沖擊波超壓持續(xù)時(shí)間差別會很大。

在實(shí)際工程測試中，為了獲取更高的測試精度，通常將量程范圍的1/3～2/3作為信號讀取的最可靠范圍。由于傳感器的量程范圍一定，因此測試系統(tǒng)中電路的增益可以根據(jù)測試半徑和彈藥當(dāng)量的大小來合理地設(shè)置，進(jìn)而提高測試的準(zhǔn)確度和靈活性。

2存儲測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的無線可編程存儲式測試系統(tǒng)主要由無線測試節(jié)點(diǎn)、無線接入點(diǎn)和主控制端組成，如圖1所示。

圖中，多個(gè)無線測試節(jié)點(diǎn)與無線接人點(diǎn)組成了無線局域網(wǎng)絡(luò)。通過無線局域網(wǎng)絡(luò)，主控端不僅可以對各個(gè)測試節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，還可以對各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。無線網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)下達(dá)主控端的指令并進(jìn)行數(shù)據(jù)回收。

試驗(yàn)時(shí)，需按照測點(diǎn)分布圖將無線測試節(jié)點(diǎn)分別布設(shè)在爆心周圍以完成沖擊波超壓測試工作。此測試系統(tǒng)中，測試節(jié)點(diǎn)上還設(shè)有USB接口，是為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：當(dāng)無線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過USB來獲取沖擊波的數(shù)據(jù)，從而確保數(shù)據(jù)不丟失。

具有無線傳輸功能的測試節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的核心。其主要包括電源管理模塊、傳感器、適配電路、濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲電路、FPGA控制電路、USB接口、充電接口、無線傳輸模塊及天線等部分，如圖2所示。

圖中，測試節(jié)點(diǎn)的工作流程如下：1）給系統(tǒng)上電，通過USB接口或無線局域網(wǎng)對測試節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如對節(jié)點(diǎn)的定時(shí)時(shí)長、采樣頻率、增益放大倍數(shù)、觸發(fā)電平等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。2）參數(shù)設(shè)定后，系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)處于低功耗工作模式。3）定時(shí)結(jié)束后，系統(tǒng)自動啟動數(shù)據(jù)采集模塊，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入全速工作模式，并開始循環(huán)采樣，處于待觸發(fā)狀態(tài)。4）當(dāng)壓力信號發(fā)生時(shí)，傳感器就將采集到的壓力信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，然后對該信號進(jìn)行調(diào)理，再經(jīng)A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號與觸發(fā)電平相比較，此時(shí)節(jié)點(diǎn)處于觸發(fā)判斷狀態(tài)。5）觸發(fā)后，系統(tǒng)便將有效數(shù)據(jù)按順序?qū)懭氪鎯ζ髦小．?dāng)存儲結(jié)束后，采集模塊自動關(guān)閉，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)。6）打開無線模塊或接上USB，就可通過上位機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。讀取完數(shù)據(jù)后，重新上電即可進(jìn)行下次試驗(yàn)。

3無線模塊的實(shí)現(xiàn)

本文采用韓國Wiznet公司生產(chǎn)的串口傳輸型模塊實(shí)現(xiàn)無線傳輸，該模塊支持IEEE802.11b/g規(guī)范，集成了TCP/IP協(xié)議棧和WLAN網(wǎng)絡(luò)通信驅(qū)動。該模塊具有4個(gè)顯著的特點(diǎn)：1）支持IIC、UART、USB和SPI接口；2）內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，既可設(shè)為客服端模式，也可設(shè)為服務(wù)端模式；3）內(nèi)置了加密協(xié)議，可以保證數(shù)據(jù)的安全傳輸；4）體積小、功耗低、串口發(fā)送協(xié)議簡單，操作方便，管腳占用率少。

在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)時(shí)，本文選用UART傳輸方式。所設(shè)計(jì)無線模塊與FPGA的硬件連接關(guān)系如圖3所示。

圖中，CTS和RTS實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)流的控制，可防止數(shù)據(jù)傳輸引起的擁堵。TX和RX分別為數(shù)據(jù)發(fā)送信號和數(shù)據(jù)接收信號。

WLAN網(wǎng)絡(luò)搭建好后，測試節(jié)點(diǎn)鏈接到該無線網(wǎng)絡(luò)，并通過主控端發(fā)送指令給AP，然后再通過此無線網(wǎng)絡(luò)將指令下達(dá)給各個(gè)測試節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)收到指令后就可根據(jù)已設(shè)定好的程序來執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。這里需要指出的是，無線模塊在使用前需要對其工作參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的配置，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

4上位機(jī)參數(shù)可編程功能的實(shí)現(xiàn)

節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置主要通過上位機(jī)和無線傳輸模塊來完成。上位機(jī)軟件是整個(gè)測試系統(tǒng)的控制管理中心，一切指令的傳達(dá)都是通過上位機(jī)來完成。本設(shè)計(jì)中，上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對測試節(jié)點(diǎn)定時(shí)時(shí)長、采樣頻率、數(shù)據(jù)長度及負(fù)延時(shí)長度等參數(shù)的設(shè)定，具體如圖4所示。

本設(shè)計(jì)中，上述功能均在LabVIEW平臺上實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)界面如圖5所示。

由于LabVIEW內(nèi)部集成了大量的數(shù)據(jù)處理工具包，不僅可以大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間，還能進(jìn)行很好的人機(jī)交互。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，整個(gè)程序采用事件結(jié)構(gòu)來編寫，即一個(gè)事件執(zhí)行一個(gè)對應(yīng)的功能。

5現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證無線可編程存儲測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在試驗(yàn)現(xiàn)場按30°、60°、150°3個(gè)徑向方向?qū)y試節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行布置，如圖6所示。

圖中，在30°徑向方向分別放置了1#，2#，3#，4#，5#5個(gè)測試節(jié)點(diǎn)；在60°徑向方向布置了6#測試節(jié)點(diǎn)；在150°徑向方向布置了3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為7#，8#，9#測試節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)所在測試半徑間隔為30m。測試前，根據(jù)不同當(dāng)量彈藥和測試半徑通過無線方式對測試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如表3所示。

設(shè)置好各測試節(jié)點(diǎn)的參數(shù)并將其安置在各自對應(yīng)的測試位置后，進(jìn)行現(xiàn)場爆炸試驗(yàn)，測試結(jié)果列于表4中。

由表4可知：當(dāng)測試半徑為30m時(shí)，超壓持續(xù)時(shí)間為2.681ms。當(dāng)測試半徑分別為60，90，120，150m時(shí)，超壓峰值分別為175.28，88.983，57.599，35.147kPa，而持續(xù)時(shí)間分別為37.650，46.181，56.374，57.603ms；超壓值分別為30m處超壓值的1/10、1/19.7、1/30和1/50，持續(xù)時(shí)間為30m處的14倍、17倍、21倍和21.5倍。沖擊波超壓值隨著測試半徑的增加而依次減小、且持續(xù)時(shí)間會增長，沖量也隨之減小。另外，超壓值和持續(xù)時(shí)間會隨測試半徑的增加而變化顯著。

圖7和圖8分別為4#、8#和5#、9#測試節(jié)點(diǎn)的超壓值曲線?？梢钥闯?，當(dāng)測試半徑相同、但測試場地不平坦時(shí)，沖擊波超壓值也會相差很大。

所以，在沖擊波超壓值的測試中，測試人員應(yīng)根據(jù)彈藥當(dāng)量和測試半徑利用無線網(wǎng)絡(luò)來對測試節(jié)點(diǎn)的增益進(jìn)行合理地設(shè)置，這樣才既可以提高測試的靈活性，還可以提高測試的準(zhǔn)確度。

6結(jié)束語

與傳統(tǒng)的存儲測試系統(tǒng)相比，本文采用WLAN技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的無線存儲式測試系統(tǒng)。在減少系統(tǒng)誤差以及提高系統(tǒng)的靈活性方面，參數(shù)可編程無線存儲測試技術(shù)在多點(diǎn)測試中起了很大的作用，充分體現(xiàn)了其現(xiàn)場測試的靈活性。此外，WLAN技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了測試效率及測試人員的安全性，同時(shí)也為彈藥毀傷效能的評價(jià)提供了有力的支撐。在沖擊波超壓現(xiàn)場試驗(yàn)中的測試結(jié)果表明，本文所研究的無線可編程存儲式測試系統(tǒng)具有很好的靈活性和穩(wěn)定性，實(shí)用性很強(qiáng)。