遠(yuǎn)程同步高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)

許吉斌，展勇忠，冉玉忠

(湖南云箭集團(tuán)公司研發(fā)中心，湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

在彈藥的研制過(guò)程中，需要進(jìn)行大量的試驗(yàn)，獲取其作用過(guò)程的動(dòng)態(tài)參數(shù)及影像資料，從而為其功能、性能的評(píng)判提供依據(jù)，為其下一步的改進(jìn)提供數(shù)據(jù)支撐；這些信息和參數(shù)的采集主要依靠各類高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備完成。高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要用于采集和記錄短時(shí)間內(nèi)的瞬變信息，一般具有負(fù)延時(shí)功能，可通過(guò)軟件設(shè)置負(fù)延時(shí)時(shí)間。由于其存儲(chǔ)時(shí)間較短，因此需采用外部信號(hào)對(duì)其進(jìn)行觸發(fā)并實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集記錄。

目前主流的高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備觸發(fā)控制方式主要包括人工有線觸發(fā)法、引線電測(cè)法和存儲(chǔ)測(cè)試法等[1]。人工有線觸發(fā)法常見(jiàn)于小當(dāng)量彈藥的靜態(tài)爆破試驗(yàn)高速數(shù)據(jù)采集中，操作人員直接通過(guò)與高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連的控制器對(duì)其進(jìn)行觸發(fā)，該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，觸發(fā)可靠性較高，但對(duì)控制距離有較大限制，無(wú)法滿足彈藥試驗(yàn)安全距離要求[2-3]。引線電測(cè)法是將傳感器布置在參試彈藥周圍，利用電纜將其與高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，通過(guò)傳感器感知彈藥作用的特征參數(shù)從而實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備的觸發(fā)，該方法可實(shí)時(shí)監(jiān)控參試彈藥的試驗(yàn)情況，但由于彈藥試驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜，使用該方法極易造成誤觸發(fā)，且采集到的數(shù)據(jù)干擾噪聲較大[4-5]。存儲(chǔ)測(cè)試法是將傳感器集成于高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備上，通過(guò)事后回收的方式獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，該方法能有效消除布設(shè)電纜引入的噪聲，提高測(cè)試數(shù)據(jù)信噪比，卻依然不能改變傳感器門限值設(shè)置要求較高，在復(fù)雜環(huán)境下易誤觸發(fā)的問(wèn)題[6-10]。上述主流的觸發(fā)控制方式都存在自身局限性，一般不具備多設(shè)備同步觸發(fā)的功能，對(duì)數(shù)據(jù)的分析帶來(lái)了困難。

彈藥試驗(yàn)具有試驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜，試驗(yàn)過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)較大和多高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備協(xié)同試驗(yàn)數(shù)據(jù)同步性要求較高等特征。因此，本文在不改變現(xiàn)有高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備的前提下，提出了將遠(yuǎn)程無(wú)線控制和同步有線觸發(fā)相結(jié)合的遠(yuǎn)程同步高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作模式

1.1 系統(tǒng)組成

當(dāng)進(jìn)行彈藥靶試試驗(yàn)或戰(zhàn)斗部靜態(tài)、動(dòng)態(tài)爆破試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)存在較大風(fēng)險(xiǎn)，整個(gè)過(guò)程中操作人員需撤離到距待測(cè)點(diǎn)數(shù)公里外的安全區(qū)域，無(wú)法近距離的對(duì)數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行操作。因此本文提出將遠(yuǎn)程同步高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)劃分為三個(gè)部分，分別為遠(yuǎn)程遙控設(shè)備、遙控觸發(fā)設(shè)備和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備。其組成框圖如圖1所示。

其中遠(yuǎn)程遙控設(shè)備由控制面板、電源模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、信號(hào)處理模塊、發(fā)射及接收天線等組成，主要完成測(cè)試和控制指令的發(fā)送及反饋的接收和指示。

遙控觸發(fā)設(shè)備由電源模塊、接收模塊、發(fā)射模塊、信號(hào)處理模塊、發(fā)射及接收天線等組成，主要完成測(cè)試和控制指令的接收、判決，高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備觸發(fā)電平信號(hào)的產(chǎn)生、發(fā)送，以及測(cè)試和控制反饋信號(hào)的發(fā)送。

高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括高速圖像采集設(shè)備、沖擊波測(cè)試設(shè)備等，主要實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。

1.2 系統(tǒng)工作模式

由于本系統(tǒng)采用無(wú)線通信的方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程同步觸發(fā)，因此其通信信道是否受到干擾直接影響遠(yuǎn)程控制的成功與否。當(dāng)操作人員撤離彈藥試驗(yàn)場(chǎng)地后，遙控觸發(fā)設(shè)備處于無(wú)人值守狀態(tài)，此時(shí)，為了在防止誤觸發(fā)的前提下對(duì)通信信道進(jìn)行測(cè)試，確定遠(yuǎn)程遙控設(shè)備和遙控觸發(fā)設(shè)備的通信功能是否正常，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了測(cè)試和控制兩種工作模式。兩種工作模式存在以下兩方面區(qū)別：

1)按鈕及指示燈不同

為了使操作人員能直觀的通過(guò)控制面板對(duì)系統(tǒng)的工作模式及工作情況進(jìn)行操作和觀察，本系統(tǒng)分別針對(duì)測(cè)試工作模式和控制工作模式設(shè)置了按鈕和指示燈。

2)工作流程不同

當(dāng)遠(yuǎn)程控制設(shè)備中的測(cè)試或控制按鈕被按下時(shí)，設(shè)備生成相應(yīng)的指令并對(duì)其進(jìn)行編碼、調(diào)制、上變頻、功率放大和濾波輸出。遙控觸發(fā)設(shè)備對(duì)接收到的指令進(jìn)行下變頻、解調(diào)、解包、判決；若判定系統(tǒng)工作在測(cè)試模式時(shí)，遙控觸發(fā)設(shè)備直接向遠(yuǎn)程遙控設(shè)備發(fā)出測(cè)試反饋；若判定系統(tǒng)工作在控制模式時(shí)，遙控觸發(fā)設(shè)備同步輸出多路觸發(fā)電平信號(hào)，對(duì)多個(gè)高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行同步觸發(fā)，之后向遠(yuǎn)程控制設(shè)備發(fā)送控制反饋信號(hào)。

通過(guò)兩種工作模式的切換和配合，使得操作人員可以在彈藥試驗(yàn)場(chǎng)地?zé)o人值守的情況下，確定系統(tǒng)無(wú)線信道的狀況。

2 高可靠性遠(yuǎn)程同步無(wú)線控制

由于彈藥試驗(yàn)環(huán)境較為復(fù)雜，試驗(yàn)過(guò)程中存在大量噪聲信號(hào)，且當(dāng)多個(gè)高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備協(xié)同工作時(shí)，需要有統(tǒng)一的時(shí)統(tǒng)，供時(shí)序分析時(shí)使用，因此本文提出通過(guò)指令/反饋信號(hào)有效性判決提高觸發(fā)的可靠性，同時(shí)選用MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件設(shè)計(jì)同步觸發(fā)電路，利用其高開(kāi)關(guān)速率的特性，保證多路開(kāi)關(guān)量觸發(fā)信號(hào)的同步性。

2.1 指令/反饋信號(hào)有效性判決

遠(yuǎn)程遙控設(shè)備與遙控觸發(fā)設(shè)備之間的通信采用PCM/FM傳輸體制，且要求其滿足“指令/反饋通信協(xié)議”的要求，該通信協(xié)議主要用于規(guī)定指令和相應(yīng)反饋信號(hào)的格式、通信頻點(diǎn)等。它包含指令協(xié)議和反饋信號(hào)協(xié)議兩部分。

指令協(xié)議：工作頻點(diǎn)為1 750 MHz，測(cè)試/控制指令滿足指令格式，指令長(zhǎng)度為8 Byte，格式如表1。

表1 指令格式Tab.1 The instruction format

反饋信號(hào)協(xié)議：工作頻點(diǎn)為1 770 MHz，測(cè)試/控制反饋信號(hào)滿足反饋信號(hào)格式，反饋信號(hào)長(zhǎng)度為8 Byte，格式如表2。

表2 反饋信號(hào)格式Tab.2 The feedback signal format

當(dāng)遠(yuǎn)程遙控設(shè)備和遙控觸發(fā)設(shè)備接收到信號(hào)之后，先根據(jù)指令/反饋通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分包處理，提取出有效的指令或反饋信號(hào)，再對(duì)指令或反饋信號(hào)進(jìn)行 “收五判三”判決，即當(dāng)連續(xù)收到五包指令或反饋后，對(duì)其進(jìn)行判決，若同一指令或反饋數(shù)量大于三包，則認(rèn)為指令或反饋信號(hào)有效。采用該方式對(duì)指令和反饋進(jìn)行編碼和判決，可以極大地降低信號(hào)傳輸過(guò)程中產(chǎn)生誤碼導(dǎo)致的誤觸發(fā)。

2.2 同步觸發(fā)電路

在同步觸發(fā)電路中，開(kāi)關(guān)量信號(hào)輸出的同步性直接由開(kāi)關(guān)器件的選擇決定。相較于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，MOSFET的漏極電流由柵極電壓控制，它不但具有驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)功率小的特點(diǎn)，還是當(dāng)前開(kāi)關(guān)速率最高的電子開(kāi)關(guān)器件。

針對(duì)同步觸發(fā)要求，本系統(tǒng)采用MOSFET作為電子開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)量控制電路，電路圖如圖2所示。

當(dāng)遙控觸發(fā)設(shè)備收到有效控制指令后，信號(hào)處理模塊FPGA的IO口輸出高電平控制三極管導(dǎo)通，使三極管的集電級(jí)與地導(dǎo)通，控制IRLML6401型PMOS管的柵極為低電平，PMOS管的柵極與源極有負(fù)向電壓且大于其門限電壓，此時(shí)PMOS管源極、漏極導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)5 V觸發(fā)電平輸出。

圖2 開(kāi)關(guān)量控制電路Fig.2 The digital control circuit

通過(guò)該電路，可以將每一路觸發(fā)信號(hào)的上升沿或下降沿輸出時(shí)間控制在30 ns左右，其理論同步延時(shí)為納秒級(jí)。保證了觸發(fā)的同步性，為多高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備協(xié)同工作時(shí)的數(shù)據(jù)時(shí)序分析提供了可靠的時(shí)統(tǒng)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

該遠(yuǎn)程同步高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)可應(yīng)用于各類的彈藥靶試試驗(yàn)和戰(zhàn)斗部靜態(tài)、動(dòng)態(tài)爆破試驗(yàn)中。

3.1 驗(yàn)證試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)是否適應(yīng)彈藥試驗(yàn)場(chǎng)景，本文以某彈藥為試驗(yàn)對(duì)象，利用本系統(tǒng)控制多個(gè)高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備對(duì)其靜爆數(shù)據(jù)進(jìn)行同步采集。參試高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括高速圖像采集設(shè)備1臺(tái)，沖擊波信號(hào)采集設(shè)備8臺(tái)。

試驗(yàn)過(guò)程如下：

步驟一 系統(tǒng)架設(shè)及調(diào)試。將沖擊波信號(hào)采集設(shè)備沿兩條直線相互垂直布置于爆心徑向方向，距爆心分別7 m，12 m，30 m及45 m，將高速圖像采集設(shè)備及遙控觸發(fā)設(shè)備布置在距離爆心200 m處掩體后，分別用電纜將各高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備與遙控觸發(fā)設(shè)備相連，各高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備負(fù)延時(shí)時(shí)間設(shè)置為1 s。遠(yuǎn)程遙控設(shè)備布置于安全區(qū)域內(nèi)(位置距離爆心3 km外)，其布站示意圖如圖3所示。

步驟二 操作人員撤離到安全區(qū)域。

步驟三 通信信道測(cè)試。操作人員按下測(cè)試按鈕對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試；遠(yuǎn)程遙控設(shè)備點(diǎn)亮“測(cè)試指令指示燈”，同時(shí)生成并發(fā)出測(cè)試指令；遙控觸發(fā)設(shè)備接收測(cè)試指令并對(duì)其進(jìn)行判決，若判定為測(cè)試指令，則生成并發(fā)出測(cè)試反饋信號(hào)；遠(yuǎn)程遙控設(shè)備接收測(cè)試反饋信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行判決，若確認(rèn)為測(cè)試反饋信號(hào)，則點(diǎn)亮“測(cè)試反饋信號(hào)燈”。

圖3 布站示意圖Fig.3 The station placement

步驟四 高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備遠(yuǎn)程同步觸發(fā)控制。操作人員通過(guò)光測(cè)等手段對(duì)彈藥作用情況進(jìn)行觀察，若戰(zhàn)斗部爆破，則按下控制按鈕；遠(yuǎn)程遙控設(shè)備點(diǎn)亮“控制指令指示燈”，同時(shí)生成并發(fā)出控制指令；遙控觸發(fā)設(shè)備接收控制指令并對(duì)其進(jìn)行判決，若判定為控制指令，則控制輸出多路開(kāi)關(guān)量信號(hào)同步觸發(fā)高速圖像采集設(shè)備和沖擊波信號(hào)采集設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，生成并發(fā)出控制反饋信號(hào)；遠(yuǎn)程遙控設(shè)備接收控制反饋信號(hào)并對(duì)其進(jìn)行判決，若確認(rèn)為控制反饋信號(hào)，則點(diǎn)亮“控制反饋信號(hào)燈”。

步驟五 判斷觸發(fā)控制結(jié)果。若操作人員觀察到 “控制反饋信號(hào)燈”點(diǎn)亮，則認(rèn)為遠(yuǎn)程同步觸發(fā)成功。

步驟六 試驗(yàn)數(shù)據(jù)回收與分析。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)各高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備進(jìn)行回收、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)分析。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)各設(shè)備所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可知各高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備均正常同步觸發(fā)。其中高速圖像采集設(shè)備采集到的戰(zhàn)斗部作用時(shí)間零點(diǎn)為同步觸發(fā)后285.5 ms，沖擊波信號(hào)采集設(shè)備沖擊波到達(dá)時(shí)刻、超壓峰值與排列位置的關(guān)系如表3所示。

表3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)Tab.3 Experimental data statistics

各沖擊波信號(hào)采集設(shè)備的測(cè)得的沖擊波曲線如圖4所示。

圖4 沖擊波曲線Fig.4 The shock wave

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，距爆心相同距離的沖擊波數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的正壓時(shí)間差距均小于1 ms，說(shuō)明系統(tǒng)具有較好的同步觸發(fā)能力。系統(tǒng)中各高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備均未出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象，采集到的圖像及沖擊波信號(hào)時(shí)序均與預(yù)計(jì)結(jié)果相符。

4 結(jié)論

本文提出了一種遠(yuǎn)程同步高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用遠(yuǎn)程同步無(wú)線控制機(jī)制，通過(guò)指令/反饋信號(hào)有效性判決提高信號(hào)的可靠性，同時(shí)選用MOSFET作為開(kāi)關(guān)器件設(shè)計(jì)同步觸發(fā)電路，保證多路開(kāi)關(guān)量觸發(fā)信號(hào)的同步性。試驗(yàn)表明，該系統(tǒng)同步觸發(fā)精度小于1 ms，多次試驗(yàn)中未出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象，可實(shí)現(xiàn)對(duì)彈藥試驗(yàn)數(shù)據(jù)的多設(shè)備高可靠性遠(yuǎn)程同步觸發(fā)采集。