基于單片機的微型存儲式電子測壓器設(shè)計

席海軍，韓 華，張 瑜，馬英卓

（1. 遼寧慶陽特種化工有限公司科研中心，遼陽 111002；2. 遼寧慶陽特種化工有限公司技術(shù)保障部，遼陽 111002； 3. 中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051）

0 引言

膛壓是各類兵器在設(shè)計、研制、生產(chǎn)、驗收中必須測量的一個重要參數(shù)，多年來，測試界為提高膛壓測量精度一直在進行著不懈的努力[1-2]。但是由于膛壓變化較快、壓力很高，且伴隨著高溫和振動，因此在其測試方法上有一定的特殊性[3]。目前廣泛采用的測量方法有2種：一是塑性變形測壓法(銅柱或銅球測壓法)；二是引線電測法。

塑性變形測壓法用專門制作的測壓試件（如銅柱或銅球）在壓力作用下產(chǎn)生的塑性變形量作為壓力值的量度，因此，它只能測出膛壓的最大值，無法了解整個射擊過程中的膛壓變化規(guī)律。引線電測法是通過在藥筒底部安裝壓力傳感器，由電荷放大器和瞬態(tài)記錄儀測試記錄，其特點是準確度高，可獲得膛壓—時間曲線，完整地反映火藥燃燒規(guī)律，但要在炮身或藥筒上打孔安裝傳感器，操作不便，特別是在產(chǎn)品驗收時是不允許打孔的，所以應(yīng)用受到限制[4]。

國內(nèi)1988年研制出內(nèi)置式的電子測壓器，它把傳感器、調(diào)理電路、采集、存儲及數(shù)據(jù)通信集成在一個很小的空間內(nèi)，使用時放在藥筒底部，自動測量射擊時的膛壓變化，事后回收讀取測試數(shù)據(jù)。先后研制了體積為80cm3、60cm3、38cm3的電子測壓器，并在各靶場推廣使用。由于火炮內(nèi)彈道試驗方法中要求測試儀器體積不能超過藥室容積的2.5%，因此上述3種電子測壓器只能用于100mm口徑以上的火炮膛壓測試，而國外的同類產(chǎn)品可以用于50mm以上口徑火炮的膛壓測試。

為了滿足中小口徑火炮膛壓測試需求，趕超國外同類產(chǎn)品的技術(shù)水平，必需研制微小體積的電子測壓器。

1 小體積電子測壓器的實現(xiàn)

1.1 功能要求

膛壓測量的測試環(huán)境十分惡劣，首先測試儀器要能承受高溫、高壓和高加速度[5]，量程要寬，要有良好的頻率響應(yīng)，同時要具有快速綜合處理數(shù)據(jù)的能力[2]。其次，發(fā)射過程是不可復(fù)現(xiàn)的，因此要求測試儀器必須有高可靠性。再次，測試儀器還要根據(jù)試驗勤務(wù)的需要與彈藥一起保溫。

針對膛壓測量的特殊性，采用低功耗、集成度高、微型封裝的元器件，通過存儲測試技術(shù)[6]、低功耗設(shè)計和微型化設(shè)計研制出了體積為22cm3的電子測壓器，其測量范圍可達600MPa，能夠承受瞬時高溫，具有一定的抗沖擊能力。測壓器最高采樣頻率為125kHz，最小觸發(fā)壓力為30MPa，記錄時間為426ms，觸發(fā)壓力、采樣頻率和測量范圍是可編程設(shè)定的?？梢愿鶕?jù)實驗勤務(wù)要求在膛壓測試前隨彈藥一起保低溫-40℃、高溫55℃或常溫48h以上。

1.2 系統(tǒng)組成及工作原理

電子測壓器主要由高強度殼體、傳感器、電路模塊、電池及倒置開關(guān)組成，原理框圖如圖1所示。

圖1 電子測壓器原理框圖

傳感器選用的是瑞士Kistler公司的6215型壓電式壓力傳感器。殼體采用超高強度鋼制造，經(jīng)熱處理達到額定強度，以保護傳感器及電路模塊在高溫高壓環(huán)境下不受損壞。電池選用的是小體積低溫配方的聚合物鋰離子電池，能夠保證電子測壓器在常溫、高溫、低溫3種溫度環(huán)境下正常工作。

電路模塊是電子測壓器的核心部件，由電荷放大器、瞬態(tài)波形記錄儀及紅外接口、電源控制器等組成。瞬態(tài)波形記錄儀主要由運算放大器、12位的AD轉(zhuǎn)換器、RAM/Flash存儲器及邏輯控制電路組成，如圖2所示。

圖2 瞬態(tài)波形記錄儀的原理框圖

為了減小電路的體積，瞬態(tài)波形記錄儀沒有用分立元件設(shè)計，而是采用了TI公司的高集成度、超低功耗的MSP430系列單片機，型號是MSP430FG4618。此單片機集成了豐富的片內(nèi)外圍模塊，包括：看門狗(WDT)、模擬比較器A、定時器A(Timer-A)、定時器B(Timer-B)、支持紅外傳輸模式的串口0、1(UART0、1)、有8個外部輸入通道的12位ADC、12位的DAC、端口1～10、基本定時器(Basic Timer)等[7]。此單片機的電源電壓是1.8～3.6V,有4種低功耗模式,可以根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)采用不同的工作模式，所有的外圍模塊都可以通過相應(yīng)的寄存器進行控制，通過合理的寄存器設(shè)置來降低系統(tǒng)功耗。此單片機體積是7mm×7mm×1mm，球柵陣列封裝（BGA）。

瞬態(tài)波形記錄儀充分利用了單片機的片內(nèi)資源，如圖2所示。用運放把電荷放大器的輸出電壓進行放大；利用12位的ADC實現(xiàn)信號的采集和轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換出來的數(shù)字信號通過DMA控制器傳輸?shù)絉AM或Flash存儲器中。系統(tǒng)觸發(fā)前數(shù)據(jù)存儲到RAM，觸發(fā)后存儲到Flash；存儲器中的數(shù)據(jù)通過支持紅外通信的串口輸出給紅外收發(fā)器，再通過讀數(shù)接口讀入到計算機中；比較器實現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)觸發(fā)；定時器TB用來控制LED燈指示系統(tǒng)的工作狀態(tài)；通過編程數(shù)據(jù)控制定時器TA改變系統(tǒng)的采樣頻率，通過編程數(shù)據(jù)控制運放的放大倍數(shù)改變系統(tǒng)的測試量程，通過編程數(shù)據(jù)控制DAC改變系統(tǒng)的觸發(fā)電平。

系統(tǒng)的工作狀態(tài)如圖3所示。工作過程如下：系統(tǒng)接通電源后初始化，在此狀態(tài)下可以對系統(tǒng)編程或讀取上次的測試數(shù)據(jù)。然后隨彈藥一起保溫，保溫時間最長可達72 h，保溫時電子測壓器一直是微功耗的。在射擊試驗前，將彈藥倒置，利用倒置開關(guān)使電子測壓器從微功耗態(tài)進入到等待觸發(fā)態(tài)，在此狀態(tài)下，電子測壓器循環(huán)采樣并把數(shù)據(jù)存儲到RAM存儲器，此時所采集的是無壓力信號時的數(shù)據(jù)，作為偏置電平記錄下來；當彈丸射擊時，電子測壓器不斷采集記錄膛壓信號，一旦信號電壓達到設(shè)定的觸發(fā)電平便進入觸發(fā)態(tài)，繼續(xù)采集并把數(shù)據(jù)存儲到Flash存儲器；當存儲器地址寫滿后停止采樣。射擊結(jié)束后回收電子測壓器，通過讀數(shù)接口和專用測試軟件將存儲器內(nèi)的測試數(shù)據(jù)讀出，在計算機內(nèi)做后續(xù)數(shù)據(jù)處理。

圖3 系統(tǒng)工作狀態(tài)圖

2 系統(tǒng)微型化設(shè)計

系統(tǒng)必須具有微小的體積,主要從4個方面對系統(tǒng)進行了微型化設(shè)計：

（1）電路模塊。全部采用低功耗、集成度高、微型封裝的元器件，采用多層布線技術(shù)設(shè)計了超薄多層印制電路板，用特殊的電子裝接技術(shù)完成電路的裝接，再用特殊的工藝灌封。電路模塊中選用集成度高、低功耗的MSP430系列單片機，極大地減少了分立元件的使用，電路模塊的體積是0.56 cm3[5]。

（2）電池。選擇容量大體積小的可充電的聚合物鋰離子電池，電池體積是4mm×4.5mm×20mm，常溫和高溫環(huán)境下的容量是45mAh,低溫環(huán)境下容量是30mAh，保證系統(tǒng)在常溫、高溫、低溫3種溫度環(huán)境下正常工作。

（3）傳感器。Kistler公司的6215型壓電式壓力傳感器性能優(yōu)越，但體積較大。因此委托Kistler公司重新設(shè)計了壓力傳感器結(jié)構(gòu)，使其體積更小。

（4）外形結(jié)構(gòu)。針對系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境，設(shè)計合適的結(jié)構(gòu)形狀，選用優(yōu)質(zhì)材料，在滿足強度的要求下使體積最小。微型電子測壓器的外形結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，對在600MPa壓力下殼體的受力以及位移情況進行了仿真，仿真結(jié)果如圖5所示。通過圖5可以看出測壓器殼體單位面積的受力情況是在前端蓋所開的傳感器孔及另外兩個孔的受力最大，大致為1.3×109N/m2,其余大部分的受力則遠小于這個值。殼體材料為高強度的馬氏體時效鋼，可以承受高達2000MPa以上的屈服強度，殼體各部分承受的應(yīng)力在其屈服極限以內(nèi)。在單位面積受力最大的地方，其位移僅為0.1mm，對整個殼體影響幾乎可以忽略。因此，殼體結(jié)構(gòu)可以滿足系統(tǒng)的需要。

圖4 微型電子測壓器三維效果圖

圖5 600 MPa壓力下殼體受力仿真

3 系統(tǒng)低功耗設(shè)計

系統(tǒng)采用電池供電，電池容量有限，因此必須進行低功耗設(shè)計，以滿足試驗勤務(wù)的彈丸保溫要求。除選用低功耗器件外，在時序設(shè)計中盡可能縮短大功耗器件的片選時間，使它們只在有限的時間中選中。此外，通過電源控制技術(shù)使用定時或自適應(yīng)等手段減小系統(tǒng)功耗[8]。電源控制技術(shù)的實現(xiàn)一方面靠的是電路系統(tǒng)的設(shè)計，另一方面靠倒置開關(guān)實現(xiàn)。

倒置開關(guān)的作用就是控制電子測壓器的上電（從微功耗態(tài)到等待觸發(fā)態(tài)）。電子測壓器可隨彈藥一起保溫，保溫時電子測壓器處于微功耗狀態(tài)，保溫時彈藥平放或彈丸前端朝上放置。保溫結(jié)束，在射擊試驗前5-10 min，把彈藥按非常規(guī)姿態(tài)（彈丸的前端朝下）倒置半分鐘以上，通過倒置開關(guān)和電源控制器使電子測壓器上電。在彈藥存放時不會處于非常規(guī)姿態(tài)，彈藥在運輸顛簸時不會長時間處于非常規(guī)姿態(tài)，電子測壓器的控制模塊有電子自動識別電路，倒置開關(guān)沒有連續(xù)倒置30 s以上不予上電，因此不會發(fā)生誤上電的情況。

在保溫時系統(tǒng)功耗是0.05mA，等待觸發(fā)態(tài)的功耗是4.6mA，等待讀數(shù)態(tài)的功耗是0.3mA。

4 靶場實測

設(shè)計的微型電子測壓器在某靶場某型火炮上進行了實測實驗，獲得了大量膛壓數(shù)據(jù)。圖5是電子測壓器的實測膛壓曲線。電子測壓器所測的數(shù)據(jù)能夠真實地反映膛壓的變化規(guī)律，從測試曲線中可以看出壓力信號的上升時間、峰值壓力值和壓力信號脈寬等信息。圖5中壓力脈寬11 ms，上升時間2.1 ms，峰值壓力414 MPa。準確可靠的膛壓測試數(shù)據(jù)是評定火炮、裝藥結(jié)構(gòu)、彈丸的彈道性能好壞的重要依據(jù)。

圖5 125 mm榴彈炮膛壓曲線 峰值壓力414 MPa

5 結(jié)束語

采用低功耗技術(shù)和微型化技術(shù)實現(xiàn)了能夠隨彈藥一起保溫的微型電子測壓器，該儀器體積小、無引出線、使用方便、測試精度高、可靠性高、可重復(fù)使用，能夠滿足57 mm以上口徑身管武器的膛壓測試，為膛壓測試提供了測試手段，測試數(shù)據(jù)為兵器的研制和生產(chǎn)驗收提供了重要依據(jù)，在靶場試驗中推廣使用必能取得良好的社會和經(jīng)濟效益。

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[4]劉飛,徐鵬,張紅艷.電容式測壓器的課題設(shè)計與仿真[J].彈箭與制導(dǎo)學報,2011,31(6):193-97.

[5]王卿,祖靜,張瑜.基于數(shù)據(jù)融合的微型電子測壓器動態(tài)校準方法[J].火炮發(fā)射與控制學報,2010(4):51-54.

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[7]沈建華,楊艷琴,翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學出版社,2004:1-10.

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