可回收彈載記錄儀系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 彪，李永紅，岳鳳英，王恩懷

（1.中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西太原 030051；2.中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，山西太原 030051；3.山西科泰航天防務(wù)技術(shù)股份有限公司北京分公司，北京 100085）

彈載記錄儀作為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制中必需的測(cè)試設(shè)備之一，其主要作用是采集、存儲(chǔ)和復(fù)現(xiàn)導(dǎo)彈各部件在發(fā)射和飛行過(guò)程中的各種信息參數(shù)[1]，為后續(xù)工作的開(kāi)展提供依據(jù)。

隨著武器系統(tǒng)的不斷升級(jí)，針對(duì)導(dǎo)彈的測(cè)試環(huán)境、測(cè)試要素和測(cè)試數(shù)據(jù)的回讀分析提出了越來(lái)越多的要求。而傳統(tǒng)的記錄儀往往會(huì)因?yàn)楣拇蟆⒋鎯?chǔ)小、采集通道少等問(wèn)題無(wú)法滿足武器研制周期中多次測(cè)量的要求[2-6]。又由于彈體工作環(huán)境惡劣、沖擊強(qiáng)等特點(diǎn)，彈載記錄儀還經(jīng)常暴露出回收成功率低的問(wèn)題[7-12]。而且記錄儀回讀到的采集數(shù)據(jù)往往還需要依靠第三方軟件分析，很難得到大范圍的推廣。

針對(duì)以上問(wèn)題，文中提出一種通用彈載數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)。ARM 芯片作為系統(tǒng)的控制芯片，F(xiàn)PGA芯片負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)的采集與存儲(chǔ)。其具有12 路模擬信號(hào)和8 路數(shù)字信號(hào)的采集通道，可自定義采集時(shí)長(zhǎng)，斷電自動(dòng)保存信息，待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，可擦除重復(fù)使用存儲(chǔ)體，可抗高過(guò)載，記錄儀回收后可與上位機(jī)建立通信，能有效復(fù)現(xiàn)導(dǎo)彈系統(tǒng)的工作過(guò)程，利于發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、診斷故障，減少研制周期與成本[13]。

1 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、記錄儀控制模塊、數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)控制模塊和存儲(chǔ)模塊組成。記錄儀控制模塊負(fù)責(zé)電源管理、通過(guò)USB 接口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的信息交互。數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)將輸入信號(hào)分壓、濾波、補(bǔ)償成便于采集存儲(chǔ)的穩(wěn)定信號(hào)。數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)控制模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)管理數(shù)據(jù)采集模塊，最終將調(diào)理好的輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)以便于存儲(chǔ)。存儲(chǔ)模塊為一塊非易失閃存存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)采集到的有效數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)的硬件功能結(jié)構(gòu)

1.1 采集原理

采集工作主要由數(shù)據(jù)采集模塊完成，F(xiàn)PGA 作為數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)控制模塊的主芯片，控制采集工作的進(jìn)行。采集電路由RS422 總線數(shù)據(jù)采集電路和模擬數(shù)據(jù)采集電路組成，其中9 路模擬輸入通道在輸入端采用分壓限幅設(shè)計(jì)，以保護(hù)后端器件，最大可輸入40 V 的電壓。后經(jīng)過(guò)多路復(fù)用器和電壓跟隨器輸出0～2.5 V 的信號(hào)，以提高輸入阻抗和匹配ADC的輸入。后3 路模擬量是由微加速度傳感器輸出的X、Y、Z軸加速度信號(hào)，經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償和信號(hào)放大電路后，輸出0～2.5 V 的信號(hào)，后端可根據(jù)AD 值計(jì)算得出侵徹過(guò)載信號(hào)。上述模擬量經(jīng)RC 濾波電路輸入至四通道的12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖2 所示，系統(tǒng)輪詢轉(zhuǎn)換4 路ADC 通道，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，當(dāng)結(jié)束一路模擬通道ADC 采集之后就立馬控制多路復(fù)用器切換到下一通道，使整個(gè)采集時(shí)序不會(huì)產(chǎn)生沖突。RS422 數(shù)字信號(hào)經(jīng)防護(hù)后由RS422 收發(fā)器轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平，并由FPGA 完成串并轉(zhuǎn)換。最后模擬和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)FPGA 緩存后被存儲(chǔ)到存儲(chǔ)模塊中。

圖2 模擬信號(hào)處理電路

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源有9 路的模擬量，3 路的侵徹過(guò)載信號(hào)和8 路數(shù)字總線數(shù)據(jù)。其中模擬量的采樣頻率固定為1 ksps，可將用不到的模擬通道接地。侵徹信號(hào)為系統(tǒng)內(nèi)侵徹傳感器輸出的模擬量，固定采集頻率為50 ksps。數(shù)字量的波特率可根據(jù)需要在上位機(jī)上選擇8 種不同的波特率。典型數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)量統(tǒng)計(jì)

以典型數(shù)據(jù)負(fù)載620 kB/s 來(lái)計(jì)算，單次200 s 的采集時(shí)長(zhǎng)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)約為122 MB，為滿足記錄儀能完成8 次采集，存儲(chǔ)空間不能低于976 MB，另外有校驗(yàn)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)幀的標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)和用于功能執(zhí)行所開(kāi)辟的寄存器和緩存空間，該方案選用了16 Gbit 容量的NAND Flash 存儲(chǔ)器，寫(xiě)入速度2～3 MB/s，讀取速度11 MB/s 左右。在數(shù)據(jù)采集傳輸和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的速度上不存在瓶頸，滿足了存儲(chǔ)容量和速度要求。

1.2 運(yùn)行時(shí)序

采用低功耗的ARM 芯片STM32L052 作為記錄儀控制模塊，來(lái)控制整個(gè)系統(tǒng)的工作，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)記錄儀在聯(lián)調(diào)、總裝、飛行測(cè)試過(guò)程中的功能運(yùn)行與狀態(tài)轉(zhuǎn)換。整個(gè)系統(tǒng)有3 種工作狀態(tài)：調(diào)試狀態(tài)、工作狀態(tài)、待機(jī)狀態(tài)。初上電時(shí)，系統(tǒng)首先檢測(cè)電源來(lái)源，由USB 5 V 接口接入時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)試狀態(tài)與上位機(jī)完成信息的交互；在電池(4.2 V)或24 V 供電下，為實(shí)現(xiàn)低功耗，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，只有控制模塊工作，降低系統(tǒng)的整體功耗；一旦檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)的接入，控制模塊為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊及存儲(chǔ)模塊上電，完成采集存儲(chǔ)任務(wù)，當(dāng)達(dá)到用戶規(guī)定的采集時(shí)長(zhǎng)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)停止工作并重新進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)序圖如圖3 所示。

圖3 運(yùn)行時(shí)序圖

在調(diào)試模式下，記錄儀由上位機(jī)供電，不需要考慮功耗問(wèn)題，在待機(jī)和工作狀態(tài)下的功耗如表2所示。

表2 各狀態(tài)下的功耗

為保證記錄儀進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)96 h 后，啟動(dòng)工作后應(yīng)能正常記錄至少8 次數(shù)據(jù)，每次不低于200 s，在預(yù)估電源效率72%的基礎(chǔ)上，選取電池電壓為4.2 V，容量為2 000 mAh。

考慮到系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下遇到高沖擊的環(huán)境時(shí)可能會(huì)造成供電電源不穩(wěn)或斷電的情況，為能采集到斷電后的20 ms 的高過(guò)載數(shù)據(jù)，續(xù)航電源采用了耐壓值為5 V，0.1 F 的法拉電容，經(jīng)驗(yàn)證續(xù)航電容可讓斷電后記錄儀繼續(xù)工作1.6 s。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到彈載記錄儀在使用中承受上萬(wàn)個(gè)重力加速度的沖擊，為確保回收后記錄儀功能的完整性，其防護(hù)結(jié)構(gòu)必須優(yōu)良，其也是記錄儀可回收性的重要保證[14]。整個(gè)記錄儀采用雙層殼體防護(hù)設(shè)計(jì)，外層為特種鋼，能保證記錄儀在落地瞬間受外部沖擊時(shí)內(nèi)部電路不受到損壞。內(nèi)層為高強(qiáng)度鋁殼，既能減輕工裝重量，又能緩沖外層結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的沖擊力。內(nèi)層中電路和存儲(chǔ)體填充高強(qiáng)度的環(huán)氧樹(shù)脂，保證記錄儀在使用過(guò)程中不會(huì)因結(jié)構(gòu)因素而引起故障。沖擊過(guò)載傳感器置于外層殼體內(nèi)部頂端，用于感知彈體在發(fā)射和前進(jìn)過(guò)程的沖擊過(guò)載，傳感器和內(nèi)部電路通過(guò)導(dǎo)線相連，中間使用環(huán)氧樹(shù)脂加固固定。外層殼體開(kāi)出兩個(gè)窗口，可將內(nèi)部電路的甩線引出來(lái)，其中數(shù)據(jù)下載窗口引出USB 線和調(diào)試線，用于下載數(shù)據(jù)和調(diào)試工作。數(shù)據(jù)輸入窗口作為外部的模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的輸入窗口。

為驗(yàn)證記錄儀結(jié)構(gòu)的抗高過(guò)載性，對(duì)記錄儀的內(nèi)層殼體和灌封后記錄儀整體分別做了沖擊過(guò)載試驗(yàn)。在前期將記錄儀內(nèi)殼和內(nèi)部電路使用環(huán)氧樹(shù)脂灌封后進(jìn)行馬歇特錘擊試驗(yàn)，來(lái)模擬彈體在落地瞬間的高沖擊。試驗(yàn)裝置如圖4 所示。

圖4 馬歇特錘擊試驗(yàn)裝置

整個(gè)試驗(yàn)使用標(biāo)準(zhǔn)加速度傳感器對(duì)記錄儀3 個(gè)方向的沖擊值進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)方向從3 000 g 開(kāi)始，依次增加5 000 g，累計(jì)增加至33 000 g，并每次錘擊試驗(yàn)之后，對(duì)記錄儀其進(jìn)行測(cè)試和檢查，確保記錄儀無(wú)機(jī)械損傷且采集、存儲(chǔ)、讀取和調(diào)試工作正常。

后期對(duì)記錄儀整體進(jìn)行炮射實(shí)驗(yàn)，使用加農(nóng)炮炮射記錄儀打靶，讓其穿過(guò)12 cm 厚的鋼筋混凝土墻壁，出膛速度在340 m/s 左右[15]，撞擊墻壁的沖擊在30 000 g 以上。得到的記錄儀飛行方向，即X軸的波形數(shù)據(jù)如圖5 所示。由圖可知，記錄儀在65 265 ms左右的時(shí)間，開(kāi)始發(fā)火出膛，經(jīng)過(guò)2～3 ms 之后，記錄儀遇到墻壁，整個(gè)彈體的飛行速度瞬間大幅減少，沖擊過(guò)載峰值達(dá)到30 000 g。

圖5 記錄儀X軸過(guò)載數(shù)據(jù)

通過(guò)錘擊和打靶試驗(yàn)表明，采用雙層殼體防護(hù)和環(huán)氧樹(shù)脂灌封設(shè)計(jì)，能有效提高記錄儀的抗高沖擊過(guò)載能力，在面臨30 000 g 的高沖擊時(shí)也能正常穩(wěn)定工作且數(shù)據(jù)完整不失真。即使回收后記錄儀USB 接口因沖擊導(dǎo)致功能喪失。設(shè)計(jì)中預(yù)留了備用的數(shù)據(jù)回讀方案，可將彈體切開(kāi)，取出單獨(dú)防護(hù)的內(nèi)部存儲(chǔ)體，通過(guò)專(zhuān)用的讀數(shù)盒連接存儲(chǔ)體的芯級(jí)接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的回讀。提高了記錄儀的回收成功率。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)架構(gòu)基于ARM+FPGA，微控制ARM 芯片負(fù)責(zé)控制系統(tǒng)工作狀態(tài)切換以及通信，F(xiàn)PAG 芯片負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。整個(gè)系統(tǒng)工作的流程框圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)流程框圖

整個(gè)系統(tǒng)根據(jù)不同電源的在位狀態(tài)和觸發(fā)信號(hào)來(lái)切換系統(tǒng)的工作狀態(tài)，若電池供電則進(jìn)入低功耗狀態(tài)等待觸發(fā)信號(hào)的到來(lái)，若USB 5 V 供電，系統(tǒng)配置USB 接口，準(zhǔn)備接收上位機(jī)發(fā)送的命令。有觸發(fā)信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)會(huì)為所有功能模塊上電，首先從Flash 存放參數(shù)配置區(qū)域中讀取工作參數(shù)，配置數(shù)字量的波特率、當(dāng)前溫度所對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償值，以及根據(jù)當(dāng)前Flash 中壞塊地址、已用地址和剩余地址計(jì)算出本次采集數(shù)據(jù)所要存放的區(qū)域。系統(tǒng)在初始化工作完成之后，由FPAG 生成數(shù)據(jù)采集時(shí)序。FPAG 具有高速并行的特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)數(shù)模采集通道同時(shí)執(zhí)行。在FPAG 內(nèi)部開(kāi)辟出兩塊緩存區(qū)域，緩存一是將獲取到的數(shù)據(jù)在FPAG 器件內(nèi)采用FIFO 和雙端口RAM 進(jìn)行臨時(shí)存儲(chǔ)，其中9 路模擬量共用一個(gè)深度為4 096字節(jié)的FIFO，3 路侵徹信號(hào)和8 路數(shù)字量各有一個(gè)深度為4 096 字節(jié)的FIFO，F(xiàn)IFO 讀控制均采用半滿讀取策略，每一FIFO 數(shù)據(jù)編幀后以地址遞增順序?qū)? 048 字節(jié)為單位寫(xiě)入雙端口RAM；待雙端口RAM有效數(shù)據(jù)達(dá)到4 096 字節(jié)后，以頁(yè)為單位寫(xiě)入Flash中。緩存二采用深度為4 096 的雙端口RAM，主要用于調(diào)試狀態(tài)下，上位機(jī)軟件執(zhí)行配置參數(shù)寫(xiě)入和讀取、Flash 數(shù)據(jù)塊目錄讀取、數(shù)據(jù)塊讀取的過(guò)程，相關(guān)數(shù)據(jù)均由緩存二暫存，以與Flash 頁(yè)大小匹配。

3.1 通信協(xié)議

為保證記錄儀在調(diào)試階段以及回收前后信息傳遞的完整性和正確性，制定了上位機(jī)軟件和記錄儀之間的通信協(xié)議，規(guī)定信息的傳遞以幀為單位，在通信路徑上所有的指令和數(shù)據(jù)的傳輸都嚴(yán)格遵循此幀格式。

如圖7 所示，幀格式包括幀頭、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、幀ID、幀計(jì)數(shù)、本幀數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)和。幀ID 來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀和指令幀，依次遞增的幀計(jì)數(shù)表示數(shù)據(jù)幀的個(gè)數(shù)，數(shù)據(jù)域?yàn)橹噶詈蛿?shù)據(jù)的實(shí)際內(nèi)容，是幀格式中最重要的內(nèi)容，校驗(yàn)和為本幀數(shù)據(jù)16 位數(shù)據(jù)相加之和。其中幀頭、幀ID、幀計(jì)數(shù)和校驗(yàn)和的存在保障了整個(gè)數(shù)據(jù)的確定性、完整性和正確性。

圖7 通信幀格式

上位機(jī)發(fā)送來(lái)的指令，記錄儀將幀格式中數(shù)據(jù)域的指令解析成一條條接口命令字，按照順序執(zhí)行命令。記錄儀中開(kāi)辟了17 個(gè)寄存器內(nèi)存，對(duì)應(yīng)接口命令字中的尋址目標(biāo)，記錄儀通過(guò)命令字改變各個(gè)寄存器值，各功能模塊通過(guò)讀取寄存器值來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的操作。記錄儀在執(zhí)行命令完成之后會(huì)返回用戶所需要的數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)指令執(zhí)行失敗的情況，記錄儀反饋執(zhí)行失敗的接口命令字，便于用戶和調(diào)試人員方便定位問(wèn)題所在。讀取回來(lái)的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 讀取回來(lái)的原始數(shù)據(jù)

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的功能包括擦除Flash，獲取Flash 壞塊數(shù)目、數(shù)據(jù)塊目錄、工作參數(shù)和采集到的數(shù)據(jù)，記錄儀工作參數(shù)的配置，工作時(shí)長(zhǎng)的定義，記錄儀電池容量的讀取等。上位機(jī)軟件可完成對(duì)Flash數(shù)據(jù)的處理分析、數(shù)據(jù)二維曲線顯示功能，數(shù)據(jù)也可導(dǎo)出為T(mén)XT、EXCEL 格式的文件，便于利用第三方軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

在調(diào)試階段，使用記錄儀采集導(dǎo)彈引信工作過(guò)程中所產(chǎn)生的模擬量，上位機(jī)讀取解析數(shù)據(jù)，顯示出部分模擬量波形如圖9 所示。其中曲線1 為引信的供電電壓28 V。曲線2 為解保電容充電和放電的工作過(guò)程。曲線3 為發(fā)火電容充電過(guò)程。曲線4 的下降沿表示隔爆機(jī)構(gòu)解除隔爆，爆炸序列對(duì)正。曲線5為發(fā)火指令的給出[16]。為方便進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)，該顯示界面可任意放大或縮小波形，也可任意取點(diǎn)坐標(biāo)，方便計(jì)算周期和幅值大小，也可以劃區(qū)域取區(qū)間數(shù)據(jù)的最值和均值。

圖9 波形顯示

利用軟件計(jì)算部分模擬通道中的均值與實(shí)際引信信號(hào)對(duì)比精度如表3 所示。相對(duì)誤差均穩(wěn)定在2%以內(nèi)，數(shù)據(jù)的波動(dòng)噪聲在40 mV 以內(nèi)，可滿足記錄儀對(duì)采集數(shù)據(jù)高精度的要求。

表3 實(shí)際值和測(cè)量值對(duì)比表

4 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)基于ARM+FPGA 進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行合理劃分，發(fā)揮出ARM 芯片的靈活控制和FPGA 的高速采集的優(yōu)勢(shì)，能同時(shí)滿足低功耗和高精度采集的要求；采用有效的結(jié)構(gòu)防護(hù)，抗高過(guò)載能力可達(dá)三萬(wàn)重力加速度；完善的通信協(xié)議以及上位機(jī)軟件，保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的回收。該記錄儀操作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足實(shí)際工程的需要。