嵌入胸腔靶標(biāo)的沖擊波存儲測試系統(tǒng)設(shè)計

摘" 要： 針對目前面向人體胸腔的沖擊波超壓測試研究較少的問題，設(shè)計了模擬人體胸腔的圓筒形靶標(biāo)，建立了一種嵌入胸腔靶標(biāo)的沖擊波超壓存儲測試系統(tǒng)，并對沖擊波特征參數(shù)實時提取技術(shù)進(jìn)行研究。測試系統(tǒng)由FPGA控制，選用ICP型壓電式壓力傳感器，基于已有沖擊波存儲測試系統(tǒng)的基本功能，結(jié)合WiFi技術(shù)實現(xiàn)沖擊波特征參數(shù)的實時提取功能，進(jìn)行了實驗室環(huán)境下系統(tǒng)功能檢測和外場試驗環(huán)境下的系統(tǒng)功能驗證。結(jié)果表明，測試系統(tǒng)能完整記錄胸腔靶標(biāo)所受沖擊波壓力載荷的數(shù)據(jù)曲線并實時提取沖擊波特征參數(shù)，為人體胸腔在沖擊波壓力載荷下的毀傷機理研究提供了新的手段。

關(guān)鍵詞： 沖擊波； 人體胸腔靶標(biāo)； FPGA； 存儲測試； 特征參數(shù)； 壓力傳感器

中圖分類號： TN06?34； TJ06" " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）05?0035?07

Design of shock wave storage and test system embedded in thoracic cavity target

ZHANG Xiya1， 2， WANG Daihua1， 2

（1. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. Key Laboratory of Instrumentation Science amp; Dynamic Measurement， Ministry of Education， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： In view of the less research on the shock wave overpressure test for human thoracic cavity， a cylindrical target simulating human thoracic cavity is designed， a shock wave overpressure storage and test system embedded in the thoracic cavity target is established， and the real?time extraction technology of shock wave characteristic parameters is studied. The test system is controlled by FPGA （field?programmable gate array）， and the ICP?type piezoelectric pressure sensor is adopted. On the basis of the basic functions of the existing shockwave storage and test system， the real?time extraction of shockwave characteristic parameters is realized in combination with the WiFi technology. The system function testing in the laboratory environment and the system function validation in the field test environment are carried out. The results show that the test system can completely record the data curve of the shock wave pressure load on the thoracic target and extract the shock wave characteristic parameters in real time， which provides a new means for the study of the destruction mechanism of the human thoracic cavity under the shock wave pressure load.

Keywords： shock wave; human thoracic target; FPGA; storage and test; characteristic parameter; pressure sensor

0" 引" 言

炸藥是戰(zhàn)斗部毀傷目標(biāo)的能源物質(zhì)，爆炸是一種極為迅速的能量釋放過程，炸藥瞬時化為一團(tuán)火光，形成煙霧并產(chǎn)生巨響，附近形成強烈的沖擊波，對有生力量和建筑物造成傷害[1?2]。國內(nèi)爆炸沖擊波的試驗測試方法主要采用電測法[3?9]，將具有超壓傳感器的測試儀布設(shè)在距離爆心一定距離和高度上，將傳感器的敏感面暴露在外界環(huán)境中來獲取各測點處的沖擊波超壓曲線。但是沖擊波壓力對人體的作用來自各個方向，采用傳統(tǒng)測試方法只能獲取某一點的測量數(shù)據(jù)，與人體在爆炸場中實際承受的沖擊波壓力有著明顯不同，所以對于人體所承受的爆炸沖擊波需要采用不同的測量方法[10]進(jìn)行研究。

以往針對沖擊波對人體胸腔的毀傷機理研究中[11?17]，數(shù)值模擬和動物試驗是常用的研究方法，但建立胸腔實物模型并獲取其在沖擊波場中實測數(shù)據(jù)的工作很少，制約了對沖擊波對人體胸腔毀傷機理的研究。針對這一問題，本文設(shè)計了一種模擬人體胸腔的圓筒形靶標(biāo)及可嵌入該靶標(biāo)的微型沖擊波存儲測試系統(tǒng)，旨在建立一種針對人體胸腔受爆炸沖擊波毀傷的測量方法，為準(zhǔn)確計算和評估爆炸沖擊波對人體胸腔的毀傷效果提供數(shù)據(jù)支撐。

1" 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1" 測試系統(tǒng)設(shè)計

針對測試目標(biāo)，本文將測試系統(tǒng)分為三個部分，分別是現(xiàn)場的沖擊波測試儀、遠(yuǎn)端計算機以及中間的無線通信部分，系統(tǒng)總體設(shè)計框架如圖1所示。

傳感器采集到?jīng)_擊波壓力信號后，將其傳輸至信號調(diào)理電路，通過直流耦合、信號增益、低通濾波將信號調(diào)理至適配AD轉(zhuǎn)換的要求，之后信號進(jìn)入采集存儲模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲。電源管理模塊負(fù)責(zé)低功耗設(shè)計并為各個模塊提供相應(yīng)的工作電壓。無線通信部分采用WiFi通信技術(shù)，通過架設(shè)網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)端計算機與爆炸場內(nèi)沖擊波測試系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。遠(yuǎn)端計算機部分借助專用數(shù)據(jù)處理軟件，具備WiFi和USB兩種通信方式，在試驗前進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)測，在試驗后提取特征參數(shù)和測試數(shù)據(jù)。

1.2" 胸腔靶標(biāo)設(shè)計

以體重為75 kg的成年男性戰(zhàn)士體型為參照，設(shè)計了一個模擬人體胸腔的圓筒形靶標(biāo)，如圖2所示。該靶標(biāo)外形由高強度鋼制材料構(gòu)成，高度為700 mm、直徑為305 mm，并在半高度位置以環(huán)繞的方式間隔90°均布4個微型測試儀。測試儀從圓筒內(nèi)部安裝，嵌入圓筒內(nèi)；傳感器安裝在微型測試儀前端并與圓筒弧面相接，保證整個外露面光滑平整。其中一個測試儀正對爆心，如此實現(xiàn)對前、后、左、右4個方向上的沖擊波壓力進(jìn)行測量。

2" 硬件設(shè)計

2.1" 傳感器選型

目前沖擊波超壓傳感器主要分為兩種：壓阻式壓力傳感器與壓電式壓力傳感器[18]。壓阻式壓力傳感器具有良好的低頻特性，但易受火光和溫度的影響，這使其在爆炸沖擊波測試試驗中受到制約。PCB公司的ICP型壓電式壓力傳感器使用集成電路技術(shù)，內(nèi)置電荷放大器，解決了試驗環(huán)境對傳感器的影響，輸出電壓為±5 V，響應(yīng)時間小于1 μs，諧振頻率大于500 kHz，非線性小于1%FS，滿足沖擊波超壓信號的測試要求[19]。

2.2" 信號調(diào)理模塊設(shè)計

信號調(diào)理模塊作為連接傳感器與AD之間的橋梁，起到將傳感器輸出信號調(diào)理至與AD轉(zhuǎn)換相適配的作用。傳感器輸出信號中的直流偏置較高，使得后續(xù)處理存在困難，通常采用的交流耦合方式會影響信號的低頻響應(yīng)，故采用直流耦合的方式并配合設(shè)計直流偏置消除電路。針對小信號測試需求，加入增益可編程的信號放大電路來保證AD量化誤差。設(shè)計了低通濾波電路以限制高頻雜波來保證測試精度。

2.3" 采集存儲模塊設(shè)計

采集存儲模塊完成對模擬信號的數(shù)字轉(zhuǎn)換、存儲與傳輸?shù)墓δ?。由FPGA控制信號采樣頻率，采用高速低功耗FLASH存儲器作為采集數(shù)據(jù)的存儲單元。采用EEPROM存儲系統(tǒng)的工作參數(shù)與提取的沖擊波特征參數(shù)。測試系統(tǒng)的主要傳輸方式是通過WiFi無線傳輸，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)測、數(shù)據(jù)與特征參數(shù)讀取的功能。USB作為有線傳輸手段，也可完成對測試系統(tǒng)的調(diào)試。

2.4" 控制模塊設(shè)計

控制模塊由主控芯片F(xiàn)PGA和單片機構(gòu)成。FPGA主要完成系統(tǒng)初始化、接收上位機指令、控制AD采樣、識別沖擊波信號、控制存儲器等功能。單片機的主要功能包括接收FPGA定時參數(shù)并更新寄存器值，根據(jù)定時參數(shù)實現(xiàn)對無線部分和數(shù)字部分的低功耗電源管理功能。

2.5" 無線傳輸模塊設(shè)計

無線傳輸模塊由WiFi模塊、AP和網(wǎng)橋組成。WiFi模塊集成在測試儀內(nèi)部，通過引出天線與AP通信，再通過網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。由于爆炸場的強破壞性，天線不能架的太高，無線近地傳輸性能要好。AP距離爆心要盡可能遠(yuǎn)，功率要保證無線傳輸距離滿足要求。

2.6" 電源管理模塊設(shè)計

電源管理模塊為測試系統(tǒng)提供用電需要。采用8.4 V鋰電池供電，通過升壓和降壓芯片實現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，供電給傳感器和各個模塊。當(dāng)測試系統(tǒng)完成沖擊波超壓信號的采集和存儲后，進(jìn)入低功耗模式以延長待機時間。

3" 軟件設(shè)計

3.1" 主控程序設(shè)計

系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA對每個模塊進(jìn)行復(fù)位和初始化。硬件復(fù)位后，先讀取狀態(tài)參數(shù)：如果系統(tǒng)仍處于數(shù)據(jù)保護(hù)狀態(tài)，則無法進(jìn)行新的存儲操作，但可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取；在非保護(hù)狀態(tài)下，系統(tǒng)才可以進(jìn)行采、存操作。

系統(tǒng)初始化流程如下：基線調(diào)理至設(shè)定電壓，根據(jù)EEPROM中的工作參數(shù)設(shè)置放大器增益、AD采樣率、觸發(fā)閾值、記錄時長。系統(tǒng)初始化完成后，可隨時通過計算機更改系統(tǒng)的工作參數(shù)。在工作狀態(tài)下，系統(tǒng)持續(xù)采樣傳感器信號，并根據(jù)觸發(fā)閾值和外觸發(fā)信號做出觸發(fā)判斷。在未觸發(fā)狀態(tài)下，采樣數(shù)據(jù)不斷寫入FIFO存儲器，即負(fù)延遲區(qū)，不進(jìn)行FLASH數(shù)據(jù)存儲工作。信號達(dá)到觸發(fā)閾值后，AD采樣數(shù)據(jù)通過FIFO寫入FLASH，同時計算沖擊波超壓峰值、正壓作用時間和沖量。當(dāng)寫入FLASH的數(shù)據(jù)長度達(dá)到設(shè)定值時，停止數(shù)據(jù)采樣和存儲，并設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)保護(hù)狀態(tài)，將提取的沖擊波特征參數(shù)寫入EEPROM。系統(tǒng)主控程序流程如圖3所示。

3.2" 計算機軟件設(shè)計

根據(jù)模塊化設(shè)計思想，計算機軟件可分為4個部分：模式選擇、指令交互、波形顯示和數(shù)據(jù)讀取。4個模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)計算機的軟件功能設(shè)計。

在USB數(shù)據(jù)交互模式下，計算機通過USB接口與FT600Q芯片交互，F(xiàn)T600Q獲得指令后與FPGA指令控制模塊交互。在WiFi數(shù)據(jù)交互模式下，計算機通過無線網(wǎng)絡(luò)與WiFi模塊交互，WiFi模塊獲取指令后再與FPGA交互。指令交互流程如圖4所示。

4" 系統(tǒng)功能驗證及現(xiàn)場試驗測試

4.1" 實驗室環(huán)境下功能驗證

系統(tǒng)調(diào)試完成后，首先在實驗室環(huán)境下對系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行驗證，如圖5所示。

系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)讀取。由信號發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的1 kHz正弦波作為信號源，由系統(tǒng)采集存儲后讀取數(shù)據(jù)，計算機軟件的顯示結(jié)果如圖6所示。由波形可以看出，測試系統(tǒng)完整地記錄了1 kHz的正弦波信號，驗證了系統(tǒng)采、存、讀功能的正確性。

在實驗室環(huán)境下驗證無線傳輸速率，通過計算機控制無線模塊對測試儀進(jìn)行10 MB的數(shù)據(jù)讀取，記錄數(shù)據(jù)傳輸時間，求出傳輸速率。共進(jìn)行了5次實驗，在數(shù)據(jù)量均為10 MB時，傳輸用時分別是70 s、68 s、69 s、70 s、70 s，傳輸速率分別是1 198 Kb/s、1 233 Kb/s、1 215 Kb/s、1 198 Kb/s、1 198 Kb/s，平均傳輸速率是1 208 Kb/s，傳輸速率滿足使用需求。

4.2" 現(xiàn)場試驗驗證

為進(jìn)一步評估系統(tǒng)的適用性，參加了某靜爆試驗沖擊波超壓測試，現(xiàn)場布局如圖7所示。在試驗準(zhǔn)備階段，將胸腔靶標(biāo)固定于爆炸場內(nèi)某距離處，與爆心同高，以正對爆心的傳感器為前測點，按順時針方向依次為左側(cè)點、后測點和右測點。在距離靶標(biāo)100 m處布設(shè)AP與網(wǎng)橋，在距離試驗現(xiàn)場3 km處架設(shè)遠(yuǎn)程網(wǎng)橋與計算機。胸腔靶標(biāo)照片如圖8所示。布置完畢后通過人工檢測，確保系統(tǒng)工作正常，測試人員撤離至遠(yuǎn)程控制端。

試驗結(jié)束后，在遠(yuǎn)程控制端無線讀取沖擊波超壓特征參數(shù)，隨后傳輸沖擊波超壓測試曲線。本文給出其中2次試驗的測試結(jié)果，沖擊波超壓曲線如圖9、圖10所示，沖量曲線如圖11、圖12所示。特征參數(shù)提取統(tǒng)計表見表1。

從測試結(jié)果可以看出：測試系統(tǒng)完整記錄了沖擊波曲線，并提取出沖擊波特征參數(shù)；靶標(biāo)正面朝向沖擊波時，前測點的沖擊波壓力遠(yuǎn)大于其他三個測點，左、右測點的沖擊波壓力基本一致，后測點受到的沖擊波壓力最小且正壓作用時間最長；前測點沖量最大，左右測點沖量基本一致，前、后測點沖量大于左右兩側(cè)的沖量。

5" 結(jié)" 論

本文設(shè)計的沖擊波存儲測試系統(tǒng)經(jīng)實驗室檢測，各項功能正常。經(jīng)現(xiàn)場試驗檢測，可完整記錄胸腔靶標(biāo)4個方向所受沖擊波壓力載荷曲線，實時提取了沖擊波特征參數(shù)。測試結(jié)果表明，測試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可用于模擬人體胸腔在爆炸試驗中的沖擊波超壓測試，可為評估爆炸沖擊波對人體胸腔的毀傷機理提供數(shù)據(jù)支撐。

注：本文通訊作者為王代華。

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