祁少文,范錦彪*,王 燕,馬鐵華

(1.電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

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彈載全彈道多參數(shù)測(cè)試儀

祁少文1,2,范錦彪1,2*,王 燕1,2,馬鐵華1,2

(1.電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051)

為了準(zhǔn)確測(cè)量引信在膛內(nèi)及飛行過程的動(dòng)態(tài)參數(shù),設(shè)計(jì)了一種可置于引信內(nèi)部通用、靈活的微型多參數(shù)測(cè)試儀,它具有小體積、微功耗、抗高沖擊等特點(diǎn)。該測(cè)試儀使用了薄膜線圈和加速度傳感器,成功獲取了引信在膛內(nèi)和發(fā)射過程的三軸加速度及轉(zhuǎn)速信號(hào)。此研究對(duì)于引信、彈丸和火炮的設(shè)計(jì)和研究有著十分重要的意義。

動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試;彈載測(cè)試儀;引信;薄膜線圈;轉(zhuǎn)速

引信作為戰(zhàn)斗部的關(guān)鍵部件,隨彈頭在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)一方面要經(jīng)受著高膛壓引起的高加速度的沖擊作用,另一方面也承受著由于管身劇烈振動(dòng)而引起的橫向沖擊載荷的作用,以及在飛行過程中高速旋轉(zhuǎn)的作用。在諸多種載荷的共同作用下,引信的工作環(huán)境十分惡劣,導(dǎo)致引信的安全性和可靠性受其影響而下降[1-3]。為了提高引信在工作時(shí)的安全性與可靠性,需要同步測(cè)量引信飛行全過程的動(dòng)態(tài)參數(shù)[4]。

以往的彈載測(cè)試系統(tǒng)采用測(cè)試專用ASIC芯片(如HB0202)已在多次靶場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中成功測(cè)得了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[5],但不足之處是這類專用芯片功能單一且性能不穩(wěn)定,電路實(shí)現(xiàn)復(fù)雜,在三通道測(cè)試中多通過損失數(shù)據(jù)精度的方法來實(shí)現(xiàn)通道識(shí)別[6]。本文提出的彈載全彈道多參數(shù)測(cè)試儀是在以往存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上,采用Xilinx公司的CPLD芯片和單片機(jī)為控制中心,配合性能高、功耗低的COMS模擬電路,A/D芯片及讀寫速度快、擦除快、容量大、功耗低的NAND結(jié)構(gòu)的閃存[7],具有體積小、功耗低、精度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),成功獲取了引信在膛內(nèi)和發(fā)射過程的三軸加速度及轉(zhuǎn)速信號(hào)。

1 系統(tǒng)組成

測(cè)試儀由電池,通用電路模塊,傳感器,保護(hù)殼體和橡膠緩沖材料組成。使用CPLD和AVR單片機(jī)共同控制:CPLD主要用于需要同時(shí)完成的同步信號(hào)的數(shù)字邏輯,如地址發(fā)生器、時(shí)鐘等相對(duì)較固定的邏輯;單片機(jī)完成一些判斷、運(yùn)算和控制。CPLD和單片機(jī)的組合,實(shí)現(xiàn)了邏輯時(shí)序的高速可靠和控制命令的簡(jiǎn)單易行。測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由模擬信號(hào)調(diào)理部分對(duì)傳感器的輸出模擬信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理,將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成為適合A/D變換器輸入的信號(hào),A/D變換器將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)。CPLD和單片機(jī)共同控制A/D變換器和Flash閃存,將數(shù)字信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)完畢后,測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)入休眠狀態(tài)以降低功耗。在實(shí)際使用中,裝置回收后通過通信接口對(duì)測(cè)試裝置記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,測(cè)試數(shù)據(jù)在計(jì)算機(jī)上完成后續(xù)處理工作。這樣的裝置作為獨(dú)立的系統(tǒng)能夠完成數(shù)據(jù)的采集存儲(chǔ),將數(shù)據(jù)處理分離出來,實(shí)現(xiàn)了微小體積、微功耗。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)的總體框圖

2 實(shí)現(xiàn)原理

根據(jù)實(shí)際需要,測(cè)試儀容量為256 M×8 bit,負(fù)延遲為4 M×8 bit,采樣頻率320 kHz。信號(hào)適配電路有放大、濾波兩個(gè)單元?？紤]到系統(tǒng)精度,放大單元選用的是低功耗儀表放大器INAl55。濾波部分選用的是高性能低功耗可軌到軌運(yùn)放OPA2340,對(duì)放大信號(hào)進(jìn)行濾波處理。選用高速高精度低功耗ADC AD7492進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,確保測(cè)試儀的低功耗和高精度。提供USB口和作為傳統(tǒng)讀數(shù)口的并口兩種數(shù)據(jù)讀取方式。USB接口電路選擇CYPRESS的CY7C68013芯片,經(jīng)實(shí)踐證明,很好地滿足了要求。

本系統(tǒng)使用三星公司的K9F1G08閃存,該閃存的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)按頁(2112byte)模式進(jìn)行寫操作,當(dāng)一頁數(shù)據(jù)寫滿閃存寄存器后,將寄存器中的數(shù)據(jù)編程到非易失性介質(zhì)中,一次編程的典型時(shí)間為192 μs。彈載高速的大容量存儲(chǔ)器通常的存取速度要達(dá)到幾十MB/s以上,單片的Flash Memory無法達(dá)到要求。為了達(dá)到高速度與高容量密度兼容,采用FPDA/CPLD作為邏輯控制器和多片F(xiàn)lash Memory作為主存儲(chǔ)器。針對(duì)單片F(xiàn)lash無法全速度連續(xù)記錄采樣的局限性,提出了基于多片F(xiàn)lash存儲(chǔ)器的流水線存儲(chǔ)技術(shù),可以大大提高系統(tǒng)采集速度與采集容量。本設(shè)計(jì)采用AB兩片F(xiàn)lash Memory的流水線存儲(chǔ)技術(shù)(見圖2)。

圖2 兩片F(xiàn)lash基于流水線的存儲(chǔ)時(shí)空?qǐng)D

利用Flash流水線存儲(chǔ)技術(shù),針對(duì)Flash全寫入速度較慢的局限性,提出了基于Flash流水線并行存儲(chǔ)技術(shù)。單片F(xiàn)lash容量為M,平均全寫入速度為fn,系統(tǒng)采用m行n列的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。系統(tǒng)綜合性能:總?cè)萘繛镸總,系統(tǒng)平均寫入速度f總。

M總=m×n×M

(1)

f總=m×fn

(2)

由式(1)和(2)可知,系統(tǒng)存儲(chǔ)總?cè)萘颗c總寫入的速度得到了很大的改善,使Flash可以應(yīng)用于高速大容量的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

為了能完整地記錄測(cè)試信號(hào),在電路中使用負(fù)延時(shí)來記錄電路觸發(fā)點(diǎn)以前的數(shù)據(jù)。設(shè)閃存總?cè)萘繛镸=256 M×8 bit,將閃存N=4 M×8 bit容量用來作為上電未觸發(fā)前循環(huán)記錄存儲(chǔ)器,當(dāng)檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)后,順序記錄閃存剩余的M-N存儲(chǔ)空間,如圖3所示。負(fù)延遲技術(shù)保證觸發(fā)前部分重要信號(hào)可以全部記錄而不漏采,確保了數(shù)據(jù)記錄的完整性、有效性。

圖3 基于Flash存儲(chǔ)器的負(fù)延遲框圖

記錄儀用薄膜線圈式地磁傳感器進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量,三軸加速度計(jì)作為加速度測(cè)量器件。地磁傳感器是一種柔性的薄膜線圈,該線圈可靈活地粘貼于測(cè)試裝置的表面,極大地提高了地磁線圈的靈敏度、可靠性和安裝適應(yīng)性。薄膜線圈式地磁傳感器在子彈拋撒時(shí),切割地磁場(chǎng)磁力線,產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)中包含了子彈與地磁場(chǎng)矢量方向的夾角信號(hào),由此可求得子彈在空中的轉(zhuǎn)等信息。由于子彈在空中做翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),使得通過薄膜線圈式地磁傳感器的磁通量發(fā)生變化,根據(jù)電磁感應(yīng)定律可得到隨磁通量變化的感應(yīng)電壓,這個(gè)電壓同時(shí)也反映了子彈在空中翻轉(zhuǎn)姿態(tài)的變化。安裝在飛行體內(nèi)的線圈相對(duì)地磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:

式中,φ為磁通量,N為線圈匝數(shù),n為通過第n匝線圈平面的磁場(chǎng)強(qiáng)度法向分量的面積分,μ為線圈芯子的磁導(dǎo)率,S和φ為由上述量經(jīng)過計(jì)算所確定的常數(shù)因子,ωt為地磁場(chǎng)方向與線圈總法線方向之間角度的變化量,ω是地磁場(chǎng)方向與線圈總法線方向夾角變化的角速度。

由測(cè)試原理可知,一個(gè)正弦波的持續(xù)時(shí)間即為彈丸旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間,即彈丸的轉(zhuǎn)速。正弦波的過零點(diǎn)值、波峰值、波谷值是它的特征點(diǎn)。提取出這些值,通過計(jì)算它們之間的時(shí)間差,可以得出彈丸的轉(zhuǎn)速。由于實(shí)測(cè)曲線的采樣頻率是固定的,選取相同的幅值區(qū)間,零點(diǎn)附近測(cè)試值的區(qū)分度要大于波峰、波谷附近測(cè)試值的區(qū)分度,因此提取零點(diǎn)附近的值能減小隨機(jī)誤差,更準(zhǔn)確地得到轉(zhuǎn)速。選取多個(gè)正弦波做平均,其平均值作為該段時(shí)間中間時(shí)刻的轉(zhuǎn)速值,能進(jìn)一步減小誤差。

地磁線圈的短期精度不如慣性器件,但其基本不隨飛行時(shí)間而累積誤差,只與當(dāng)?shù)氐卮艌?chǎng)的強(qiáng)度有關(guān)。采用良好設(shè)計(jì)的放大器可以消除地磁線圈的噪聲干擾,提高測(cè)量精度和靈敏度。地式薄膜線圈是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗過載能力強(qiáng)的傳感器件[8]。

2 測(cè)試儀的微體積設(shè)計(jì)

測(cè)試儀的微體積設(shè)計(jì),主要從印制電路板、器件的選擇、安裝結(jié)構(gòu)和機(jī)械外殼4個(gè)方面進(jìn)行考慮。電路使用四層PCB板,模擬、數(shù)字電路分開,板上所用芯片都選擇貼片封裝。所需電源為兩塊40 mm×40 mm×5 mm、510 mAh的鋰電池,所用三軸加速度計(jì)體積僅為21 mm×21 mm×23 mm。電路板和電池進(jìn)行疊放,其他結(jié)構(gòu)緊湊擺放,立體封裝工藝,灌封環(huán)氧樹脂。外殼為高強(qiáng)度圓柱型金屬殼體。通過以上設(shè)計(jì),整個(gè)測(cè)試儀尺寸僅為φ45 mm×50 mm。

3 軟件設(shè)計(jì)

圖4 邏輯流程圖

以VHDL語言設(shè)計(jì)中心控制器CPLD的控制邏輯[9-10],邏輯流程圖如圖4所示。測(cè)試儀上電初始化以后即開始循環(huán)采樣,當(dāng)系統(tǒng)感受到超過預(yù)設(shè)值的加速度信號(hào)后給出觸發(fā)信號(hào)“TR”,開始記錄觸發(fā)后轉(zhuǎn)換次數(shù),記滿252 M×8 bit后,系統(tǒng)進(jìn)入節(jié)能狀態(tài),等待計(jì)算機(jī)發(fā)讀數(shù)指令將數(shù)據(jù)讀出。

4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

利用上述彈載全彈道測(cè)試儀對(duì)某引信進(jìn)行了多次實(shí)彈測(cè)試,成功獲取了該引信在膛內(nèi)和飛行過程的三軸加速度及轉(zhuǎn)速參數(shù),以下對(duì)其中一組典型數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

4.1 引信加速度信號(hào)的實(shí)測(cè)分析

4.1.1 軸向加速度

圖5為實(shí)測(cè)的軸向加速度曲線,可以看出,彈丸在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)間約為19.5 ms,在出炮時(shí)引信受到明顯的振動(dòng)導(dǎo)致加速度信號(hào)的巨大波動(dòng)。把曲線展開后可知16.00 ms～16.35 ms時(shí)間內(nèi)曲線的振動(dòng)頻率較低,這一階段,彈丸的彈帶擠入彈線;16.35 ms～18.49 ms時(shí)間內(nèi)曲線震蕩頻率迅速升高,振幅加大,彈丸受高膛壓加速,并且軸向加速度在16.42 ms附近達(dá)到膛內(nèi)最大值,為11 632gn(濾波后)。18.49 ms～19.05 ms為出膛前過渡段,此階段引信仍在膛內(nèi)運(yùn)動(dòng);19.05 ms～22.49 ms為出炮口段,在出炮口即19.63 ms時(shí)出現(xiàn)巨大振蕩,正向峰值達(dá)16 160gn,負(fù)向峰值為-11 230gn,這個(gè)階段持續(xù)時(shí)間為3.44 ms。對(duì)軸向加速度信號(hào)進(jìn)行積分后得到的軸向最大速度為681.9 m/s。

圖5 軸向加速度

4.1.2 徑向加速度

圖6 X軸徑向加速度曲線

如圖6和圖7所示,彈丸在彈帶擠入彈線和出炮口處,在徑向都發(fā)生了明顯的震動(dòng),震動(dòng)頻率及震動(dòng)幅度都很大。對(duì)曲線進(jìn)行濾波后得到,在炮口處,X軸徑向加速度正向峰值775.5gn,負(fù)向峰值為-1 169.0gn;Y軸徑向加速度正向峰值為768.5gn,負(fù)向峰值為-575gn。如果引信零件無法承受如此高的縱向沖擊,就可能會(huì)導(dǎo)致引信失去炮口保險(xiǎn),發(fā)生早炸[11]。

圖7 Y軸徑向加速度曲線

4.2 引信轉(zhuǎn)速信號(hào)的實(shí)測(cè)分析

圖8(a)為引信在0～1 s內(nèi)的轉(zhuǎn)速信號(hào)變化過程;圖8(b)為其在0～100 ms內(nèi)曲線的展開,可以看出在膛內(nèi)發(fā)射過程中轉(zhuǎn)速變化比較復(fù)雜,最后在炮口處使得轉(zhuǎn)速穩(wěn)定;圖8(c)為膛外轉(zhuǎn)速的變化曲線,可以看出所得引信膛外轉(zhuǎn)速變化在大約1 s時(shí)間內(nèi)從1.764×104r/min降到1.74×104r/min。

圖8 某引信在膛內(nèi)和發(fā)射過程的轉(zhuǎn)速信號(hào)

5 結(jié)論

本文提出的彈載全彈道測(cè)試儀,充分利用了動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[12-15],具有小體積、低功耗、精度高等優(yōu)點(diǎn),能夠成功的載入彈上并在惡劣的膛內(nèi)環(huán)境中獲取有效數(shù)據(jù)。從實(shí)測(cè)結(jié)果來看,測(cè)試系統(tǒng)成功獲取了彈丸在內(nèi)彈道各個(gè)階段的加速度和轉(zhuǎn)速參數(shù),經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)與理論分析情況相符。此研究對(duì)于彈丸和火炮的設(shè)計(jì)、驗(yàn)收及研究有著十分重要的意義。

[1] 馬寶華.引信構(gòu)造與作用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1984:14-23.

[2]王曉鋒.引信膛內(nèi)動(dòng)力過程的理論與應(yīng)用研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2002.

[3]馮高輝,雷彬,陳雷.引信動(dòng)態(tài)測(cè)試試驗(yàn)技[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理,2005,22(4):24-26.

[4]李樂,祖靜,裴東興.基于ASIC專用的引信動(dòng)態(tài)參數(shù)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子測(cè)量技術(shù),2007,30(5):158-160.

[5]沈大偉,裴東興,祖靜.引信膛內(nèi)加速度信號(hào)測(cè)試與分析[J].中北大學(xué)報(bào),2009,30(3):220-222.

[6]裴東興,祖靜,張瑜,等.彈載電子測(cè)試儀的設(shè)計(jì)[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2012,32(3):220-222.

[7]朱知博.基于NAND FLASH的高速大容量存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011,34(8):170-173.

[8]楊青,李利鋒,范錦彪,等.地磁傳感器在彈載測(cè)試系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2009,28(10):108-113.

[9]董秀潔,楊艷,周游.FPGA/CPLD選型與設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].化工自動(dòng)化及儀表,2009,36(3):60-63.

[10]任勇峰,莊新敏.VHDL及硬件實(shí)現(xiàn)速成[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.

[11]劉紅娟,沈大偉,李新娥,等.彈載高g值三軸加速度測(cè)試系統(tǒng)技術(shù)分析[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2013,26(1):21-24.

[12]劉建偉,裴東興,尤文斌,等.回收式固態(tài)彈載記錄儀抗高沖擊設(shè)計(jì)[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),2012,25(8):1045-1048.

[13]張文棟.儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2002.

[14]祖靜,張志杰,裴東興,等.新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào),2004,18(9):1-9.

[15]崔亮飛,新概念動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)的微功耗小體積技術(shù)研究[J].電工技術(shù),2011,3(47):47-48.

祁少文(1988-),男,內(nèi)蒙古呼和浩特,碩士研究生,主要研究方向動(dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器,qishaowen198888@126.com;

范錦彪(1974-),男,山西太原,博士,副教授,主要研究方向?yàn)楦遟值加速度計(jì)校準(zhǔn)及高沖擊測(cè)試技術(shù),fanjinbiao@nuc.edu.cn。

Missile-BorneTesterofOverallTrajectoryandMulti-Parameter

QIShaoWen1,2,FANJinbiao1,2*,WANGYan1,2,MATiehua1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,Taiyuan 030051,China;2.Instrument Science and Dynamic Test Laboratory North University of China,Taiyuan 030051,China)

In order to accurately measure dynamic parameters of fuze in the chamber or during flight,a general and flexible missile-borne tester that can be placed inside the fuze was designed.It has the characteristics of small volume,low-power and high impact resistance.The tester use the thin film coil and acceleration sensors,and the three—axis acceleration,rotate speed of the fuse were successfully obtained in its launch and flight process.The study will bring great significance to fuze,projectiles and artilleries for their design,inspection and research.

dynamic memory testing;missile tester;fuze;the film coil;rotate speed

2014-01-02修改日期:2014-06-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.07.024

TJ43;TJ410.6

:A

:1004-1699(2014)07-0993-04