焦耀晗,徐 鵬,杜紅棉*,劉 帆,梁永燁

(1.中北大學(xué)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)

?

基于FPGA和無(wú)線通信的炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

焦耀晗1,2,徐 鵬1,2,杜紅棉1,2*,劉 帆1,2,梁永燁1,2

(1.中北大學(xué)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)

由于炮口沖擊波超壓測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣,為了提高存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和靈活性,給出了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和無(wú)線通信的炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)施方案。測(cè)試系統(tǒng)的激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果表明,系統(tǒng)符合國(guó)軍標(biāo)對(duì)炮口沖擊波超壓測(cè)試的基本要求。該系統(tǒng)在多次靶場(chǎng)實(shí)爆試驗(yàn)中進(jìn)行了測(cè)試試驗(yàn),都成功捕獲到炮口沖擊波超壓曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)具有體積小,微功耗,靈活性高,測(cè)試效率高等優(yōu)點(diǎn),在炮口沖擊波測(cè)試中具有良好的應(yīng)用前景。

存儲(chǔ)測(cè)試;炮口沖擊波;無(wú)線傳輸;FPGA

炮口沖擊波超壓是自行火炮測(cè)試中的重要?jiǎng)討B(tài)參數(shù)之一,其精確測(cè)量對(duì)自動(dòng)火炮研制和性能檢測(cè)十分重要[1]。國(guó)內(nèi)在炮口沖擊流場(chǎng)研究分析上偏重于數(shù)值模擬,進(jìn)而預(yù)測(cè)炮口沖擊波場(chǎng)各點(diǎn)的壓力值[2]。本文參考國(guó)軍標(biāo)中炮口沖擊波測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),設(shè)計(jì)了一種基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)和無(wú)線通信技術(shù)并結(jié)合動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)、實(shí)時(shí)存儲(chǔ)技術(shù)的炮口沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng),并通過(guò)了靶場(chǎng)火炮射擊測(cè)試試驗(yàn)的驗(yàn)證。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)

1.1 系統(tǒng)組成及測(cè)試原理

測(cè)試系統(tǒng)主要由控制臺(tái)及測(cè)試電路裝置組成,測(cè)試電路裝置包括傳感器、電源管理模塊、FPGA邏輯器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、無(wú)線模塊等。進(jìn)行實(shí)彈測(cè)試時(shí),控制臺(tái)放置在安全距離外的掩體中,測(cè)試電路裝置按測(cè)點(diǎn)要求布設(shè)于炮口沖擊波場(chǎng)中?？刂婆_(tái)以無(wú)線通信方式控制測(cè)試電路的工作狀態(tài),根據(jù)測(cè)試要求進(jìn)行采樣頻率、放大倍數(shù)和觸發(fā)方式等相關(guān)參數(shù)的配置[3]。壓力傳感器采集到信號(hào)后送至A/D轉(zhuǎn)換器,A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)字量信號(hào)在FPGA的控制下存儲(chǔ)到FLASH芯片中,通過(guò)USB接口讀取閃存中的數(shù)據(jù)至計(jì)算機(jī)中,再對(duì)其進(jìn)行顯示處理。

測(cè)試系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 FPGA控制的可編程多重內(nèi)觸發(fā)

FPGA控制閃存進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí),存在兩種存儲(chǔ)方式:單次觸發(fā)存儲(chǔ)和多重觸發(fā)存儲(chǔ)[4]?；鹋诓僮鬟^(guò)程具有裝彈換藥的間歇性及射擊動(dòng)作的連續(xù)性,需要測(cè)試多個(gè)瞬態(tài)信號(hào),為了提高測(cè)試效率,選擇多重觸發(fā)技術(shù)[5]。設(shè)置多重觸發(fā)時(shí)需要設(shè)置內(nèi)觸發(fā)電平,內(nèi)觸發(fā)又稱為模擬信號(hào)自觸發(fā),由于壓力傳感器采集的炮口沖擊波超壓測(cè)試信號(hào)具有明顯的幅值和脈寬[6],可以通過(guò)編程設(shè)定不同的觸發(fā)閾值電壓,在系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)采樣的同時(shí)將采集到的信號(hào)通過(guò)快速比較器電路不斷的與之比較,為防止誤觸發(fā),當(dāng)傳感器輸出的模擬信號(hào)幅值連續(xù)6次達(dá)到觸發(fā)閾值電壓時(shí),才發(fā)出內(nèi)觸發(fā)信號(hào)使系統(tǒng)觸發(fā)。如圖2所示,為系統(tǒng)內(nèi)觸發(fā)原理圖?；鹋诿堪l(fā)射一次,布設(shè)的所有裝置分別觸發(fā)一次記錄一次,記錄完成后轉(zhuǎn)為待觸發(fā)狀態(tài);當(dāng)火炮下一次發(fā)射時(shí),再一次記錄,直到達(dá)到設(shè)定的重觸發(fā)次數(shù)[8],裝置內(nèi)存儲(chǔ)空間全部利用,達(dá)到在有效存儲(chǔ)空間里記錄更多的測(cè)試數(shù)據(jù)的目的,使裝置在火炮進(jìn)行連發(fā)射擊試驗(yàn)中表現(xiàn)出操作簡(jiǎn)單、測(cè)量效率高等優(yōu)勢(shì)。

圖2 內(nèi)觸發(fā)原理框圖

1.2.2 無(wú)線通信模塊

為了解決傳統(tǒng)引線式炮口沖擊波測(cè)試裝置布線費(fèi)時(shí)費(fèi)力、易引入噪聲、無(wú)法快速重新布設(shè)的問(wèn)題,并同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控測(cè)試裝置狀態(tài),在第一時(shí)間獲得測(cè)試數(shù)據(jù),該系統(tǒng)采用了基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的zigbee無(wú)線通信技術(shù)。

Zigbee是一種新型的低速率傳輸?shù)臒o(wú)線通信技術(shù),具有成本低、耗電少、遠(yuǎn)距離傳輸、多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)[7]。國(guó)軍標(biāo)規(guī)定,超過(guò)20個(gè)以上數(shù)量的傳感器組成點(diǎn)陣才能完整地測(cè)量炮口沖擊波[9]。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),25個(gè)終端無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的星型傳感網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線模塊中心,終端節(jié)點(diǎn)內(nèi)部設(shè)置如下表1所示。中心節(jié)點(diǎn)將終端節(jié)點(diǎn)編號(hào)碼和上電配置碼發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn),上電配置碼包括采樣頻率、觸發(fā)方式等具體的測(cè)試參數(shù)。終端節(jié)點(diǎn)收到后發(fā)送反饋碼給中心節(jié)點(diǎn),中心節(jié)點(diǎn)收到反饋碼后認(rèn)為上電成果,否則進(jìn)行復(fù)位操作,重新進(jìn)行配置。配置完成后中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送無(wú)線觸發(fā)信號(hào),保證了觸發(fā)信號(hào)的同步性,終端節(jié)點(diǎn)接收觸發(fā)信號(hào)后,特定觸發(fā)管腳保持300 ms的低電平后恢復(fù)高電平,此時(shí)不再對(duì)無(wú)線模塊供電,防止爆轟電離場(chǎng)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。在數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)完成后,讀取裝置的存儲(chǔ)信息。

表1 無(wú)線模塊內(nèi)部設(shè)置

圖3 系統(tǒng)軟件程序流程圖

1.2.3 LabVIEW軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)是基于LabVIEW設(shè)計(jì)的人機(jī)界面,本軟件最大的特點(diǎn)在于數(shù)據(jù)采集模塊的無(wú)線傳輸方式和數(shù)據(jù)顯示處理,此軟件通過(guò)無(wú)線可以對(duì)裝置進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置,對(duì)系統(tǒng)的放大倍數(shù)、采樣頻率、觸發(fā)方式等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,與下位機(jī)連接從而控制數(shù)據(jù)讀取的過(guò)程,顯示未經(jīng)任何處理的模擬量所對(duì)應(yīng)的數(shù)字量的數(shù)據(jù),可對(duì)同一次測(cè)試捕獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行多條對(duì)比,選擇多種濾波器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波,對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo),計(jì)算沖量等處理。LabView通過(guò)調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)與USB接口、RS232接口和PCI總線接口進(jìn)行通信[10]。系統(tǒng)的軟件程序流程圖如圖3所示。

2 激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)

為準(zhǔn)確地記錄炮口沖擊波超壓的整個(gè)變化過(guò)程,在使用前,必須對(duì)傳感器進(jìn)行測(cè)量超壓范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)。本次校準(zhǔn)是在激波管中進(jìn)行的,根據(jù)蘭基涅—胡果尼(Rankine-Hugoniot)方程,入射超壓平臺(tái)與波前馬赫數(shù)的關(guān)系為[11]:

(1)

(2)

式中:ΔP2為激波波前的入射超壓,P0為低壓式氣體初始?jí)毫?Ms為激波波前的馬赫數(shù),Vs=s/t為激波波前的傳播速度,s為兩測(cè)速傳感器之間的距離,t為激波經(jīng)過(guò)兩測(cè)速傳感器的時(shí)間間隔,T1為未擾動(dòng)時(shí)低壓室空氣的溫度。所用激波管原理圖如圖4所示。所用激波管低壓室長(zhǎng)7 m,內(nèi)壁直徑100 mm,將被校傳感器置于激波管尾端,感受標(biāo)準(zhǔn)壓力,后接Kistler5011電荷放大器,放電常數(shù)設(shè)為L(zhǎng)ong,采樣頻率為20 MHz,研究其輸出特性。

圖4 激波管原理圖

國(guó)軍標(biāo)中規(guī)定:炮口沖擊波測(cè)試使用傳感器的自振頻率應(yīng)大于75 kHz,上升時(shí)間不大于20 μs,過(guò)沖要盡量小[12]。從表2中的校準(zhǔn)結(jié)果來(lái)看,系統(tǒng)所用傳感器滿足國(guó)軍標(biāo)中關(guān)于炮口沖擊波超壓測(cè)試的要求。

表2 動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)結(jié)果

3 測(cè)試驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

由該炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)參與測(cè)試的某型號(hào)車載炮的炮口沖擊波超壓測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖5所示,現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)速1.4 m/s,相對(duì)濕度35%,氣溫29.5 ℃,測(cè)試環(huán)境氣象條件滿足要求,設(shè)置射擊角度30°,傳感器的敏感面與炮口在同一條直線上,按照國(guó)軍標(biāo)中對(duì)炮口沖擊波測(cè)試的測(cè)點(diǎn)布設(shè)要求[13-14]進(jìn)行布設(shè),布設(shè)兩套裝置進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn),測(cè)試裝置分別安裝在炮口的+135°(距炮口5 m,傳感器敏感面距地面距離1.9 m)和-135°(距炮口10 m,傳感器敏感面距地面距離1.58 m)位置。選擇PCB公司中高頻特性良好的113A27型壓力傳感器。火炮發(fā)射前,控制臺(tái)通過(guò)無(wú)線配置各測(cè)點(diǎn)的增益、采樣頻率、觸發(fā)方式等參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)束后回收裝置讀取數(shù)據(jù)。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖6所示分別為所測(cè)得的經(jīng)過(guò)MATLAB處理的10 m、5 m處炮口沖擊波超壓曲線[15],其中10 m超壓曲線是在無(wú)線觸發(fā)狀態(tài)下獲取的,5 m超壓曲線是在重觸發(fā)下獲取的。

圖6 實(shí)測(cè)炮口沖擊波超壓曲線

圖6為10 m和5 m位置測(cè)得的單次沖擊波超壓曲線,圖7為5 m位置進(jìn)行十次炮口沖擊波測(cè)試所得未經(jīng)處理的測(cè)試曲線,圖中十個(gè)紅色部分為十次重觸發(fā)時(shí)設(shè)置的負(fù)延時(shí)部分,由試驗(yàn)所得超壓曲線分析可知,無(wú)線觸發(fā)和重觸發(fā)方式在實(shí)彈測(cè)試中都準(zhǔn)確的測(cè)到了試驗(yàn)數(shù)據(jù),性能表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。同一高度時(shí)10 m位置的超壓峰值為23.62 kPa,小于5 m位置的48.68 kPa,10 m處超壓曲線的A-持續(xù)時(shí)間為3.6 ms,大于5 m處超壓曲線1.8 ms的A-持續(xù)時(shí)間,B-持續(xù)時(shí)間則隨著測(cè)點(diǎn)距離的增加而減小。從試驗(yàn)測(cè)得的炮口沖擊波超壓曲線可以看出存在多個(gè)超壓峰值,屬于典型炮口沖擊波超壓曲線,很好的反映了炮口沖擊波的衰減規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)可控性強(qiáng),靈活方便,可靠性高。

圖7 重觸發(fā)測(cè)得的十次炮口沖擊波曲線

4 結(jié)論

炮口沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)借助FPGA和無(wú)線通信技術(shù),實(shí)現(xiàn)了測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確可靠,提高了測(cè)試效率,實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控,系統(tǒng)軟件采用LabVIEW設(shè)計(jì),更靈活方便,處理能力強(qiáng)。激波管動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)技術(shù)確保了系統(tǒng)的測(cè)量精度;無(wú)線觸發(fā)和內(nèi)觸發(fā)組合應(yīng)用,滿足了炮口沖擊波的測(cè)試要求。靶場(chǎng)試驗(yàn)表明在測(cè)試領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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焦耀晗(1988-),男,河北省石家莊市人,碩士研究生,主要研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器;

徐鵬(1969-)男,教授,中北大學(xué)理學(xué)院副院長(zhǎng),碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)楦邲_擊動(dòng)態(tài)測(cè)試技術(shù);

杜紅棉(1977-),女,遼寧省錦州市人,中北大學(xué)副教授。主要從事爆炸沖擊波測(cè)試技術(shù)等方面的研究。

DesignandImplementationofMuzzleBlastWaveMeasuringSystemBasedonFPGAandWirelessCommunication

JIAOYaohan1,2,XUPeng1,2,DUHongmian1,2*,LIUFan1,2,LIANGYongye1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory Instrumentation Science & Dynamic Measurement Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

As site environment of the muzzle blast wave overpressure measurement is very harsh,in order to improve the accuracy and flexibility of test system,a design of muzzle blast test system based on field programmable gate array(FPGA)and wireless communications is given in the article. Result of dynamic calibration based on shock tube shows that the system meet the basic requirements of military specifications on the muzzle blast wave overpressure test. The system was tested in several live ammunition tests and all obtained the curves of the muzzle blast wave overpressure successfully. The experimental results indicate that the system has the advantages of small volume,low power consumption,flexibility,etc. And has a good application prospect in the muzzle shock wave test.

storage testing;muzzle blast wave;wireless transmission;FPGA

2014-02-27修改日期:2014-09-30

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.026

TM932

:A

:1004-1699(2014)11-1585-04