楊 磊,尤文斌,丁永紅,王海霞,姚 悅

(1 電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051;2 中北大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院,太原 030051)

0 引言

爆炸沖擊波超壓是評價武器戰(zhàn)斗部毀傷效能的重要參數(shù),在彈藥研制和驗收等過程中具有重要意義[1]。目前,國內(nèi)外沖擊波超壓測試的主要方法是引線電測法和存儲測試法[2-3]。引線電測法優(yōu)點在于可以實時監(jiān)控裝置工作狀態(tài),但卻存在抗干擾能力差的問題[4];存儲測試法具有抗干擾性強的優(yōu)點,但存在不能實時監(jiān)測裝置工作狀態(tài),無法確保多個裝置時基統(tǒng)一以及數(shù)據(jù)回收困難等問題[5]。

針對上述方法的不足,有機的將北斗授時技術(shù)、無線通信技術(shù)和沖擊波存儲技術(shù)相結(jié)合,設(shè)計了一種具有時基統(tǒng)一和數(shù)據(jù)無線讀取功能的沖擊波超壓測試系統(tǒng),解決了在惡劣條件下,無法確定沖擊波信號到達的時間順序以及數(shù)據(jù)回收不便的難題。

1 總體設(shè)計方案

該系統(tǒng)主要由存儲測試節(jié)點和無線遠程綜合控制平臺組成,系統(tǒng)框圖如圖1所示。

在實際測試中,無線遠程綜合控制平臺安放在安全區(qū)域,存儲測試節(jié)點布設(shè)在爆炸區(qū)內(nèi)的測試點。存儲測試節(jié)點主要完成爆炸時沖擊波超壓信號的采集存儲和數(shù)據(jù)交互通信功能,遠程綜合控制平臺通過無線通信的方式[6-7]對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行快速獲取以及對存儲測試節(jié)點工作狀態(tài)進行監(jiān)控。

2 電路設(shè)計

2.1 北斗授時系統(tǒng)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou navigation satellite system,BDS)擁有20～100ns精度的時間同步授時功能[8-9]。北斗定位模塊輸出2種時間信號,一種為1PPS同步脈沖信號,另一種為串行數(shù)據(jù)[10]。1PPS同步脈沖信號是接收機通過端口每隔一段時間輸出一個脈沖,同步精度高、穩(wěn)定性優(yōu)良、控制簡單方便且無累積誤差;串行數(shù)據(jù)單獨使用時方法復(fù)雜,難以準確控制。文中使用UM220-Ⅲ型BDS/GPS雙模授時模塊,典型參數(shù)如表1所示。

表1 UM220-Ⅲ模塊典型參數(shù)

2.2 授時模塊電路

沖擊波測試環(huán)境惡劣,信號持續(xù)時間短,為了滿足測試需求,保證相對時間統(tǒng)一,系統(tǒng)將1PPS脈沖作為時間同步信號。圖2為北斗授時模塊電路原理圖。

2.3 斷線同步設(shè)計

將儲存測試節(jié)點觸發(fā)導(dǎo)線引到彈藥外殼進行纏繞固定但不與彈體短接[11],導(dǎo)線一端接通光電隔離器連接CPLD引腳,增強其抗干擾能力,另一端接地或高電平。在戰(zhàn)斗部爆炸瞬間時,導(dǎo)線斷開,產(chǎn)生脈沖信號,信號同時傳至各個存儲測試節(jié)點,同步進入順序?qū)憼顟B(tài)。

2.4 存儲測試節(jié)點設(shè)計

存儲節(jié)點主要由傳感器及其調(diào)理電路、AD轉(zhuǎn)換電路、Flash存儲模塊、USB接口、無線終端、北斗授時模塊和控制單元組成,原理結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。存儲節(jié)點以CPLD和MSP430構(gòu)成的控制單元為核心,由其控制與綜合控制平臺的信息交互、數(shù)據(jù)存儲以及北斗授時模塊的工作狀態(tài)。

存儲測試節(jié)點上電后,無線終端與綜合控制平臺進行組網(wǎng)連接,通過綜合控制平臺可對其進行參數(shù)配置。實驗時,遠程綜合控制平臺通過無線終端向存儲測試節(jié)點發(fā)出啟動命令,存儲節(jié)點啟動進入負延遲存儲空間。在檢測到觸發(fā)信號后,進入順序?qū)懣臻g進行存儲。測試完成后,可以通過無線終端快速獲取各個測試存儲節(jié)點的關(guān)鍵數(shù)據(jù)以及時基統(tǒng)一信息,也可以回收測試節(jié)點后,通過USB口獲取完整的存儲數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時基統(tǒng)一原理

該系統(tǒng)采用北斗授時和斷線觸發(fā)共同保障時基統(tǒng)一。存儲測試節(jié)點在接收到遠程綜合控制平臺的啟動信號后啟動北斗授時模塊,授時模塊發(fā)出1PPS脈沖信號給CPLD作為計數(shù)時間基準,與此同時存儲測試節(jié)點進入負延遲存儲狀態(tài)。由于實驗條件不同,有時需要長時間等待后才觸發(fā),所以計數(shù)器在每個1PPS脈沖信號后進行清零。測試彈起爆時,固定在彈體外部的導(dǎo)線被炸斷產(chǎn)生脈沖信號,使整個系統(tǒng)進入順序存儲狀態(tài),同時將計數(shù)器當前數(shù)值存入MSP430內(nèi)部Flash中作為相對參考零時,CPLD停止接收1PPS脈沖,當CPLD檢測到?jīng)_擊波壓力信號超過設(shè)定的內(nèi)觸發(fā)閾值后,即波陣面到達節(jié)點時,計數(shù)器停止計數(shù),再次將數(shù)值存入單片機中。

各個存儲測試節(jié)點接收到1PPS脈沖和斷線信號是同步的,但計數(shù)器停止時間不同,根據(jù)計數(shù)值可推算出起爆后,沖擊波到達各個測試節(jié)點的相對時間,相對時間計算公式為:

(1)

式中：t為沖擊波到達測試節(jié)點的時間；C0為斷線時計數(shù)值；Ci(i為存儲測試節(jié)點序號)為內(nèi)觸發(fā)時計數(shù)值；fs為計數(shù)頻率。

3.2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)獲取

沖擊波關(guān)鍵數(shù)據(jù)獲取主要針對惡劣條件下存儲測試節(jié)點回收困難[12]而設(shè)計。通常一次實驗需要十幾到幾十個存儲測試節(jié)點,測試節(jié)點采樣率1MHz,存儲容量128MB,若將節(jié)點回收后獲取數(shù)據(jù)或通過無線讀取全部數(shù)據(jù)需要很長時間,而沖擊波超壓有效時長一般在十幾毫秒以內(nèi)[6],即有效數(shù)據(jù)只有幾十千字節(jié),故設(shè)計了關(guān)鍵數(shù)據(jù)的快速獲取功能。通過內(nèi)觸發(fā)地址進行回溯檢索,確定關(guān)鍵數(shù)據(jù)位置,進行數(shù)據(jù)回傳,其原理如圖4所示。

由計數(shù)值可以確定起爆時刻S0和沖擊波波陣面到達時刻Si,讀取Si時刻前D1(10kB)和Si后D2(50kB)兩段數(shù)據(jù)與S0和Si,即為沖擊波關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

存儲測試節(jié)點關(guān)鍵數(shù)據(jù)獲取流程圖如圖5所示。

4 實驗測試

4.1 時基統(tǒng)一測試

實際測試時,需要多個存儲測試節(jié)點同時工作,為了驗證北斗授時模塊授時精度和穩(wěn)定性,在室外利用示波器對北斗模塊的同步性進行了多次測試,模塊最大時間差為87ns,圖6為其中一次兩個北斗授時模塊1PPS信號同步測試結(jié)果。1PPS信號同步時間誤差始終保持在100ns以內(nèi),可以保證系統(tǒng)的時基統(tǒng)一,滿足測試需求。

4.2 實際測試

為了驗證系統(tǒng)在實際惡劣條件下的穩(wěn)定性和可靠性,進行了靜爆實驗測試。實際測試中,在爆心一側(cè)布設(shè)了21個存儲測試節(jié)點,分別距爆心7m、11m和17m,圖7、圖8和圖9分別為現(xiàn)場測試節(jié)點分布示意圖、測試現(xiàn)場和存儲測試節(jié)點實物。

圖10為通過無線獲取的A1、B1和C1三個存儲測試節(jié)點的關(guān)鍵沖擊波超壓數(shù)據(jù)。將各個存儲測試節(jié)點通過無線傳輸獲取的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行解算,可以得出測試節(jié)點所記錄的相對時間等信息,表2為部分實驗數(shù)據(jù)解算結(jié)果。

表2 部分測試節(jié)點關(guān)鍵數(shù)據(jù)統(tǒng)計表

表2中,將斷線計數(shù)值和內(nèi)觸發(fā)計數(shù)值通過式(1)進行解算,得到波陣面到達各個存儲測試節(jié)點的相對時間。通過表2可以看出有效數(shù)據(jù)長度遠小于無線獲取的數(shù)據(jù)長度,所以設(shè)計的關(guān)鍵數(shù)據(jù)讀取方式可以完整的獲取有效數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

文中介紹了一種具有時基統(tǒng)一和關(guān)鍵數(shù)據(jù)快速獲取功能的沖擊波超壓測試系統(tǒng)。經(jīng)實驗驗證,系統(tǒng)具有良好的時基統(tǒng)一特性,能夠在惡劣環(huán)境中快速獲取沖擊波關(guān)鍵數(shù)據(jù),同步時間誤差可達微秒級。獲取的數(shù)據(jù)具有時基統(tǒng)一性,能夠更加準確的評價沖擊波場中的毀傷效能,為后續(xù)數(shù)據(jù)處理及沖擊波場重建提供可靠的依據(jù)。