許吉斌，展勇忠，冉玉忠

(湖南云箭集團公司研發(fā)中心，湖南 長沙 410100)

0 引言

在彈藥的研制過程中，需要進行大量的試驗，獲取其作用過程的動態(tài)參數(shù)及影像資料，從而為其功能、性能的評判提供依據(jù)，為其下一步的改進提供數(shù)據(jù)支撐；這些信息和參數(shù)的采集主要依靠各類高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備完成。高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要用于采集和記錄短時間內(nèi)的瞬變信息，一般具有負延時功能，可通過軟件設(shè)置負延時時間。由于其存儲時間較短，因此需采用外部信號對其進行觸發(fā)并實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集記錄。

目前主流的高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備觸發(fā)控制方式主要包括人工有線觸發(fā)法、引線電測法和存儲測試法等[1]。人工有線觸發(fā)法常見于小當量彈藥的靜態(tài)爆破試驗高速數(shù)據(jù)采集中，操作人員直接通過與高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連的控制器對其進行觸發(fā)，該方法實現(xiàn)簡單，觸發(fā)可靠性較高，但對控制距離有較大限制，無法滿足彈藥試驗安全距離要求[2-3]。引線電測法是將傳感器布置在參試彈藥周圍，利用電纜將其與高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備相連，通過傳感器感知彈藥作用的特征參數(shù)從而實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備的觸發(fā)，該方法可實時監(jiān)控參試彈藥的試驗情況，但由于彈藥試驗環(huán)境復雜，使用該方法極易造成誤觸發(fā)，且采集到的數(shù)據(jù)干擾噪聲較大[4-5]。存儲測試法是將傳感器集成于高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備上，通過事后回收的方式獲取試驗數(shù)據(jù)，該方法能有效消除布設(shè)電纜引入的噪聲，提高測試數(shù)據(jù)信噪比，卻依然不能改變傳感器門限值設(shè)置要求較高，在復雜環(huán)境下易誤觸發(fā)的問題[6-10]。上述主流的觸發(fā)控制方式都存在自身局限性，一般不具備多設(shè)備同步觸發(fā)的功能，對數(shù)據(jù)的分析帶來了困難。

彈藥試驗具有試驗環(huán)境復雜，試驗過程風險較大和多高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備協(xié)同試驗數(shù)據(jù)同步性要求較高等特征。因此，本文在不改變現(xiàn)有高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備的前提下，提出了將遠程無線控制和同步有線觸發(fā)相結(jié)合的遠程同步高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作模式

1.1 系統(tǒng)組成

當進行彈藥靶試試驗或戰(zhàn)斗部靜態(tài)、動態(tài)爆破試驗時，試驗存在較大風險，整個過程中操作人員需撤離到距待測點數(shù)公里外的安全區(qū)域，無法近距離的對數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行操作。因此本文提出將遠程同步高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)劃分為三個部分，分別為遠程遙控設(shè)備、遙控觸發(fā)設(shè)備和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備。其組成框圖如圖1所示。

其中遠程遙控設(shè)備由控制面板、電源模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、信號處理模塊、發(fā)射及接收天線等組成，主要完成測試和控制指令的發(fā)送及反饋的接收和指示。

遙控觸發(fā)設(shè)備由電源模塊、接收模塊、發(fā)射模塊、信號處理模塊、發(fā)射及接收天線等組成，主要完成測試和控制指令的接收、判決，高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備觸發(fā)電平信號的產(chǎn)生、發(fā)送，以及測試和控制反饋信號的發(fā)送。

高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要包括高速圖像采集設(shè)備、沖擊波測試設(shè)備等，主要實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的采集和存儲。

1.2 系統(tǒng)工作模式

由于本系統(tǒng)采用無線通信的方式實現(xiàn)遠程同步觸發(fā)，因此其通信信道是否受到干擾直接影響遠程控制的成功與否。當操作人員撤離彈藥試驗場地后，遙控觸發(fā)設(shè)備處于無人值守狀態(tài)，此時，為了在防止誤觸發(fā)的前提下對通信信道進行測試，確定遠程遙控設(shè)備和遙控觸發(fā)設(shè)備的通信功能是否正常，本系統(tǒng)設(shè)計了測試和控制兩種工作模式。兩種工作模式存在以下兩方面區(qū)別：

1)按鈕及指示燈不同

為了使操作人員能直觀的通過控制面板對系統(tǒng)的工作模式及工作情況進行操作和觀察，本系統(tǒng)分別針對測試工作模式和控制工作模式設(shè)置了按鈕和指示燈。

2)工作流程不同

當遠程控制設(shè)備中的測試或控制按鈕被按下時，設(shè)備生成相應的指令并對其進行編碼、調(diào)制、上變頻、功率放大和濾波輸出。遙控觸發(fā)設(shè)備對接收到的指令進行下變頻、解調(diào)、解包、判決；若判定系統(tǒng)工作在測試模式時，遙控觸發(fā)設(shè)備直接向遠程遙控設(shè)備發(fā)出測試反饋；若判定系統(tǒng)工作在控制模式時，遙控觸發(fā)設(shè)備同步輸出多路觸發(fā)電平信號，對多個高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行同步觸發(fā)，之后向遠程控制設(shè)備發(fā)送控制反饋信號。

通過兩種工作模式的切換和配合，使得操作人員可以在彈藥試驗場地無人值守的情況下，確定系統(tǒng)無線信道的狀況。

2 高可靠性遠程同步無線控制

由于彈藥試驗環(huán)境較為復雜，試驗過程中存在大量噪聲信號，且當多個高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備協(xié)同工作時，需要有統(tǒng)一的時統(tǒng)，供時序分析時使用，因此本文提出通過指令/反饋信號有效性判決提高觸發(fā)的可靠性，同時選用MOSFET作為開關(guān)器件設(shè)計同步觸發(fā)電路，利用其高開關(guān)速率的特性，保證多路開關(guān)量觸發(fā)信號的同步性。

2.1 指令/反饋信號有效性判決

遠程遙控設(shè)備與遙控觸發(fā)設(shè)備之間的通信采用PCM/FM傳輸體制，且要求其滿足“指令/反饋通信協(xié)議”的要求，該通信協(xié)議主要用于規(guī)定指令和相應反饋信號的格式、通信頻點等。它包含指令協(xié)議和反饋信號協(xié)議兩部分。

指令協(xié)議：工作頻點為1 750 MHz，測試/控制指令滿足指令格式，指令長度為8 Byte，格式如表1。

表1 指令格式Tab.1 The instruction format

反饋信號協(xié)議：工作頻點為1 770 MHz，測試/控制反饋信號滿足反饋信號格式，反饋信號長度為8 Byte，格式如表2。

表2 反饋信號格式Tab.2 The feedback signal format

當遠程遙控設(shè)備和遙控觸發(fā)設(shè)備接收到信號之后，先根據(jù)指令/反饋通信協(xié)議對數(shù)據(jù)進行分包處理，提取出有效的指令或反饋信號，再對指令或反饋信號進行 “收五判三”判決，即當連續(xù)收到五包指令或反饋后，對其進行判決，若同一指令或反饋數(shù)量大于三包，則認為指令或反饋信號有效。采用該方式對指令和反饋進行編碼和判決，可以極大地降低信號傳輸過程中產(chǎn)生誤碼導致的誤觸發(fā)。

2.2 同步觸發(fā)電路

在同步觸發(fā)電路中，開關(guān)量信號輸出的同步性直接由開關(guān)器件的選擇決定。相較于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，MOSFET的漏極電流由柵極電壓控制，它不但具有驅(qū)動電路簡單，驅(qū)動功率小的特點，還是當前開關(guān)速率最高的電子開關(guān)器件。

針對同步觸發(fā)要求，本系統(tǒng)采用MOSFET作為電子開關(guān)設(shè)計了開關(guān)量控制電路，電路圖如圖2所示。

當遙控觸發(fā)設(shè)備收到有效控制指令后，信號處理模塊FPGA的IO口輸出高電平控制三極管導通，使三極管的集電級與地導通，控制IRLML6401型PMOS管的柵極為低電平，PMOS管的柵極與源極有負向電壓且大于其門限電壓，此時PMOS管源極、漏極導通，實現(xiàn)5 V觸發(fā)電平輸出。

圖2 開關(guān)量控制電路Fig.2 The digital control circuit

通過該電路，可以將每一路觸發(fā)信號的上升沿或下降沿輸出時間控制在30 ns左右，其理論同步延時為納秒級。保證了觸發(fā)的同步性，為多高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備協(xié)同工作時的數(shù)據(jù)時序分析提供了可靠的時統(tǒng)。

3 試驗驗證

該遠程同步高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)可應用于各類的彈藥靶試試驗和戰(zhàn)斗部靜態(tài)、動態(tài)爆破試驗中。

3.1 驗證試驗設(shè)計與實施

為了驗證本系統(tǒng)是否適應彈藥試驗場景，本文以某彈藥為試驗對象，利用本系統(tǒng)控制多個高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備對其靜爆數(shù)據(jù)進行同步采集。參試高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括高速圖像采集設(shè)備1臺，沖擊波信號采集設(shè)備8臺。

試驗過程如下：

步驟一 系統(tǒng)架設(shè)及調(diào)試。將沖擊波信號采集設(shè)備沿兩條直線相互垂直布置于爆心徑向方向，距爆心分別7 m，12 m，30 m及45 m，將高速圖像采集設(shè)備及遙控觸發(fā)設(shè)備布置在距離爆心200 m處掩體后，分別用電纜將各高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備與遙控觸發(fā)設(shè)備相連，各高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備負延時時間設(shè)置為1 s。遠程遙控設(shè)備布置于安全區(qū)域內(nèi)(位置距離爆心3 km外)，其布站示意圖如圖3所示。

步驟二 操作人員撤離到安全區(qū)域。

步驟三 通信信道測試。操作人員按下測試按鈕對系統(tǒng)進行測試；遠程遙控設(shè)備點亮“測試指令指示燈”，同時生成并發(fā)出測試指令；遙控觸發(fā)設(shè)備接收測試指令并對其進行判決，若判定為測試指令，則生成并發(fā)出測試反饋信號；遠程遙控設(shè)備接收測試反饋信號并對其進行判決，若確認為測試反饋信號，則點亮“測試反饋信號燈”。

圖3 布站示意圖Fig.3 The station placement

步驟四 高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備遠程同步觸發(fā)控制。操作人員通過光測等手段對彈藥作用情況進行觀察，若戰(zhàn)斗部爆破，則按下控制按鈕；遠程遙控設(shè)備點亮“控制指令指示燈”，同時生成并發(fā)出控制指令；遙控觸發(fā)設(shè)備接收控制指令并對其進行判決，若判定為控制指令，則控制輸出多路開關(guān)量信號同步觸發(fā)高速圖像采集設(shè)備和沖擊波信號采集設(shè)備進行數(shù)據(jù)記錄，生成并發(fā)出控制反饋信號；遠程遙控設(shè)備接收控制反饋信號并對其進行判決，若確認為控制反饋信號，則點亮“控制反饋信號燈”。

步驟五 判斷觸發(fā)控制結(jié)果。若操作人員觀察到 “控制反饋信號燈”點亮，則認為遠程同步觸發(fā)成功。

步驟六 試驗數(shù)據(jù)回收與分析。試驗結(jié)束后，對各高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備進行回收、數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)分析。

3.2 試驗結(jié)果分析

通過對各設(shè)備所采集到的數(shù)據(jù)進行分析，可知各高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備均正常同步觸發(fā)。其中高速圖像采集設(shè)備采集到的戰(zhàn)斗部作用時間零點為同步觸發(fā)后285.5 ms，沖擊波信號采集設(shè)備沖擊波到達時刻、超壓峰值與排列位置的關(guān)系如表3所示。

表3 試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.3 Experimental data statistics

各沖擊波信號采集設(shè)備的測得的沖擊波曲線如圖4所示。

圖4 沖擊波曲線Fig.4 The shock wave

從試驗結(jié)果可以看出，距爆心相同距離的沖擊波數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集到的正壓時間差距均小于1 ms，說明系統(tǒng)具有較好的同步觸發(fā)能力。系統(tǒng)中各高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備均未出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象，采集到的圖像及沖擊波信號時序均與預計結(jié)果相符。

4 結(jié)論

本文提出了一種遠程同步高速數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用遠程同步無線控制機制，通過指令/反饋信號有效性判決提高信號的可靠性，同時選用MOSFET作為開關(guān)器件設(shè)計同步觸發(fā)電路，保證多路開關(guān)量觸發(fā)信號的同步性。試驗表明，該系統(tǒng)同步觸發(fā)精度小于1 ms，多次試驗中未出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象，可實現(xiàn)對彈藥試驗數(shù)據(jù)的多設(shè)備高可靠性遠程同步觸發(fā)采集。