楊 帆，吳志強，王 宇

(南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

微機電系統(tǒng)(micro electro mechanical systems,MEMS)慣性傳感器是檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉(zhuǎn)和多自由度運動的傳感器，是解決導(dǎo)航、定向和運動載體控制的重要部件。MEMS慣性傳感器安裝在智能彈藥中，用于測量彈體位姿。彈載飛行數(shù)據(jù)記錄儀的作用是為位姿測量系統(tǒng)的研制提供試驗數(shù)據(jù)，方便測量系統(tǒng)的設(shè)計與完善。

MEMS慣性傳感器是位姿測量系統(tǒng)的重要部件。測量系統(tǒng)安放在彈體狹小的內(nèi)部，跟隨炮彈飛行，在炮彈發(fā)射瞬間，要承受幾萬個重力加速度的沖擊[1-2]。測量系統(tǒng)在如此高的過載情況下上電工作，慣性器件內(nèi)部微機械結(jié)構(gòu)將被破壞[3]，導(dǎo)致彈載記錄儀無法可靠獲取記錄數(shù)據(jù)。

為了保護MEMS慣性傳感器在高過載情況下不受破壞，國內(nèi)外學(xué)者從結(jié)構(gòu)設(shè)計上進行抗過載優(yōu)化，在折疊梁結(jié)構(gòu)、音叉式微機械陀螺結(jié)構(gòu)、在線振動結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，采用質(zhì)量塊的靜電力限位機構(gòu)等方法，均可獲得10 000g或者更好的抗過載效果。業(yè)界達成了共識，在上電工作前，慣性器件處于鎖定狀態(tài)，以承受非常高的過載沖擊。因此，帶有MEMS慣性傳感器的位姿測量系統(tǒng)需要在炮彈出膛后上電工作。

彈載飛行數(shù)據(jù)記錄儀為位姿測量系統(tǒng)提供電源。為滿足測量系統(tǒng)出膛后上電的需求，設(shè)計了一種具有過載上電功能的彈載飛行數(shù)據(jù)記錄儀。該記錄儀的電源系統(tǒng)配置機械開關(guān)與加速度計開關(guān)兩種過載開關(guān)，配合延時電路，實現(xiàn)位姿測量系統(tǒng)出膛以后自動上電，保證測量系統(tǒng)在過載環(huán)境中不被破壞。同時，為了保證供電回路和數(shù)據(jù)記錄儀在高過載環(huán)境下的穩(wěn)定、可靠，設(shè)計了鋰電池與大電容并聯(lián)的供電方式，并使用導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂膠灌封系統(tǒng)。

1 方案設(shè)計

記錄儀系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1中：實線箭頭表示數(shù)據(jù)總線，虛線箭頭表示信號線。

圖1 記錄儀系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of recorder system

為了保證電源在炮彈出膛后給測量系統(tǒng)上電，設(shè)計了一種過載上電的彈載飛行數(shù)據(jù)記錄儀。在炮彈發(fā)射時觸發(fā)過載開關(guān)，經(jīng)過短暫延時后電路中的繼電器閉合，電源模塊給位姿測量系統(tǒng)供電。

基于過載上電的功能，實現(xiàn)對加速度與角速度信號的采集、存儲、回讀的功能。該記錄儀包括處理器、數(shù)據(jù)采集與處理單元、存儲單元以及電源模塊。其中，處理器負(fù)責(zé)讀取數(shù)據(jù)采集處理單元輸出的數(shù)據(jù)并將其存入Flash中，在記錄儀回收以后負(fù)責(zé)讀取Flash中的數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)采集處理單元用于將位姿測量系統(tǒng)輸入的RS-422信號送給處理器；存儲單元用于記錄炮彈的位姿數(shù)據(jù)；電源模塊給記錄儀供電，并實現(xiàn)過載上電功能，在炮彈出膛后給位姿測量系統(tǒng)供電。

2 硬件設(shè)計

2.1 處理器STM32

處理器作為彈載記錄儀的核心，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的存儲與讀取操作?？紤]到處理器的性能特征和開發(fā)的快捷簡單程度，選擇意法半導(dǎo)體公司的STM32F411CEU6作為主控芯片[4]。該處理器具備以下性能特征。

①采用了ARM公司的32位CortexTM-M4 內(nèi)核，較其他處理器芯片性能強。

②工作頻率高達168 MHz，處理速度快。

③可進行浮點數(shù)運算。

④內(nèi)部集成數(shù)字信號處理器(digital signal processing,DSP)指令集，開發(fā)速度快。

⑤存儲空間大，存儲空間擴展性強。

⑥外設(shè)豐富，不需要對外設(shè)驅(qū)動進行單獨的設(shè)計。

⑦內(nèi)部集成硬件調(diào)試功能，調(diào)試時方便查看內(nèi)部狀態(tài)。

⑨循環(huán)冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)計算單元、電源監(jiān)控器、看門狗定時器、時鐘控制器等高度集成。

2.2 存儲單元

由于本存儲模塊在導(dǎo)彈武器裝備測試系統(tǒng)中，主要用于記錄炮彈飛行過程中的各種參數(shù)[5]，要求存儲容量大、存儲速度快、性能穩(wěn)定。如前文所述，本文使用Nor Flash作為存儲介質(zhì)芯片。

2.3 電源模塊

記錄儀著重對電源模塊進行優(yōu)化設(shè)計，其特點是過載發(fā)生后自動給位姿測量系統(tǒng)上電，使用鋰電池與大電容并聯(lián)的方案保證供電電壓的穩(wěn)定、可靠。

記錄儀裝入炮彈前手動打開記錄儀電源，使其處于待機狀態(tài)。炮彈發(fā)射瞬間，過載開關(guān)觸發(fā)，RC延時電路延遲延時一段時間后，記錄儀的電源模塊給測量系統(tǒng)供電。

為了實現(xiàn)過載上電功能，電源模塊配置了機械開關(guān)與加速度計開關(guān)，任意開關(guān)打開都能夠觸發(fā)繼電器閉合，使模塊對外供電。采用大電容與鋰電池并聯(lián)的方案，在發(fā)射瞬間，如果鋰電池受到過載沖擊導(dǎo)致電壓不穩(wěn)定，那么在這個時間內(nèi)，可以通過大電容放電維持供電電壓穩(wěn)定。電源模塊框圖如圖2所示。

圖2 電源模塊框圖Fig.2 Power module block diagram

2.3.1 機械開關(guān)

機械過載開關(guān)在工作過程中,質(zhì)量塊敏感加速度過載,在加速度過載作用下,質(zhì)量塊運動產(chǎn)生位移和慣性力,壓縮彈簧克服摩擦力和接觸系統(tǒng)反力,切斷導(dǎo)線而輸出過載信號[6]。機械開關(guān)電路結(jié)構(gòu)如圖3所示，機械開關(guān)電路原理如圖4所示。

圖3 機械開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of mechanical switch structure

圖4 機械開關(guān)電路原理框圖Fig.4 Schematic diagram of mechanical switch circuit

圖4中，剪切銷模塊受過載切斷內(nèi)部導(dǎo)線，觸發(fā)延時電路。通過改變延時電路電阻R與電容C可調(diào)整延時時間T，其中R、C、T三者關(guān)系如下。此處UCC為模塊供電電壓，Uout為輸出電壓。

由于炮彈發(fā)射過程中過載持續(xù)時間在20 ms之內(nèi)，為了保證測量系統(tǒng)不受過載影響，取電阻R15=100 kΩ、C10=10 μF，此時延時時間約為1.2 s。

延時過后，延時電路輸出高電平信號。經(jīng)施密特觸發(fā)器、邊沿觸發(fā)器整形之后，輸出穩(wěn)定的電壓信號。該信號使繼電器閉合，電源開始對外供電。

2.3.2 加速度計開關(guān)

加速度計是感受加速度并完成開關(guān)觸點狀態(tài)變化的慣性器件，其觸點狀態(tài)受加速度的大小與方向影響[7]。本設(shè)計選用ADXL1004。它具有穩(wěn)定和可重復(fù)的敏感性。

加速度計開關(guān)電路原理框圖如圖5所示。

圖5 加速度計開關(guān)電路原理框圖Fig.5 Schematic diagram of accelerometer switch circuit

加速度計開關(guān)與機械開關(guān)原理相同，加速度計電路在過載條件下輸出脈沖信號，觸發(fā)邊沿觸發(fā)器輸出高電平信號。該信號觸發(fā)延時電路，經(jīng)過一段時間延時后通過施密特觸發(fā)器整形，輸出高電平信號。該信號使繼電器閉合，電源開始對外供電。

與機械開關(guān)不同的是，加速度計開關(guān)的觸發(fā)信號是加速度計在炮彈發(fā)射瞬間產(chǎn)生的過載脈沖。另外，加速度計作為一種電子元器件可以多次觸發(fā)，相比機械開關(guān)可靠性要低一些；機械開關(guān)由于其固有的機械特性，一旦觸發(fā)成功，則該開關(guān)失效。

2.3.3 電源并聯(lián)設(shè)計

為了增加電源可靠性，保證電源供電電壓穩(wěn)定，電源模塊使用兩塊鋰電池與一個大電容。

電池并聯(lián)電路原理圖如圖6所示。

圖6 電池并聯(lián)電路原理框圖Fig.6 Principle block diagram of battery parallel circuit

為了提高電容的供電能力，選用大電容PHV-5R4V505-R。其電容值高達5 F。使用前，先對電池和電容充電；使用時，由于三路電源并聯(lián)，由電壓高者對系統(tǒng)供電。如果鋰電池在發(fā)射過程中電壓因過載而降低，那么在這段時間內(nèi)，系統(tǒng)將由電容提供能量。

2.3.4 保護性設(shè)計

①灌封。

為了保護電路結(jié)構(gòu)，電路板使用導(dǎo)熱環(huán)氧樹脂膠灌封固化而成。選用環(huán)氧樹脂作為灌封材料將電路部分灌封成一個組件，從而提升電路自身的抗沖擊能力[8]。灌封用環(huán)氧樹脂是由環(huán)氧樹脂主劑和固化劑組成。當(dāng)對產(chǎn)品有額外工藝要求時，還會加入其他成分滿足稀釋、增韌等要求，若需要增加環(huán)氧樹脂的某一技術(shù)性能，可在環(huán)氧樹脂中添加填料，如活性炭粒子、玻璃微珠等[9-10]。其固化后產(chǎn)物分子結(jié)構(gòu)緊致，分子間內(nèi)聚力強；電性能好，粘結(jié)性強；內(nèi)應(yīng)力小、不易開裂；配方靈活，不含雜質(zhì)，可保證電路結(jié)構(gòu)在炮彈發(fā)射過程中不被損壞[11]。

②開關(guān)裝配。

過載開關(guān)安裝示意圖如圖7所示。

圖7 過載開關(guān)安裝示意圖Fig.7 Overload switch installation diagram

過載開關(guān)沿炮彈軸向安裝，既能滿足炮彈發(fā)射時過載開關(guān)的觸發(fā)條件，又能夠避免炮彈受到裝配和運輸過程中的振動而誤打開。

3 驗證與測試

本設(shè)計通過馬歇特錘擊試驗、車載試驗和實彈試驗三種方式進行驗證。

3.1 馬歇特錘擊試驗

馬歇特錘擊機是一種獲得高過載的裝置[12]，主要由擊錘、錘柄、輔助工具、機架、重錘等部分組成[13]。由于馬歇特錘的結(jié)構(gòu)經(jīng)過特殊設(shè)計，使得馬歇特錘撞擊加速度與馬歇特錘的齒數(shù)有固定關(guān)系，因而可以通過錘體上轉(zhuǎn)過的齒數(shù)來計算撞擊時的加速度值[14]。該方法操作簡便、成本低廉，只要有合適的試驗夾具及相關(guān)的測試儀器，就可獲得完整的試驗數(shù)據(jù)[15]。

3.2 電源并聯(lián)方案驗證

在試驗室，將電源系統(tǒng)手動上電，分別在大電容斷開與并入兩種狀態(tài)下進行馬歇特錘擊試驗。該試驗中并入電容后波形平穩(wěn)。試驗結(jié)果表明，鋰電池與電容并聯(lián)的方案能在高過載發(fā)生時維持供電電壓穩(wěn)定，保證電源供電可靠。

3.3 過載開關(guān)可靠性驗證

使用馬歇特錘擊機模擬炮彈發(fā)射瞬間的過載環(huán)境，利用電荷型沖擊傳感器采集馬希特錘擊試驗的過載過程，并記錄過載開關(guān)狀態(tài)。

在實彈試驗中，炮彈發(fā)射時產(chǎn)生的過載約15 000g，在過載開關(guān)的設(shè)計中，使加速度計開關(guān)與機械開關(guān)的觸發(fā)過載值分別在10 000g與13 500g左右。為了便于觀察記錄，在電路中加入了LED燈用于指示過載開關(guān)是否被打開。表1為不同齒數(shù)下過載開關(guān)狀態(tài)。圖8為17齒過載波形圖。開關(guān)的狀態(tài)驗證了過載開關(guān)設(shè)計的可靠性。

表1 不同齒數(shù)下過載開關(guān)狀態(tài)Tab.1 State of overload switch under different teeth number

圖8 17齒過載波形圖Fig.8 17-tooth over-carrier chart

3.4 車載試驗

為了驗證過載開關(guān)上電后記錄儀能夠可靠地記錄數(shù)據(jù)，分別在過載開關(guān)斷開與觸發(fā)的狀態(tài)下進行了車載試驗。該試驗中，兩個過載開關(guān)均沒有在車載試驗中觸發(fā)，在位姿測量系統(tǒng)上電工作后，記錄儀準(zhǔn)確記錄了車載試驗中車輛的狀態(tài)。圖9為車載數(shù)據(jù)。該試驗驗證了過載開關(guān)不會在運輸過程中誤觸，記錄儀在打開時能夠準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)。

圖9 車載數(shù)據(jù)Fig.9 Vehicle data

3.5 實彈試驗

最后，將記錄儀裝入炮彈中進行了實彈打靶試驗。試驗時，炮彈搭載膛壓375.1 MPa，該條件下，過載約16 000g。通過回讀數(shù)據(jù)驗證了基于過載上電的彈載飛行數(shù)據(jù)記錄儀能夠準(zhǔn)確地記錄炮彈的飛行數(shù)據(jù)，滿足了設(shè)計要求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種具有過載上電能力的彈載飛行數(shù)據(jù)記錄儀，采用機械開關(guān)與加速度計開關(guān)兩種方式，配合延時電路，實現(xiàn)了炮彈出膛后位姿測量系統(tǒng)的上電操作，保護了其內(nèi)部的慣性器件。采用鋰電池與大電容并聯(lián)的方案保證了系統(tǒng)上電后供電電壓的可靠性。通過馬歇特落錘試驗驗證了過載開關(guān)的可靠性；通過車載試驗?zāi)M了炮彈運輸過程，既驗證了過載開關(guān)不會在運輸過程中誤觸，又驗證了位姿測量系統(tǒng)上電后記錄儀能夠可靠的記錄數(shù)據(jù)。通過回收記錄儀回讀存儲數(shù)據(jù)，驗證了設(shè)計的可靠性，準(zhǔn)確性。