岳振華 岳鳳英 王恩懷 李嘉瑜

摘要：基于炮彈彈體在飛行過程中模擬信號以及高沖擊侵徹過載數(shù)據(jù)的測試和記錄，設(shè)計一種微型高過載彈載數(shù)據(jù)采集記錄儀。記錄儀以 STM32為狀態(tài)控制芯片，以 FPGA 為采集主控芯片，控制多路模擬開關(guān)以及高速 A/D 轉(zhuǎn)化器，實現(xiàn)采集彈體上10通道模擬數(shù)據(jù)，以及三軸加速度沖擊傳感器在侵徹過程中X、Y、Z 三軸實時沖擊值的采集，采集數(shù)據(jù)后寫入 Flash 存儲單元，發(fā)射完畢可以對 Flash 回收，通過上位機讀數(shù)軟件可以對 Flash 中的數(shù)據(jù)進行回讀。通過整體灌封和多重防護結(jié)構(gòu)設(shè)計保證記錄儀在沖擊過程中內(nèi)部結(jié)構(gòu)不損壞。試驗結(jié)果表明，記錄儀可以對多通路模擬信號進行記錄，誤差僅有1%，并且同時對硬目標侵徹過程進行不低于49000 g 的高過載沖擊值記錄，可以滿足高沖擊彈載數(shù)據(jù)的采集和儲存要求，具有功耗低、體積小、抗高沖擊、精度高等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞： DC/DC 電壓轉(zhuǎn)換;數(shù)據(jù)采集; FPGA;零點補償;高沖擊過載

中圖分類號： TJ412文獻標志碼： A文章編號：1674–5124（2021）12–0124–07

Design of micro high impact overload missile borne data recorder

YUE Zhenhua1，YUE Fengying1，WANG Enhuai2，LI Jiayu1

（1. School of Electrical and Control Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China;2. School of Instrument and Electronics， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： Based on the test and record of the simulation signal of the projectile in flight and the overload data of high impact penetration， A miniature high overload missile borne data acquisition recorder is designed. The recorder uses STM32 as the state control chip and FPGA as the acquisition main control chip， and controls multi-channel analog switches and high-speed A/D converters， thus realizing the acquisition of 10 channels of analog data on the projectile and the acquisition of real-time impact values of X， Y and Z axes of the triaxial acceleration impact sensor in the penetration process， and writing the acquired data into the Flash memory unit. after the launch， the Flash can be recovered， and the data in the Flash can be read back through the upper computer reading software. The internal structure of the recorder is not damaged during the impact process through integral encapsulation and multiple protection structure design. The experimental results show that the recorder can record multi-channel analog signals with an error of only 1%， and record the high overload impact value of not less than 49000g during the penetration process of hard targets， which can meet the requirements of data collection and storage on high impact missiles， and has the advantages of low power consumption， small size， high impact resistance and high accuracy.

Keywords： DC/DC voltage conversion; data collection; FPGA; zero compensation; high impact overload

0引言

隨著武器裝備的現(xiàn)代化，炮彈武器上的彈載電子設(shè)備的日益增多與復(fù)雜化，研發(fā)人員需要對炮彈點火和飛行過程中許多工作狀態(tài)模擬參數(shù)進行采集與分析，彈體對硬目標進行侵徹沖擊時，也要記錄實時侵徹過載沖擊加速度值，從而對炮彈的性能進行評估與改進。國內(nèi)彈載記錄儀主要針對單軸加速度沖擊值的采集，對三軸加速度沖擊傳感器記錄儀涉及較少。本設(shè)計針對這個問題研制了一種既可以采集彈體飛行過程中多個通道的模擬信號，同時對彈體在侵徹過程中所受到 X、Y、Z 三軸方向上沖擊加速度值的采集。與現(xiàn)有的將單軸測試裝置通過多路復(fù)用器實現(xiàn)的三軸測試裝置不同，設(shè)計采用了三軸 MEMS 高過載加速度沖擊傳感器，保持了 X、Y、Z 數(shù)據(jù)采樣的同步性[1]。設(shè)計還通過狀態(tài)控制器進行了低功耗設(shè)計，在非采集狀態(tài)下，進入低功耗模式，低功耗電流僅為2～5 mA。在接收到采集觸發(fā)信號300 ms后迅速進入采集工作狀態(tài)，采集完畢后再次進入低功耗狀態(tài)等待下一次觸發(fā)，并且設(shè)有法拉電容可以對采集中間突然掉電后10 ms的數(shù)據(jù)進行采集和存儲。試驗結(jié)果表明，彈載記錄儀滿足了對彈體飛行模擬數(shù)據(jù)的采集，以及對侵徹過載加速度沖擊值的采集，具有采集精度高、容量大、功耗低、體積小等優(yōu)點。

1記錄儀總體設(shè)計原理

1.1總體原理設(shè)計

彈載數(shù)據(jù)記錄儀分為四部分，電源管理模塊、狀態(tài)控制部分、數(shù)據(jù)采集與控制部分、過載信號調(diào)理與采集部分。電池管理模塊提供3.6 V 電池、28 V 電池、USB 調(diào)試電源三種供電方式。狀態(tài)控制模塊進行各功能模塊的配置與控制，在接收到有效采集信號后控制數(shù)據(jù)采集模塊進行數(shù)據(jù)采集。采集回的數(shù)據(jù)存儲在 Flash 中，等采集結(jié)束后，上位機軟件可以通過 USB 接口進行數(shù)據(jù)回讀。圖1為數(shù)據(jù)記錄儀整體結(jié)構(gòu)圖。

1.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

記錄儀在對硬目標進行硬目標侵徹試驗時會有幾萬 g 的高沖擊加速度，伴隨著高頻振動與噪聲，記錄儀結(jié)構(gòu)采用環(huán)氧樹脂整體灌封減震設(shè)計，殼體采用多重防護結(jié)構(gòu)設(shè)計，中間層填充緩沖材料做立體保護，吸收掉由外層傳進的沖擊能量[2]。內(nèi)層是金屬內(nèi)殼，進行二次保護。最內(nèi)層的為存儲芯片，其周圍用高硬度的樹脂材料進行填充，以保證記錄儀在高沖擊加速度下內(nèi)部電路不損壞，能夠正常對所需數(shù)據(jù)進行采集并保證對記錄儀進行數(shù)據(jù)回讀時Flash 不能被損壞，可以正常通過上位機軟件進行讀數(shù)繪圖分析[3]。

圖2為記錄儀整體內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，其中數(shù)據(jù)記錄儀的內(nèi)殼外形結(jié)構(gòu)尺寸為上底直徑100 mm，下底直徑80 mm，彈體內(nèi)部數(shù)據(jù)記錄儀的質(zhì)量僅有0.6 kg。

2硬件模塊分析

2.1 MCU 狀態(tài)控制模塊設(shè)計

記錄儀狀態(tài)控制模塊是數(shù)據(jù)記錄儀功能運行的控制中樞，其實現(xiàn)基于低功耗微控制器 STM32，其功能組成如圖3所示。

電壓監(jiān)測、電源狀態(tài)監(jiān)測用于獲取供電電源電壓及供電狀態(tài)信息，如供電來源，是否掉電等，為記錄儀執(zhí)行運行時序切換提供依據(jù)。狀態(tài)控制模塊在待機狀態(tài)處于低功耗狀態(tài)，關(guān)閉低功耗微控制器不必要的功能外設(shè)，開啟外部觸發(fā)檢測功能及電源接入檢測功能，等待外部觸發(fā)信號的接入。

該模塊接收兩路觸發(fā)信號，兩路信號經(jīng)濾波整形后輸入至低功耗微控制器的捕捉/比較模塊，當脈寬滿足觸發(fā)條件時，低功耗微控制器退出待機狀態(tài)，閉合上電開關(guān)，為負載供電。負載處于就緒狀態(tài)后，輸出采集時長脈沖，同時監(jiān)測供電狀態(tài)，以控制脈沖寬度。

2.2電源管理模塊設(shè)計

彈載記錄儀在進行采集數(shù)據(jù)時，在彈體發(fā)射前期需要準備很長時間以及記錄儀數(shù)據(jù)回收需要工作很長時間，因此需要對記錄儀進行低功耗設(shè)計。記錄儀通過外部電源輸入經(jīng)過多級 DC/DC 轉(zhuǎn)換電路，提供 MCU 以及數(shù)據(jù)采集電路所需供電電壓。記錄儀電源管理模塊功能圖如圖4所示。記錄儀外部供電提供28 V 電源，5 V USB 調(diào)試電源，3.6 V 供電電池三種供電方式，電源的優(yōu)先級順序為28 V、5 V、3.6 V。

待機模式下，作為負載，記錄儀狀態(tài)控制模塊工作在低功耗模式，其檢測電源輸入和外部觸發(fā)輸入信號狀態(tài)。在檢測到觸發(fā)有效時，記錄儀狀態(tài)控制模塊閉合數(shù)據(jù)采集模塊的供電開關(guān)，控制生成5 V 電源;同時，閉合數(shù)據(jù)采集與存儲控制模塊、存儲模塊的供電開關(guān)，控制生成負載所用電源。運行條件下，記錄儀狀態(tài)控制模塊控制數(shù)據(jù)采集時長，在數(shù)據(jù)采集與存儲功能結(jié)束后，關(guān)閉用電負載[4]。

圖4中，續(xù)航電源采用小容量法拉電容。以工作狀態(tài)下所估算的電流消耗為參考，在考慮第一級 DC/DC 電源（5 V，3.3 V）所允許輸入電壓跌落范圍、電源轉(zhuǎn)換器效率的條件下，方案所采用法拉電容可維持掉電后大于40 ms的工作時長，滿足掉電后數(shù)據(jù)的穩(wěn)定采集及數(shù)據(jù)的存儲記錄。

2.3數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計

模擬信號數(shù)據(jù)采集信號鏈路如圖5所示。

0～40 V 的10路模擬量經(jīng)過電阻分壓、多路復(fù)用、跟隨驅(qū)動后輸出0～2.5 V 信號，由模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行量化編碼。采集電路的模數(shù)轉(zhuǎn)換器采用了 AD7924，有四個模擬信號轉(zhuǎn)換通道，分別為多路復(fù)用器的輸出與X、Y、Z 三路模擬數(shù)據(jù)。

多路復(fù)用器采用 ADG732模擬多路復(fù)用器，該多路復(fù)用器最多可以有32個模擬通道，在同一時刻只有一個通道可以輸出。設(shè)計中的模擬信號采集前端電路如圖6所示。

圖6中 R1、R2為多路復(fù)用器前端通道的分壓電阻，最初設(shè)計中阻值分別為392 kΩ、26.1 kΩ，以實現(xiàn)輸入0～40 V 向 ADC 輸入0～2.5 V 的衰減轉(zhuǎn)換，R1//R2等效為信號源電阻 Rs，約24.7 kΩ。經(jīng)查詢ADG732器件手冊，Cs、Cd 分別為13 pF、340 pF， Ron 為多路復(fù)用器導(dǎo)通電阻，電阻值為4Ω。Rin 為運放輸入電阻，因為采用的正相跟隨器，該阻值很大，約10 MΩ。采用該模型在官方網(wǎng)站計算，計算結(jié)果表明在1%測量誤差條件下，每通道最高采樣率約為2.294 kS/s。而該信號鏈路的帶寬（–3 dB ）為16 kHz，按照10路采樣計算，可等效帶寬1.6 kHz 。在設(shè)計需求中單通道采樣率為10 kS/s，由于每通道帶寬限制，采用10 kS/s/CH 采樣率會出現(xiàn)較大的采樣誤差，假定輸入是5 V，但測得到的值可能為3.5 V 。查看數(shù)據(jù)手冊后發(fā)現(xiàn)多路復(fù)用器的最大采樣速率等于建立時間與通道數(shù)量乘積的倒數(shù)，多路復(fù)用器的建立時間與外部信號源電阻 Rs、內(nèi)部參數(shù) Cs、Cd、 Ron 有關(guān)。經(jīng)過分析后發(fā)現(xiàn) Rs信號源電阻是影響采樣帶寬、采樣誤差的主要因素，Rs 越大建立時間越長，最大采樣速率越低，因此設(shè)計改變了前端分壓電阻的阻值大小，變?yōu)樽畛踉O(shè)計的1/10，則最大采樣速率可以達到22 kS/s/CH 左右，可以完全滿足設(shè)計的采樣要求。

設(shè)計采用型號為 EP4CE22E22的 FPGA 以實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與存儲控制的主要功能，其模塊交聯(lián)圖如圖7所示。

圖7為 FPGA 數(shù)據(jù)采集模塊與記錄儀其他模塊的交聯(lián)圖。FPGA 邏輯主要功能包括了運行環(huán)境初始化、參數(shù)離線配置，與微控制器間的通信與數(shù)據(jù)傳輸、控制指令解析、觸發(fā)輸入處理、數(shù)據(jù)采集時序生成、數(shù)據(jù)緩存、數(shù)據(jù)編幀、Flash 數(shù)據(jù)存取等。該部分執(zhí)行對模擬通道的零點調(diào)整的配置，配置數(shù)據(jù)來源于固化在數(shù)據(jù)存儲模塊中的工作參數(shù)區(qū)域或上位機軟件的操作設(shè)置[5]。

運行狀態(tài)下，記錄儀狀態(tài)控制模塊向其輸出觸發(fā)信號，該觸發(fā)信號脈寬即表征了本次數(shù)據(jù)采集的時長，脈寬結(jié)束，數(shù)據(jù)采集過程即結(jié)束。采集時長觸發(fā)信號有效時，ADC 開始轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)緩存用于從 ADC 獲取到的數(shù)據(jù)在 FPGA 內(nèi)部進行臨時存儲，為下一步數(shù)據(jù)成幀寫入 Flash 提供支持，F(xiàn)PGA 邏輯采用 FIFO 和雙端口RAM 進行緩存[6]，原理示意圖如圖8所示。

圖中，由多路復(fù)用器路由的10路模擬信號共享一個深度為4096 Byte 的 FIFO，傳感器 X、Y、Z 三軸分別用一個4096 Byte 的 FIFO 。FIFO 讀控制均采用半滿讀取策略，每一個 FIFO 數(shù)據(jù)編幀后以地址遞增順序?qū)?048 Byte 為單位寫入雙端口 RAM;待雙端口 RAM 有效數(shù)據(jù)達到4096 Byte 后，通知雙端口 RAM 讀控制器讀取已知地址范圍段數(shù)據(jù)，并寫入 Flash 存儲器;數(shù)據(jù)寫入 Flash 成功后，雙端口 RAM 讀控制邏輯通知寫邏輯，可繼續(xù)向該地址范圍段數(shù)據(jù)寫入[7]。

設(shè)計選用了2 GB 容量的 NAND Flash 存儲器，作為非易失數(shù)據(jù)存儲載體。其有效存儲容量2076 MB，典型數(shù)據(jù)寫入速率在2.8～9 MB/s[8]。

2.4過載信號采集模塊設(shè)計

記錄儀采用量程為60000 g 的三軸高沖擊 MEMS 加速度傳感器，傳感器輸出經(jīng)信號調(diào)理電路完成零點失調(diào)、信號放大后，輸出0.1～2.5 V 信號至模數(shù)轉(zhuǎn)換器，由其進行量化編碼，沖擊信號鏈路帶寬約為12 kHz。在實際測試中每一軸由于制作工藝以及外部溫度的影響通常會導(dǎo)致零點輸出電壓有一定的偏移量[9]，在測試中所用到的三軸沖擊傳感器會有最大±15 mV 的偏移電壓，該偏移電壓通過后級放大器會對傳感器輸出數(shù)據(jù)的采集產(chǎn)生很大的誤差，導(dǎo)致數(shù)據(jù)采集錯誤。需要在采集過程中根據(jù)外界環(huán)境溫度值對傳感器進行實時零點失調(diào)補償[10]。

記錄儀在沖擊范圍為±30000 g 條件下對傳感器輸出數(shù)據(jù)進行采集，通過 ADC 模數(shù)轉(zhuǎn)換器對采集數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換與存儲。ADC 的基準電壓設(shè)置為2.5 V，設(shè)計需要將傳感器的零點輸出補償至1.3 V，使傳感器輸出1.3 V 對應(yīng)零點時無沖擊輸入狀態(tài)，輸出2.5 V 對應(yīng)正向沖擊輸入最大值+30000 g，輸出0.1 V 對應(yīng)反向沖擊輸入的最大值–30000 g。圖9為三軸沖擊傳感器零點失調(diào)補償電路圖。

AD8237是一款微功耗、零漂移、軌到軌輸入和輸出儀表放大器，沖擊加速度傳感器輸出的三軸毫伏級的差分信號通過 AD8237進行放大以及通過對 FB 和 REF 引腳進行電壓補償，可以將傳感器的零點輸出補償?shù)?.3V 。AD8237進行補償時的簡化電路如圖10。

圖中的VIN+、VIN一為傳感器差分輸入，Vout為零點補償后的輸出，Vzero為輸入的補償值，VREF為基準電壓輸入。從簡化圖中可以看出，儀表放大器AD8237基于間接電流反饋拓撲結(jié)構(gòu)，由三個放大器組成：兩個匹配跨導(dǎo)放大器（OTA），用于將電壓轉(zhuǎn)換為電流;一個跨阻放大器（TIA），用于將電流轉(zhuǎn)換為電壓。對于這兩個跨導(dǎo)放大器，根據(jù)“虛短”、“虛斷”有：

對于三軸沖擊加速度傳感器差分輸入VIN有：

其中：

根據(jù)式1、2、3、4整理可得：

Vout的值與VIN、VREF、Vzero和各自對應(yīng)的放大分量有關(guān)。由于三軸沖擊加速度傳感器 X、Y、Z 三軸各自的零點差分輸出不同，在不同溫度下輸出的變化也不同，對傳感器進行零點失調(diào)補償時對X、Y、Z 三軸不同的差分輸入需要不同的補償值進行補償[11]。因此根據(jù)公式5可以改變VREF、Vzero和R60、R61、R62的值使不同傳感器保持在相同的零點輸出。

VREF、Vzero都是由 DAC 芯片 AD5666產(chǎn)生的，溫度傳感器將外界實時溫度傳給 FPGA，F(xiàn)PGA 則根據(jù)溫度值將固化在 Flash 內(nèi)部每一溫度下對應(yīng)的 X、Y、Z 三軸十六進制補償值通過 SPI 通訊方式傳輸?shù)?AD5666中，轉(zhuǎn)換后三軸零點補償值VXzero、VYzero、VZzero通過 AD8237零點失調(diào)電路進行補償。

在高低溫試驗箱對傳感器三軸進行溫度補償，測量出將傳感器三軸補償?shù)搅泓c電壓1.3 V 所需的補償值，測試溫度分別為–40℃、–20℃、0℃、20℃、40℃、60℃。圖11為四組在高低溫試驗箱測得的數(shù)據(jù)在Matlab中做出補償電壓隨溫度變化曲線。

將這些補償值固化在 Flash 中，F(xiàn)PGA 上電后，先將這些數(shù)據(jù)通過 DAC 傳送至零點補償電路，保證三軸沖擊傳感器的零點在1.3 V 才可以開始對三軸傳感器進行數(shù)據(jù)采集。

3試驗驗證

為了驗證數(shù)據(jù)記錄儀的抗高沖擊性能，設(shè)計了針對記錄儀的抗沖擊測試工裝對傳感器進行了馬歇特錘擊實驗試驗[12]，圖12為馬歇特錘擊試驗工裝圖。試驗中傳感器采用型號為 CA-YD-111T 的壓電式加速度傳感器，靈敏度為0.0036 PC/（m/s2），為電荷輸出型，在傳感器后端接一個電荷放大器，電荷放大器采用型號為 YE5852，設(shè)置傳感器“mV/Unit”輸出刻度為1，輸出表示0.036 mV/g，通過示波器觀察受沖擊時的輸出電壓波形，就可計算出記錄儀在錘擊過程中受到的沖擊值[13]。記錄儀上電后，進行錘擊試驗，示波器顯示的波形如圖13所示。

圖中可以看到示波器最大值為1.78 V，通過計算可得最高沖擊值為49000 g 左右。并且在實驗過程中記錄儀可以完成正常數(shù)據(jù)采集工作，滿足設(shè)計要求。

為了驗證數(shù)據(jù)記錄儀采集可靠性，連接引信進行了點火試驗，數(shù)據(jù)采集時長20 s，試驗結(jié)束后對記錄儀進行回收，讀取 Flash 數(shù)據(jù)，對回讀的數(shù)據(jù)進行分析繪制波形如圖14所示。

從繪制的波形看，各通道波形圓滑無尖刺，證明數(shù)據(jù)采集沒有丟幀、誤碼現(xiàn)象，而且與引信設(shè)計波形、幅值數(shù)值相比，記錄儀采集誤差僅為1%，可以滿足數(shù)據(jù)采集的要求。

4結(jié)束語

設(shè)計了一種微型高沖擊彈載記錄儀，該記錄儀通過多 FIFO 緩存結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了多通道模擬數(shù)據(jù)以及沖擊傳感器數(shù)據(jù)的采集與存儲。該系統(tǒng)通過電源管理模塊實現(xiàn)了對各個工作模塊的分級管理控制，通過低功耗功能實現(xiàn)了在休眠狀態(tài)下僅有2 mA 功耗電流，提高了設(shè)備的工作效率。通過多層防護結(jié)構(gòu)既保證了記錄儀結(jié)構(gòu)堅固性的同時也將質(zhì)量控制在0.6 kg 左右，滿足彈上空間狹小的特點。最后試驗表明設(shè)備在49000 g 過載情況下，能夠正常工作，有效記錄試驗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)誤差僅為1%。

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（編輯：劉楊）