鮑愛達，張澤宇，馬游春，杜壯波

(1.中北大學 電子測試技術(shù)國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，太原 030051)

0 引言

近幾年來，由于爭議地區(qū)沖突對抗不斷升級，地緣政治博弈也越來越頻繁，各國都開始大力發(fā)展軍工產(chǎn)業(yè)。導(dǎo)彈憑借其制導(dǎo)精度高、打擊射程遠、作戰(zhàn)效果好等優(yōu)點成為了各國武器裝備研究的重要方向之一[1]。開展真實的導(dǎo)彈靶場試驗，采集并存儲導(dǎo)彈在實際飛行過程中的各種數(shù)據(jù)參數(shù)能夠為優(yōu)化導(dǎo)彈性能及可能的故障分析提供重要的理論依據(jù)。在檢測導(dǎo)彈的飛行狀態(tài)時，導(dǎo)彈系統(tǒng)中的多路模擬量和數(shù)字量信號是重要的被測對象之一[2]。

對導(dǎo)彈飛行數(shù)據(jù)的采集一般采用彈上遙測系統(tǒng)[3]，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，這樣研究員能通過地面接收站實時觀察導(dǎo)彈在飛行過程中多路信號的變化，及時對回傳的飛行數(shù)據(jù)進行分析與研究。但是遙測系統(tǒng)存在檢測區(qū)域的“黑障”[4-5]，很多復(fù)雜的環(huán)境都會影響到遙測數(shù)據(jù)的完整回傳。如導(dǎo)彈在水下、山脈疊巒等復(fù)雜的地勢環(huán)境和高溫、高壓、高沖擊的惡劣飛行環(huán)境中，都可能會出現(xiàn)部分數(shù)據(jù)的丟失，導(dǎo)致遙測采編存儲系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定。

針對以上問題，本文設(shè)計了一種彈載遙測防毀采編存儲系統(tǒng)。通過設(shè)計具有抗大沖擊、高過載的內(nèi)外殼結(jié)構(gòu)，有效保護了內(nèi)部電路，提高記錄儀回收的成功率；同時采用遙測無線采集和固態(tài)記錄儀存儲兩者相結(jié)合的方式，對數(shù)據(jù)進行雙重備份，在導(dǎo)彈的飛行過程中實現(xiàn)對多路信號的完整采集與存儲，避免了遙測系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境中重要數(shù)據(jù)丟失的隱患。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

導(dǎo)彈經(jīng)飛行落地后需要回收記錄儀進行數(shù)據(jù)讀取，因此抗沖擊性是防毀傷記錄儀結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重點[6-7]。抗沖擊性主要從兩方面研究，一是要保證電路系統(tǒng)能夠抵抗導(dǎo)彈飛行期間的高過載環(huán)境，使系統(tǒng)能夠正常工作，完成數(shù)據(jù)的采集；二是在導(dǎo)彈落地后，能夠保護電路系統(tǒng)在受到高沖擊時不損毀，回收后可以正常讀取存儲模塊中的數(shù)據(jù)。因此為了完整的讀取導(dǎo)彈的飛行數(shù)據(jù)，本文設(shè)計了一種具有較高抗沖擊能力的彈載防毀記錄儀結(jié)構(gòu)。

1.1 外層結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文設(shè)計的防毀記錄儀的外層防護結(jié)構(gòu)如圖1所示。設(shè)計的外層結(jié)構(gòu)是一個內(nèi)徑為51 mm，外徑為61 mm圓柱型結(jié)構(gòu)，與測試導(dǎo)彈的直徑相等，便于防毀記錄儀在彈體上的安裝。在設(shè)計防毀記錄儀外層結(jié)構(gòu)時，要從設(shè)備安置的便捷性和安全性這兩個方面去考慮。在外層結(jié)構(gòu)側(cè)邊留有直徑18.17 mm的圓孔，方便與圍在防護結(jié)構(gòu)外表面的拱形天線進行線路連接，這樣可以使記錄儀內(nèi)部存儲模塊存儲的數(shù)據(jù)通過拱形天線實時發(fā)送給遙測地面接收站，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸功能。同時外側(cè)要留有信號燈口和下載讀數(shù)接口，方便上位機進行讀數(shù)操作；為了提高防毀傷記錄儀抗高沖擊的能力，同時兼顧防護結(jié)構(gòu)的強度和韌性，外殼結(jié)構(gòu)選用35CrMnSiA材料[8]。它是一種合成鋼材料，在具有優(yōu)良的強度和韌性的同時也易于加工鍛造。該合成鋼材料通過回火處理后，耐腐蝕性和抗氧化性都會大幅度提高，力學性能如抗拉強度值和屈服應(yīng)力值都很高，是制造外殼的一種優(yōu)秀材料。

圖1 防毀記錄儀的外層結(jié)構(gòu)

1.2 內(nèi)層結(jié)構(gòu)設(shè)計

內(nèi)部防護結(jié)構(gòu)采用蛋形結(jié)構(gòu)，其設(shè)計的原理是拱門結(jié)構(gòu)，由于其外表面結(jié)構(gòu)為凸型，因此可以將外界的壓力較為均勻地分散到結(jié)構(gòu)的各個部分，抗壓、抗形變能力增強，從而大幅度降低了內(nèi)部電路受到的壓力，保護內(nèi)部電路和接口的完整，避免了應(yīng)力波的損壞。蛋形結(jié)構(gòu)內(nèi)腔型為單個槽體，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是內(nèi)腔體外圍壁厚增加，抗形變能力進一步增強。蛋形結(jié)構(gòu)的參數(shù)如下：內(nèi)徑為26 mm，外徑為35 mm，高50 mm。槽體為長方體，長21 mm，寬16 mm，高33.5 mm。在蛋形結(jié)構(gòu)的頂蓋留有安裝螺絲孔和走線孔，方便記錄儀回收后數(shù)據(jù)的讀取。設(shè)計的內(nèi)層防護結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 防毀記錄儀的內(nèi)層結(jié)構(gòu)

為了避免存儲電路板與內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生碰撞，最大程度的減少電路板上元器件因擠壓碰撞而受到壓力過大，需要對記錄儀進行灌封，灌封材料選擇環(huán)氧樹脂[9]。環(huán)氧樹脂分為A、B兩種膠，在灌封前按1：1的比例充分混合，用玻璃棒均勻攪拌。等攪拌均勻后向結(jié)構(gòu)內(nèi)進行慢慢澆灌，直至將電路板與結(jié)構(gòu)內(nèi)部的空隙全部填滿密封。這樣電路板與蛋形結(jié)構(gòu)成為一個整體，極大的增強了抗高沖擊的能力。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

彈載遙測防毀采編存儲系統(tǒng)主要由遙測采編單元、防毀記錄儀、遙測系統(tǒng)組成，如圖3所示。遙測采編單元主要完成對開關(guān)量信號、模擬信號與數(shù)字信號采集功能。防毀記錄儀主要對采集的數(shù)據(jù)進行記錄與保存，并且設(shè)備落地可承受高沖擊過載，保證數(shù)據(jù)完整不丟失，具備數(shù)據(jù)回讀的功能。遙測系統(tǒng)主要負責接收遙測采編單元傳來的數(shù)據(jù)，經(jīng)信號調(diào)制及處理后，再通過天線發(fā)送給地面接收站，對數(shù)據(jù)進行接收并存儲。

圖3 彈載遙測采編存儲系統(tǒng)組成及框圖

3 硬件電路設(shè)計

3.1 采編單元總體設(shè)計

采編單元主要由主控模塊、模擬量信號調(diào)理模塊、數(shù)字量接口模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及電源模塊組成，如圖4所示。采集的多路模擬量和數(shù)字量先經(jīng)過信號調(diào)理電路及光耦隔離電路[10-11]，對其進行降壓處理和濾波降噪后，再輸入到主控模塊中。主控模塊選用XC3S400型號的FPGA作為主控芯片，集成了很多的RAM模塊和IP核，包含多個邏輯單元，具有強大的數(shù)據(jù)處理能力。該模塊主要實現(xiàn)了對各路信號添加幀頭、幀計數(shù)及幀尾的編幀功能，并將編幀后的數(shù)據(jù)通過RS422接口實時發(fā)送給遙測系統(tǒng)和防毀記錄儀。電源模塊為系統(tǒng)中各個模塊提供需要的工作電壓。模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊對輸入的模擬信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖4 采編單元組成及框圖

3.2 模擬信號調(diào)理電路設(shè)計

模擬信號調(diào)理電路選用INA149芯片檢測飛行器在飛行過程中高壓模擬信號的變化。INA149不僅可以精準的測量高達±275 V共模電壓范圍內(nèi)的微小差分電壓量，而且還可以對輸入的信號進行隔離、降噪、濾波[12]，完全能取代隔離運算放大器，簡化了電路設(shè)計。電路分別對56路5 V、20 V、70 V、350 V的模擬電壓信號進行降壓調(diào)理，調(diào)理后的信號通過4片16通道的模擬開關(guān)組，AD轉(zhuǎn)換模塊對信號進行采集。70 V電路設(shè)計原理如圖5所示。

圖5 模擬信號調(diào)理電路圖

3.3 LVDS接口電路設(shè)計

LVDS接收端選用了DS90LV048A接口芯片將LVDS并行信號轉(zhuǎn)化成串行信號，接收導(dǎo)彈在飛行過程中傳來的6路LVDS數(shù)字量信號[13]。LVDS信號接收電路一般具有很高的輸入阻抗，端接電阻“R5”取100 Ω，因此驅(qū)動器輸出的電流大部分都流過了100 Ω的匹配電阻，并產(chǎn)生了350 mV的電壓。為了增加抗噪聲性能，會在電源與地之間加濾波電容“C3”和“C4”，這樣可以減少高頻噪聲，電壓穩(wěn)定，使電路各部分之間通過電源產(chǎn)生的耦合干擾降至最小。LVDS接口電路如圖6所示。

圖6 LVDS接口電路圖

考慮到遙測采編器在高溫高壓的惡劣環(huán)境中工作，為了提高系統(tǒng)整體的抗干擾能力，屏蔽LVDS接口電路對前置信號源可能造成的干擾，確保LVDS信號可以準確完整的被LVDS接受端接收，DS90LV048A芯片轉(zhuǎn)換后的LVDS信號通常需要再經(jīng)過隔離器進行信號隔離[14]。因此在LVDS接口電路輸出端增加了高性能六通道的數(shù)字隔離器ISO7760。該器件的每個通道的輸入和輸出均由二氧化硅絕緣柵隔離，提高電路電磁抗擾度和低輻射的能力，實現(xiàn)了高抗噪性能。LVDS隔離電路如圖7所示。

圖7 LVDS隔離電路圖

3.4 RS422接口電路設(shè)計

RS422接口電路選用ADM2682E作為RS422接口協(xié)議芯片。該芯片內(nèi)部集成5 kV rms隔離式DC-DC電源的RS-422收發(fā)器[15]，無需外部DC-DC隔離模塊，大大簡化了電路的設(shè)計。RS422數(shù)據(jù)接口電路主要負責接收4路數(shù)字信號，數(shù)據(jù)傳輸速率為5.28 Mb/s，對數(shù)字量信號進行記錄，RS422接口電路設(shè)計如圖8所示。

圖8 RS422接口電路圖

4 軟件邏輯設(shè)計

4.1 系統(tǒng)總體邏輯設(shè)計

設(shè)計系統(tǒng)時，硬件電路的設(shè)計是基礎(chǔ)，軟件邏輯的設(shè)計是關(guān)鍵，所以我們先對系統(tǒng)進行總體邏輯設(shè)計如圖9所示，主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)編幀、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)讀取4個部分。

圖9 系統(tǒng)總體邏輯框圖

數(shù)據(jù)采集：采編單元的模擬量接口電路和數(shù)字量接收模塊完成了導(dǎo)彈在飛行過程中飛行數(shù)據(jù)采集的功能。由于各個接口數(shù)據(jù)的傳輸速率不同，所以要在FPGA內(nèi)部調(diào)用異步FIFO解決時鐘不匹配的問題[16]。由圖可知，將采集調(diào)理后的數(shù)據(jù)分別緩存至FPGA內(nèi)11個FIFO中。

數(shù)據(jù)處理：FPGA內(nèi)部的模數(shù)混合編幀模塊讀取11個FIFO數(shù)據(jù)緩沖器中緩存的數(shù)據(jù)，分別對不同F(xiàn)IFO中的數(shù)據(jù)添加幀標志、幀計數(shù)、幀長度等信息，進行模數(shù)混合編幀[17-18]，之后將編幀的數(shù)據(jù)緩存到FIFO12。FIFO12數(shù)據(jù)緩沖器將緩存的數(shù)據(jù)分別發(fā)送給遙測發(fā)送模塊和采集數(shù)據(jù)輸出模塊。遙測發(fā)送模塊將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給發(fā)射機，發(fā)射機通過遙測天線將數(shù)據(jù)實時發(fā)回遙測地面接收站；采集數(shù)據(jù)輸出模塊通過RS422發(fā)送接口將數(shù)據(jù)傳輸給存儲單元的RS422接收模塊。

數(shù)據(jù)存儲和讀?。河捎赗S422接收模塊的寫入速率與Flash讀取速率不匹配[19]，需要在FPGA內(nèi)部調(diào)用異步FIFO解決讀寫速率不匹配的問題，調(diào)用的FIFO_ctrld寫入和讀取寬度為8位，深度為2 k。RS422接收模塊將編幀的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)緩存器Flash_FIFO緩存至 Flash_ctrl控制模塊中。Flash控制模塊通過ce、rb、ale、cle控制線完成存儲芯片F(xiàn)lash的數(shù)據(jù)寫入及數(shù)據(jù)讀出上傳的功能；同樣地，為了解決Flash數(shù)據(jù)讀取和USB讀數(shù)模塊速率不匹配的問題，同樣在FPGA內(nèi)部調(diào)用FIFO，調(diào)用的FT232_ctrl寫入和讀取寬度為8位，深度為2 k。若對Flash存儲模塊中存儲的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)回讀時，PC上位機通過USB方口線下發(fā)命令至FT232_ctrl控制模塊，F(xiàn)lash存儲器響應(yīng)命令后，數(shù)據(jù)通過245_FIFO緩存至FT232_ctrl模塊中，從Flash讀出后再通過USB接口上傳至PC端[20]。

4.2 遙測發(fā)送模塊邏輯設(shè)計

遙測發(fā)送模塊主要實現(xiàn)了彈載防毀遙測采編存儲系統(tǒng)中采編單元與發(fā)射機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。在軟件設(shè)計中，遙測發(fā)送模塊按照遙測發(fā)射機的協(xié)議將發(fā)送給記錄儀的數(shù)據(jù)進行重新編幀。遙測控制邏輯的程序流程圖如圖10所示。

圖10 遙測發(fā)送模塊邏輯框圖

由于遙測的碼速率為4.8 Mbps，遙測采編器的數(shù)據(jù)下傳速率為2.5 Mbps，因此為了解決傳輸速率不匹配的問題，遙測發(fā)送模塊在對下傳數(shù)據(jù)進行編幀時需要添加同樣幀結(jié)構(gòu)的無效數(shù)“CC”來保證遙測的碼速率，與遙測PCM碼流的脈寬相匹配。本設(shè)計中遙測系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)的PCM碼速率為4.8 Mbps，幀同步碼為“EB 90”，幀長為64字節(jié)。

5 功能測試

5.1 遙測功能測試結(jié)果

遙測發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的接收測試結(jié)果如圖11所示。數(shù)據(jù)包括幀頭“EB 90”、幀計數(shù)連續(xù)遞增，無效數(shù)“CC”和有效數(shù)據(jù)。

圖11 遙測發(fā)送模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的接收結(jié)果

如圖11所示，幀頭“EB 90”對齊，幀計數(shù)依次累加，證明數(shù)據(jù)傳輸完整準確，不存在數(shù)據(jù)丟失的問題。接收的數(shù)據(jù)試驗結(jié)果表明遙測發(fā)送模塊可以實現(xiàn)彈載遙測防毀采編存儲系統(tǒng)中采編單元與發(fā)射機之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋?/p>

5.2 高壓模擬量電路的電壓采集試驗

為了驗證采編單元能夠采集到多路高壓模擬量信號，我們對多通道模擬量采集電路做了可靠性試驗，其中第48通道的實際輸入電壓值如圖12所示。

圖12 第48通道的輸入電壓值

彈載遙測防毀采編存儲系統(tǒng)設(shè)計第48通道來采集350 V的高壓模擬量。具體的測試過程為：將電壓源作為系統(tǒng)的信號產(chǎn)生源與系統(tǒng)進行聯(lián)調(diào)；等系統(tǒng)上電啟動后，電壓源分別設(shè)置不同的電壓值為系統(tǒng)提供電壓模擬信號，系統(tǒng)的采集存儲模塊開始對輸入的電壓模擬信號進行采集。100 V交流電壓源在60 s左右給系統(tǒng)提供輸入電壓；持續(xù)20 s后，交流電壓源變?yōu)?80 V供電；持續(xù)20 s后，交流電壓源依次變?yōu)?40 V、336 V為系統(tǒng)提供輸入電壓。從上圖中可以看出，采集的真實電壓值變化與實際操作相符，表明了系統(tǒng)的第48通道可以實現(xiàn)對350 V高壓模擬量信號采集的功能。

6 結(jié)束語

本文設(shè)計一種將遙測系統(tǒng)與防毀記錄儀相結(jié)合的彈載遙測防毀采編存儲系統(tǒng)，結(jié)合傳統(tǒng)的彈載動態(tài)測試技術(shù)，設(shè)計了具有抗高沖擊的防毀記錄儀內(nèi)外層防護結(jié)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性；電路上設(shè)計模擬信號的調(diào)理電路和數(shù)字信號的接口電路，實現(xiàn)了對多路信號采集存儲的功能；軟件上完成了遙測發(fā)送模塊的邏輯設(shè)計；在測試中成功實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能以及對高壓模擬量信號的采集功能，驗證了彈載遙測防毀采編存儲系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。彈載遙測防毀采編存儲系統(tǒng)的研究，對于評估導(dǎo)彈飛行狀態(tài)以及改進導(dǎo)彈性能有著重要意義和價值。