摘" 要： 針對(duì)目前面向人體胸腔的沖擊波超壓測(cè)試研究較少的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了模擬人體胸腔的圓筒形靶標(biāo)，建立了一種嵌入胸腔靶標(biāo)的沖擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，并對(duì)沖擊波特征參數(shù)實(shí)時(shí)提取技術(shù)進(jìn)行研究。測(cè)試系統(tǒng)由FPGA控制，選用ICP型壓電式壓力傳感器，基于已有沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的基本功能，結(jié)合WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)沖擊波特征參數(shù)的實(shí)時(shí)提取功能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下系統(tǒng)功能檢測(cè)和外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境下的系統(tǒng)功能驗(yàn)證。結(jié)果表明，測(cè)試系統(tǒng)能完整記錄胸腔靶標(biāo)所受沖擊波壓力載荷的數(shù)據(jù)曲線并實(shí)時(shí)提取沖擊波特征參數(shù)，為人體胸腔在沖擊波壓力載荷下的毀傷機(jī)理研究提供了新的手段。

關(guān)鍵詞： 沖擊波； 人體胸腔靶標(biāo)； FPGA； 存儲(chǔ)測(cè)試； 特征參數(shù)； 壓力傳感器

中圖分類號(hào)： TN06?34； TJ06" " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）05?0035?07

Design of shock wave storage and test system embedded in thoracic cavity target

ZHANG Xiya1， 2， WANG Daihua1， 2

（1. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. Key Laboratory of Instrumentation Science amp; Dynamic Measurement， Ministry of Education， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： In view of the less research on the shock wave overpressure test for human thoracic cavity， a cylindrical target simulating human thoracic cavity is designed， a shock wave overpressure storage and test system embedded in the thoracic cavity target is established， and the real?time extraction technology of shock wave characteristic parameters is studied. The test system is controlled by FPGA （field?programmable gate array）， and the ICP?type piezoelectric pressure sensor is adopted. On the basis of the basic functions of the existing shockwave storage and test system， the real?time extraction of shockwave characteristic parameters is realized in combination with the WiFi technology. The system function testing in the laboratory environment and the system function validation in the field test environment are carried out. The results show that the test system can completely record the data curve of the shock wave pressure load on the thoracic target and extract the shock wave characteristic parameters in real time， which provides a new means for the study of the destruction mechanism of the human thoracic cavity under the shock wave pressure load.

Keywords： shock wave; human thoracic target; FPGA; storage and test; characteristic parameter; pressure sensor

0" 引" 言

炸藥是戰(zhàn)斗部毀傷目標(biāo)的能源物質(zhì)，爆炸是一種極為迅速的能量釋放過(guò)程，炸藥瞬時(shí)化為一團(tuán)火光，形成煙霧并產(chǎn)生巨響，附近形成強(qiáng)烈的沖擊波，對(duì)有生力量和建筑物造成傷害[1?2]。國(guó)內(nèi)爆炸沖擊波的試驗(yàn)測(cè)試方法主要采用電測(cè)法[3?9]，將具有超壓傳感器的測(cè)試儀布設(shè)在距離爆心一定距離和高度上，將傳感器的敏感面暴露在外界環(huán)境中來(lái)獲取各測(cè)點(diǎn)處的沖擊波超壓曲線。但是沖擊波壓力對(duì)人體的作用來(lái)自各個(gè)方向，采用傳統(tǒng)測(cè)試方法只能獲取某一點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，與人體在爆炸場(chǎng)中實(shí)際承受的沖擊波壓力有著明顯不同，所以對(duì)于人體所承受的爆炸沖擊波需要采用不同的測(cè)量方法[10]進(jìn)行研究。

以往針對(duì)沖擊波對(duì)人體胸腔的毀傷機(jī)理研究中[11?17]，數(shù)值模擬和動(dòng)物試驗(yàn)是常用的研究方法，但建立胸腔實(shí)物模型并獲取其在沖擊波場(chǎng)中實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的工作很少，制約了對(duì)沖擊波對(duì)人體胸腔毀傷機(jī)理的研究。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種模擬人體胸腔的圓筒形靶標(biāo)及可嵌入該靶標(biāo)的微型沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，旨在建立一種針對(duì)人體胸腔受爆炸沖擊波毀傷的測(cè)量方法，為準(zhǔn)確計(jì)算和評(píng)估爆炸沖擊波對(duì)人體胸腔的毀傷效果提供數(shù)據(jù)支撐。

1" 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1" 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)測(cè)試目標(biāo)，本文將測(cè)試系統(tǒng)分為三個(gè)部分，分別是現(xiàn)場(chǎng)的沖擊波測(cè)試儀、遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)以及中間的無(wú)線通信部分，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

傳感器采集到?jīng)_擊波壓力信號(hào)后，將其傳輸至信號(hào)調(diào)理電路，通過(guò)直流耦合、信號(hào)增益、低通濾波將信號(hào)調(diào)理至適配AD轉(zhuǎn)換的要求，之后信號(hào)進(jìn)入采集存儲(chǔ)模塊進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。電源管理模塊負(fù)責(zé)低功耗設(shè)計(jì)并為各個(gè)模塊提供相應(yīng)的工作電壓。無(wú)線通信部分采用WiFi通信技術(shù)，通過(guò)架設(shè)網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)與爆炸場(chǎng)內(nèi)沖擊波測(cè)試系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)通信。遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)部分借助專用數(shù)據(jù)處理軟件，具備WiFi和USB兩種通信方式，在試驗(yàn)前進(jìn)行工作參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，在試驗(yàn)后提取特征參數(shù)和測(cè)試數(shù)據(jù)。

1.2" 胸腔靶標(biāo)設(shè)計(jì)

以體重為75 kg的成年男性戰(zhàn)士體型為參照，設(shè)計(jì)了一個(gè)模擬人體胸腔的圓筒形靶標(biāo)，如圖2所示。該靶標(biāo)外形由高強(qiáng)度鋼制材料構(gòu)成，高度為700 mm、直徑為305 mm，并在半高度位置以環(huán)繞的方式間隔90°均布4個(gè)微型測(cè)試儀。測(cè)試儀從圓筒內(nèi)部安裝，嵌入圓筒內(nèi)；傳感器安裝在微型測(cè)試儀前端并與圓筒弧面相接，保證整個(gè)外露面光滑平整。其中一個(gè)測(cè)試儀正對(duì)爆心，如此實(shí)現(xiàn)對(duì)前、后、左、右4個(gè)方向上的沖擊波壓力進(jìn)行測(cè)量。

2" 硬件設(shè)計(jì)

2.1" 傳感器選型

目前沖擊波超壓傳感器主要分為兩種：壓阻式壓力傳感器與壓電式壓力傳感器[18]。壓阻式壓力傳感器具有良好的低頻特性，但易受火光和溫度的影響，這使其在爆炸沖擊波測(cè)試試驗(yàn)中受到制約。PCB公司的ICP型壓電式壓力傳感器使用集成電路技術(shù)，內(nèi)置電荷放大器，解決了試驗(yàn)環(huán)境對(duì)傳感器的影響，輸出電壓為±5 V，響應(yīng)時(shí)間小于1 μs，諧振頻率大于500 kHz，非線性小于1%FS，滿足沖擊波超壓信號(hào)的測(cè)試要求[19]。

2.2" 信號(hào)調(diào)理模塊設(shè)計(jì)

信號(hào)調(diào)理模塊作為連接傳感器與AD之間的橋梁，起到將傳感器輸出信號(hào)調(diào)理至與AD轉(zhuǎn)換相適配的作用。傳感器輸出信號(hào)中的直流偏置較高，使得后續(xù)處理存在困難，通常采用的交流耦合方式會(huì)影響信號(hào)的低頻響應(yīng)，故采用直流耦合的方式并配合設(shè)計(jì)直流偏置消除電路。針對(duì)小信號(hào)測(cè)試需求，加入增益可編程的信號(hào)放大電路來(lái)保證AD量化誤差。設(shè)計(jì)了低通濾波電路以限制高頻雜波來(lái)保證測(cè)試精度。

2.3" 采集存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

采集存儲(chǔ)模塊完成對(duì)模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)與傳輸?shù)墓δ?。由FPGA控制信號(hào)采樣頻率，采用高速低功耗FLASH存儲(chǔ)器作為采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)單元。采用EEPROM存儲(chǔ)系統(tǒng)的工作參數(shù)與提取的沖擊波特征參數(shù)。測(cè)試系統(tǒng)的主要傳輸方式是通過(guò)WiFi無(wú)線傳輸，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程系統(tǒng)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)與特征參數(shù)讀取的功能。USB作為有線傳輸手段，也可完成對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)試。

2.4" 控制模塊設(shè)計(jì)

控制模塊由主控芯片F(xiàn)PGA和單片機(jī)構(gòu)成。FPGA主要完成系統(tǒng)初始化、接收上位機(jī)指令、控制AD采樣、識(shí)別沖擊波信號(hào)、控制存儲(chǔ)器等功能。單片機(jī)的主要功能包括接收FPGA定時(shí)參數(shù)并更新寄存器值，根據(jù)定時(shí)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線部分和數(shù)字部分的低功耗電源管理功能。

2.5" 無(wú)線傳輸模塊設(shè)計(jì)

無(wú)線傳輸模塊由WiFi模塊、AP和網(wǎng)橋組成。WiFi模塊集成在測(cè)試儀內(nèi)部，通過(guò)引出天線與AP通信，再通過(guò)網(wǎng)橋?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離通信。由于爆炸場(chǎng)的強(qiáng)破壞性，天線不能架的太高，無(wú)線近地傳輸性能要好。AP距離爆心要盡可能遠(yuǎn)，功率要保證無(wú)線傳輸距離滿足要求。

2.6" 電源管理模塊設(shè)計(jì)

電源管理模塊為測(cè)試系統(tǒng)提供用電需要。采用8.4 V鋰電池供電，通過(guò)升壓和降壓芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，供電給傳感器和各個(gè)模塊。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)完成沖擊波超壓信號(hào)的采集和存儲(chǔ)后，進(jìn)入低功耗模式以延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間。

3" 軟件設(shè)計(jì)

3.1" 主控程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA對(duì)每個(gè)模塊進(jìn)行復(fù)位和初始化。硬件復(fù)位后，先讀取狀態(tài)參數(shù)：如果系統(tǒng)仍處于數(shù)據(jù)保護(hù)狀態(tài)，則無(wú)法進(jìn)行新的存儲(chǔ)操作，但可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)讀?。辉诜潜Ｗo(hù)狀態(tài)下，系統(tǒng)才可以進(jìn)行采、存操作。

系統(tǒng)初始化流程如下：基線調(diào)理至設(shè)定電壓，根據(jù)EEPROM中的工作參數(shù)設(shè)置放大器增益、AD采樣率、觸發(fā)閾值、記錄時(shí)長(zhǎng)。系統(tǒng)初始化完成后，可隨時(shí)通過(guò)計(jì)算機(jī)更改系統(tǒng)的工作參數(shù)。在工作狀態(tài)下，系統(tǒng)持續(xù)采樣傳感器信號(hào)，并根據(jù)觸發(fā)閾值和外觸發(fā)信號(hào)做出觸發(fā)判斷。在未觸發(fā)狀態(tài)下，采樣數(shù)據(jù)不斷寫入FIFO存儲(chǔ)器，即負(fù)延遲區(qū)，不進(jìn)行FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作。信號(hào)達(dá)到觸發(fā)閾值后，AD采樣數(shù)據(jù)通過(guò)FIFO寫入FLASH，同時(shí)計(jì)算沖擊波超壓峰值、正壓作用時(shí)間和沖量。當(dāng)寫入FLASH的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止數(shù)據(jù)采樣和存儲(chǔ)，并設(shè)置系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)保護(hù)狀態(tài)，將提取的沖擊波特征參數(shù)寫入EEPROM。系統(tǒng)主控程序流程如圖3所示。

3.2" 計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思想，計(jì)算機(jī)軟件可分為4個(gè)部分：模式選擇、指令交互、波形顯示和數(shù)據(jù)讀取。4個(gè)模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的軟件功能設(shè)計(jì)。

在USB數(shù)據(jù)交互模式下，計(jì)算機(jī)通過(guò)USB接口與FT600Q芯片交互，F(xiàn)T600Q獲得指令后與FPGA指令控制模塊交互。在WiFi數(shù)據(jù)交互模式下，計(jì)算機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與WiFi模塊交互，WiFi模塊獲取指令后再與FPGA交互。指令交互流程如圖4所示。

4" 系統(tǒng)功能驗(yàn)證及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)試

4.1" 實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下功能驗(yàn)證

系統(tǒng)調(diào)試完成后，首先在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)的主要功能進(jìn)行驗(yàn)證，如圖5所示。

系統(tǒng)的主要功能包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)讀取。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的1 kHz正弦波作為信號(hào)源，由系統(tǒng)采集存儲(chǔ)后讀取數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)軟件的顯示結(jié)果如圖6所示。由波形可以看出，測(cè)試系統(tǒng)完整地記錄了1 kHz的正弦波信號(hào)，驗(yàn)證了系統(tǒng)采、存、讀功能的正確性。

在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下驗(yàn)證無(wú)線傳輸速率，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制無(wú)線模塊對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行10 MB的數(shù)據(jù)讀取，記錄數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，求出傳輸速率。共進(jìn)行了5次實(shí)驗(yàn)，在數(shù)據(jù)量均為10 MB時(shí)，傳輸用時(shí)分別是70 s、68 s、69 s、70 s、70 s，傳輸速率分別是1 198 Kb/s、1 233 Kb/s、1 215 Kb/s、1 198 Kb/s、1 198 Kb/s，平均傳輸速率是1 208 Kb/s，傳輸速率滿足使用需求。

4.2" 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步評(píng)估系統(tǒng)的適用性，參加了某靜爆試驗(yàn)沖擊波超壓測(cè)試，現(xiàn)場(chǎng)布局如圖7所示。在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，將胸腔靶標(biāo)固定于爆炸場(chǎng)內(nèi)某距離處，與爆心同高，以正對(duì)爆心的傳感器為前測(cè)點(diǎn)，按順時(shí)針?lè)较蛞来螢樽髠?cè)點(diǎn)、后測(cè)點(diǎn)和右測(cè)點(diǎn)。在距離靶標(biāo)100 m處布設(shè)AP與網(wǎng)橋，在距離試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)3 km處架設(shè)遠(yuǎn)程網(wǎng)橋與計(jì)算機(jī)。胸腔靶標(biāo)照片如圖8所示。布置完畢后通過(guò)人工檢測(cè)，確保系統(tǒng)工作正常，測(cè)試人員撤離至遠(yuǎn)程控制端。

試驗(yàn)結(jié)束后，在遠(yuǎn)程控制端無(wú)線讀取沖擊波超壓特征參數(shù)，隨后傳輸沖擊波超壓測(cè)試曲線。本文給出其中2次試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，沖擊波超壓曲線如圖9、圖10所示，沖量曲線如圖11、圖12所示。特征參數(shù)提取統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表1。

從測(cè)試結(jié)果可以看出：測(cè)試系統(tǒng)完整記錄了沖擊波曲線，并提取出沖擊波特征參數(shù)；靶標(biāo)正面朝向沖擊波時(shí)，前測(cè)點(diǎn)的沖擊波壓力遠(yuǎn)大于其他三個(gè)測(cè)點(diǎn)，左、右測(cè)點(diǎn)的沖擊波壓力基本一致，后測(cè)點(diǎn)受到的沖擊波壓力最小且正壓作用時(shí)間最長(zhǎng)；前測(cè)點(diǎn)沖量最大，左右測(cè)點(diǎn)沖量基本一致，前、后測(cè)點(diǎn)沖量大于左右兩側(cè)的沖量。

5" 結(jié)" 論

本文設(shè)計(jì)的沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)，各項(xiàng)功能正常。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)，可完整記錄胸腔靶標(biāo)4個(gè)方向所受沖擊波壓力載荷曲線，實(shí)時(shí)提取了沖擊波特征參數(shù)。測(cè)試結(jié)果表明，測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可用于模擬人體胸腔在爆炸試驗(yàn)中的沖擊波超壓測(cè)試，可為評(píng)估爆炸沖擊波對(duì)人體胸腔的毀傷機(jī)理提供數(shù)據(jù)支撐。

注：本文通訊作者為王代華。

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