劉乃強(qiáng) 王舒 王浩圣 侯雁偉 鄧均

【摘要】評(píng)估殺傷元對(duì)目標(biāo)的殺傷效應(yīng)對(duì)指導(dǎo)輕武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)有著重要的意義。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)的測(cè)試和科學(xué)評(píng)估，設(shè)計(jì)了基于Labwindows的一體化測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)是輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)的綜合測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)合了TestStand測(cè)試序列和Access技術(shù)，包括殺傷元射速、殺傷能力參數(shù)測(cè)量與分析、殺傷效應(yīng)評(píng)估和測(cè)試誤差評(píng)價(jià)等模塊。實(shí)際應(yīng)用情況表明，該測(cè)試系統(tǒng)滿足輕武器殺傷效應(yīng)測(cè)試需求，能夠?qū)p武器殺傷效應(yīng)進(jìn)行科學(xué)的綜合評(píng)估。

【關(guān)鍵詞】殺傷效應(yīng);Labwindows;一體化測(cè)試平臺(tái)

Abstract：Assessment of the target damage effect of the ammunition makes a great significance on light weapon system design.In order to achieve the scientific assessment of end of killing effect of light weapons，the integrated testing platform was designed based on Labwindows.The platform is a comprehensive test system，the system combines the TestStand test sequence and Access Technology.The testing system includes module for the measurement and analysis of firing rate of damaging units and damage ability parameters，and module for the assessment of the killing effect and testing error.The actual application shows that the testing system meets the testing requirements of the End Killing effect of the Light weapons.And，it can offer scientific assessment of the killing effect for the Light weapons.

Keywords：killing effect;Labwindow;integrated testing platform

引言

殺傷元的殺傷效應(yīng)是影響輕武器系統(tǒng)的火力打擊能力的主要因素，對(duì)殺傷效應(yīng)的可靠評(píng)估是指導(dǎo)殺傷元設(shè)計(jì)和輕武器研制的重要依據(jù)[1]。目前，我國對(duì)輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)的測(cè)試還停留在使用分散的測(cè)試儀器獨(dú)立完成不同測(cè)試任務(wù)的階段，不利于殺傷效應(yīng)的科學(xué)評(píng)估。為了集中測(cè)試資源，提高測(cè)試能力，設(shè)計(jì)和研制了輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)的一體化測(cè)試平臺(tái)。該測(cè)試平臺(tái)采用基于PXIe總線的硬件系統(tǒng)，同時(shí)利用TestStand測(cè)試序列和Access技術(shù)設(shè)計(jì)了基于Labwindows的軟件系統(tǒng)。為了可靠的對(duì)輕武器殺傷效應(yīng)進(jìn)行科學(xué)的評(píng)估，設(shè)計(jì)了埋設(shè)有壓力、力值、加速度等傳感器的仿人體靶標(biāo)，通過該仿人體靶標(biāo)并借助一體化測(cè)試平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)輕武器殺傷效應(yīng)進(jìn)行可靠的分析和科學(xué)的評(píng)估。

1.測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 基本架構(gòu)及組成

輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)主要由彈丸與破片發(fā)射單元、仿人體靶標(biāo)單元、測(cè)速單元與數(shù)據(jù)采集單元等四個(gè)子系統(tǒng)組成。測(cè)速單元接收到殺傷元通過進(jìn)出測(cè)速靶的信號(hào)，通過計(jì)算兩個(gè)信號(hào)上升沿之間時(shí)間差的方式得到殺傷元的入射速度。仿人體靶標(biāo)單元用于殺傷元擊中靶標(biāo)時(shí)，產(chǎn)生壓力、加速度、力值等的測(cè)試信號(hào)，這些測(cè)試信號(hào)通過電荷放大器傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集單元[2]。數(shù)據(jù)采集單元將經(jīng)過放大后的測(cè)試信號(hào)采集存儲(chǔ)在硬件系統(tǒng)中，由軟件系統(tǒng)對(duì)采集到的測(cè)試信號(hào)進(jìn)行分析和評(píng)估。完整輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖1所示。

1.2 測(cè)試通道設(shè)定及傳感器布局

在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中，仿人體靶標(biāo)是獲取殺傷元終點(diǎn)殺傷效應(yīng)的重要單元，為了可靠和科學(xué)的評(píng)估殺傷元對(duì)人體產(chǎn)生的殺傷效應(yīng)，依據(jù)殺傷物理量在人體組織器官的分布特點(diǎn)，需要對(duì)各個(gè)傳感器進(jìn)行合理的布局。各類傳感器數(shù)量和分布的確定以能夠反映受彈部位殺傷物理量為原則，傳感器量程和精度依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料確定。

在頭頸部，防彈頭盔對(duì)顱腦的撞擊和擠壓可造成顱骨骨折變形。撞擊壓力在腦組織中的傳播，顱內(nèi)物相對(duì)于顱骨運(yùn)動(dòng)的加速度可導(dǎo)致腦實(shí)質(zhì)損傷，投射物撞擊頭盔的沖擊力對(duì)頸椎產(chǎn)生牽扯[3]。因此，分別采用4個(gè)壓力傳感器測(cè)量腦組織中壓力變化，采用加速度傳感器測(cè)量顱骨加速度值，采用6軸頸椎傳感器測(cè)量各方向的力值。在胸腹部，防彈衣對(duì)胸壁的撞擊擠壓可造成肌肉軟組織挫傷、肋骨骨折，壓力波在胸腔中的傳播可導(dǎo)致心臟、肺臟、肝臟、胃等主要臟器出血破裂，胸壁快速變形、胸腔運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的加速度可造成胸骨、脊柱挫傷。因此，對(duì)于胸腹部殺傷物理量，采用6個(gè)大變形纖維感器，以密集的點(diǎn)陣感應(yīng)受彈面局部的受力分布。采用壓力傳感器測(cè)量心臟、肺臟、肝臟、胃和胸骨下壓力變化。采用加速度傳感器測(cè)量胸骨、脊柱加速度值[4]。

圖1 輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)框圖

2.測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

在仿人體靶標(biāo)上埋設(shè)有多個(gè)不同類型的傳感器，每個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)都需要有一個(gè)采集通道相對(duì)應(yīng)，因此，本測(cè)試系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)的數(shù)據(jù)采集通道數(shù)量較多，功能模塊復(fù)雜。為了有效的配合硬件系統(tǒng)的工作，軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則應(yīng)是標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化。軟件系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境選用以ANSI C為核心的Labwindows/CVI 2013開發(fā)平臺(tái)，將C語言的模塊化優(yōu)勢(shì)與面向測(cè)試儀器的編程工具相結(jié)合，并支持ODBC數(shù)據(jù)源調(diào)用，加入多線程技術(shù)及測(cè)試序列管理軟件TestStand。實(shí)際應(yīng)用情況表明，軟件系統(tǒng)能夠有效的實(shí)現(xiàn)測(cè)試配置及數(shù)據(jù)采集和分析等功能，能夠滿足智能化測(cè)試的需求。

圖2 軟件系統(tǒng)模塊框圖

圖3 軟件系統(tǒng)的主界面

2.1 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)依托C語言的模塊化設(shè)計(jì)思路編寫，每個(gè)功能由獨(dú)立的軟件模塊實(shí)現(xiàn)。測(cè)試軟件主要由用戶界面、板卡驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)庫讀寫、數(shù)據(jù)顯示與處理與波形回放5個(gè)部分組成，軟件系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2中用戶界面部分主要依靠UI界面引導(dǎo)用戶設(shè)置或開始采集。INI配置文件與XML文檔讀寫測(cè)試描述用來保存上一次采集配置，方便今后操作。數(shù)據(jù)庫操作用來讀寫通道信息與背板配置并保存采集結(jié)果。軟件系統(tǒng)的主界面由圖3所示。

2.2 軟件系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 數(shù)據(jù)庫技術(shù)

由于殺傷效應(yīng)測(cè)試所需要的數(shù)據(jù)采集通道較多，且在后期試驗(yàn)工作中需要改變接線位置或者直接更換傳感器，這就需要在軟件中更改通道設(shè)置或傳感器靈敏度系數(shù)。為了簡化在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)軟件的操作流程，針對(duì)上述需求軟件系統(tǒng)采用了SQL toolkit組件。其應(yīng)用部分包括更改背板接線設(shè)置、測(cè)速靶型號(hào)、傳感器參數(shù)設(shè)置、傳感器類型選擇以及查看測(cè)速結(jié)果與測(cè)試序號(hào)等。以所使用的Access數(shù)據(jù)庫讀寫各類傳感器列表為例，介紹其在軟件系統(tǒng)中的作用方式。數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)表格信息如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)庫傳感器列表

在軟件系統(tǒng)的測(cè)試配置模塊中，軟件通過ODBC數(shù)據(jù)源能夠自動(dòng)讀取相應(yīng)的Access數(shù)據(jù)庫中的內(nèi)容并填充到軟件系統(tǒng)的測(cè)試通道列表中。如圖5所示在配置菜單中系統(tǒng)可以自動(dòng)讀取數(shù)據(jù)庫中已有傳感器條目，也可以在軟件中更改傳感器參數(shù)以保存到數(shù)據(jù)庫對(duì)應(yīng)項(xiàng)中。這樣就可實(shí)現(xiàn)在不面向程序代碼的情況下通過第三方數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試配置的更改及保存，提高系統(tǒng)靈活性與安全性。

圖5 測(cè)試通道配置界面

2.2.2 Teststand測(cè)試序列技術(shù)

NI公司的Teststand是一款可以立即執(zhí)行的測(cè)試管理軟件，其可依靠生成的測(cè)試序列文件，在應(yīng)用中按著實(shí)際需要重新部署整個(gè)軟件系統(tǒng)的各種測(cè)試參數(shù)[5]。而在傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)中，當(dāng)程序被發(fā)布或者封裝后并不能根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行更改。

依托TestStand測(cè)試管理軟件，只需在代碼中保留用戶界面相關(guān)函數(shù)、TestStand引擎相關(guān)函數(shù)和測(cè)試序列文件讀寫函數(shù)。這種軟件管理方式可以減小軟件系統(tǒng)的代碼體積及出錯(cuò)概率[6]。在完成對(duì)測(cè)試序列文件的編輯后，測(cè)試序列文件讀寫函數(shù)會(huì)自動(dòng)按照文件設(shè)定的流程運(yùn)行。當(dāng)需要更改測(cè)試流程或按步進(jìn)行測(cè)試調(diào)試時(shí)只需通過對(duì)軟件系統(tǒng)中的SEQ文件進(jìn)行修改即可實(shí)現(xiàn)。

3.測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于殺傷效應(yīng)的測(cè)試和評(píng)估。在實(shí)際應(yīng)用中，殺傷元通過彈道槍發(fā)射，殺傷元的入射速度由測(cè)速靶測(cè)量，殺傷效應(yīng)由仿人體靶標(biāo)測(cè)量和評(píng)估。軟件系統(tǒng)對(duì)仿人體靶標(biāo)輸出的測(cè)量信號(hào)以2MHz的頻率進(jìn)行采集，總采樣時(shí)間為0.5s。根據(jù)測(cè)速靶的入靶和出靶之間的距離0.937m和殺傷元通過兩個(gè)測(cè)速靶之間的時(shí)間間隔計(jì)算殺傷元的入射速度。圖6所示為測(cè)試系統(tǒng)采集得到的測(cè)速靶信號(hào)和仿人體靶標(biāo)中的2個(gè)加速度傳感器獲得的測(cè)試信號(hào)。

圖6 測(cè)試波形數(shù)據(jù)曲線

4.結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)的測(cè)試和科學(xué)評(píng)估，設(shè)計(jì)了基于Labwindows的一體化測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)是輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)的綜合測(cè)試系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)合了TestStand測(cè)試序列和Access技術(shù)，包括殺傷元射速、殺傷能力參數(shù)測(cè)量與分析、殺傷效應(yīng)評(píng)估和測(cè)試誤差評(píng)價(jià)等模塊。借助仿人體靶標(biāo)中埋設(shè)的各種類型的傳感器能夠科學(xué)的獲取殺傷元對(duì)人體組織的殺傷效應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)的有效控制和管理，簡化軟件的操作步驟，軟件系統(tǒng)中融入了數(shù)據(jù)庫技術(shù)和Teststand測(cè)試序列技術(shù)，同時(shí)，也進(jìn)一步的增強(qiáng)了軟件的靈活性與安全性。輕武器終點(diǎn)殺傷效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于殺傷效應(yīng)的測(cè)試和評(píng)估。實(shí)際應(yīng)用情況表明，該測(cè)試系統(tǒng)滿足輕武器殺傷效應(yīng)測(cè)試需求，能夠?qū)p武器殺傷效應(yīng)進(jìn)行科學(xué)的綜合評(píng)估。

參考文獻(xiàn)

[1]宋斌，方葛豐，劉毅.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件平臺(tái)TestCenter體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析[J].測(cè)控技術(shù)，2013，08：115-118.

[2]俞思文.DAQmx自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的改進(jìn)與實(shí)現(xiàn)[D].復(fù)旦大學(xué)，2012.

[3]張波，陳巖申，張桂芝.外軍電子自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)及其相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展情況研究[J].計(jì)算機(jī)自動(dòng)測(cè)量與控制，2002，10（1）：1-4.

[4]竇穎艷.基于LabWindows/CVI和MATLAB的數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[D].湖南工業(yè)大學(xué)，2009.

[5]劉金寧.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件模型與關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù)研究[D].石家莊：軍械工程學(xué)院，2007.

[6]黃繼祥，陳東用.兩種智能診斷技術(shù)分析與比較[J].福建電腦，2007（4）：65-66.

資助項(xiàng)目：國防基礎(chǔ)科研計(jì)劃資助（項(xiàng)目編號(hào)：A1020120001）。

作者簡介：劉乃強(qiáng)（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向：裝備試驗(yàn)測(cè)試與系統(tǒng)。