許吉斌，展勇忠，冉玉忠

(湖南云箭集團公司研發(fā)中心，湖南 長沙 410100)

0 引言

在彈藥的研制過程中，需要進行大量的試驗，獲取其作用過程的動態(tài)參數及影像資料，從而為其功能、性能的評判提供依據，為其下一步的改進提供數據支撐；這些信息和參數的采集主要依靠各類高速數據采集設備完成。高速數據采集設備主要用于采集和記錄短時間內的瞬變信息，一般具有負延時功能，可通過軟件設置負延時時間。由于其存儲時間較短，因此需采用外部信號對其進行觸發(fā)并實現(xiàn)高速數據采集記錄。

目前主流的高速數據采集設備觸發(fā)控制方式主要包括人工有線觸發(fā)法、引線電測法和存儲測試法等[1]。人工有線觸發(fā)法常見于小當量彈藥的靜態(tài)爆破試驗高速數據采集中，操作人員直接通過與高速數據采集設備相連的控制器對其進行觸發(fā)，該方法實現(xiàn)簡單，觸發(fā)可靠性較高，但對控制距離有較大限制，無法滿足彈藥試驗安全距離要求[2-3]。引線電測法是將傳感器布置在參試彈藥周圍，利用電纜將其與高速數據采集設備相連，通過傳感器感知彈藥作用的特征參數從而實現(xiàn)高速數據采集設備的觸發(fā)，該方法可實時監(jiān)控參試彈藥的試驗情況，但由于彈藥試驗環(huán)境復雜，使用該方法極易造成誤觸發(fā)，且采集到的數據干擾噪聲較大[4-5]。存儲測試法是將傳感器集成于高速數據采集設備上，通過事后回收的方式獲取試驗數據，該方法能有效消除布設電纜引入的噪聲，提高測試數據信噪比，卻依然不能改變傳感器門限值設置要求較高，在復雜環(huán)境下易誤觸發(fā)的問題[6-10]。上述主流的觸發(fā)控制方式都存在自身局限性，一般不具備多設備同步觸發(fā)的功能，對數據的分析帶來了困難。

彈藥試驗具有試驗環(huán)境復雜，試驗過程風險較大和多高速數據采集設備協(xié)同試驗數據同步性要求較高等特征。因此，本文在不改變現(xiàn)有高速數據采集設備的前提下，提出了將遠程無線控制和同步有線觸發(fā)相結合的遠程同步高速數據采集控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及工作模式

1.1 系統(tǒng)組成

當進行彈藥靶試試驗或戰(zhàn)斗部靜態(tài)、動態(tài)爆破試驗時，試驗存在較大風險，整個過程中操作人員需撤離到距待測點數公里外的安全區(qū)域，無法近距離的對數據采集設備進行操作。因此本文提出將遠程同步高速數據采集控制系統(tǒng)劃分為三個部分，分別為遠程遙控設備、遙控觸發(fā)設備和高速數據采集設備。其組成框圖如圖1所示。

其中遠程遙控設備由控制面板、電源模塊、發(fā)射模塊、接收模塊、信號處理模塊、發(fā)射及接收天線等組成，主要完成測試和控制指令的發(fā)送及反饋的接收和指示。

遙控觸發(fā)設備由電源模塊、接收模塊、發(fā)射模塊、信號處理模塊、發(fā)射及接收天線等組成，主要完成測試和控制指令的接收、判決，高速數據采集設備觸發(fā)電平信號的產生、發(fā)送，以及測試和控制反饋信號的發(fā)送。

高速數據采集設備主要包括高速圖像采集設備、沖擊波測試設備等，主要實現(xiàn)試驗數據的采集和存儲。

1.2 系統(tǒng)工作模式

由于本系統(tǒng)采用無線通信的方式實現(xiàn)遠程同步觸發(fā)，因此其通信信道是否受到干擾直接影響遠程控制的成功與否。當操作人員撤離彈藥試驗場地后，遙控觸發(fā)設備處于無人值守狀態(tài)，此時，為了在防止誤觸發(fā)的前提下對通信信道進行測試，確定遠程遙控設備和遙控觸發(fā)設備的通信功能是否正常，本系統(tǒng)設計了測試和控制兩種工作模式。兩種工作模式存在以下兩方面區(qū)別：

1)按鈕及指示燈不同

為了使操作人員能直觀的通過控制面板對系統(tǒng)的工作模式及工作情況進行操作和觀察，本系統(tǒng)分別針對測試工作模式和控制工作模式設置了按鈕和指示燈。

2)工作流程不同

當遠程控制設備中的測試或控制按鈕被按下時，設備生成相應的指令并對其進行編碼、調制、上變頻、功率放大和濾波輸出。遙控觸發(fā)設備對接收到的指令進行下變頻、解調、解包、判決；若判定系統(tǒng)工作在測試模式時，遙控觸發(fā)設備直接向遠程遙控設備發(fā)出測試反饋；若判定系統(tǒng)工作在控制模式時，遙控觸發(fā)設備同步輸出多路觸發(fā)電平信號，對多個高速數據采集設備進行同步觸發(fā)，之后向遠程控制設備發(fā)送控制反饋信號。

通過兩種工作模式的切換和配合，使得操作人員可以在彈藥試驗場地無人值守的情況下，確定系統(tǒng)無線信道的狀況。

2 高可靠性遠程同步無線控制

由于彈藥試驗環(huán)境較為復雜，試驗過程中存在大量噪聲信號，且當多個高速數據采集設備協(xié)同工作時，需要有統(tǒng)一的時統(tǒng)，供時序分析時使用，因此本文提出通過指令/反饋信號有效性判決提高觸發(fā)的可靠性，同時選用MOSFET作為開關器件設計同步觸發(fā)電路，利用其高開關速率的特性，保證多路開關量觸發(fā)信號的同步性。

2.1 指令/反饋信號有效性判決

遠程遙控設備與遙控觸發(fā)設備之間的通信采用PCM/FM傳輸體制，且要求其滿足“指令/反饋通信協(xié)議”的要求，該通信協(xié)議主要用于規(guī)定指令和相應反饋信號的格式、通信頻點等。它包含指令協(xié)議和反饋信號協(xié)議兩部分。

指令協(xié)議：工作頻點為1 750 MHz，測試/控制指令滿足指令格式，指令長度為8 Byte，格式如表1。

表1 指令格式Tab.1 The instruction format

反饋信號協(xié)議：工作頻點為1 770 MHz，測試/控制反饋信號滿足反饋信號格式，反饋信號長度為8 Byte，格式如表2。

表2 反饋信號格式Tab.2 The feedback signal format

當遠程遙控設備和遙控觸發(fā)設備接收到信號之后，先根據指令/反饋通信協(xié)議對數據進行分包處理，提取出有效的指令或反饋信號，再對指令或反饋信號進行 “收五判三”判決，即當連續(xù)收到五包指令或反饋后，對其進行判決，若同一指令或反饋數量大于三包，則認為指令或反饋信號有效。采用該方式對指令和反饋進行編碼和判決，可以極大地降低信號傳輸過程中產生誤碼導致的誤觸發(fā)。

2.2 同步觸發(fā)電路

在同步觸發(fā)電路中，開關量信號輸出的同步性直接由開關器件的選擇決定。相較于絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，MOSFET的漏極電流由柵極電壓控制，它不但具有驅動電路簡單，驅動功率小的特點，還是當前開關速率最高的電子開關器件。

針對同步觸發(fā)要求，本系統(tǒng)采用MOSFET作為電子開關設計了開關量控制電路，電路圖如圖2所示。

當遙控觸發(fā)設備收到有效控制指令后，信號處理模塊FPGA的IO口輸出高電平控制三極管導通，使三極管的集電級與地導通，控制IRLML6401型PMOS管的柵極為低電平，PMOS管的柵極與源極有負向電壓且大于其門限電壓，此時PMOS管源極、漏極導通，實現(xiàn)5 V觸發(fā)電平輸出。

圖2 開關量控制電路Fig.2 The digital control circuit

通過該電路，可以將每一路觸發(fā)信號的上升沿或下降沿輸出時間控制在30 ns左右，其理論同步延時為納秒級。保證了觸發(fā)的同步性，為多高速數據采集設備協(xié)同工作時的數據時序分析提供了可靠的時統(tǒng)。

3 試驗驗證

該遠程同步高速數據采集控制系統(tǒng)可應用于各類的彈藥靶試試驗和戰(zhàn)斗部靜態(tài)、動態(tài)爆破試驗中。

3.1 驗證試驗設計與實施

為了驗證本系統(tǒng)是否適應彈藥試驗場景，本文以某彈藥為試驗對象，利用本系統(tǒng)控制多個高速數據采集設備對其靜爆數據進行同步采集。參試高速數據采集設備包括高速圖像采集設備1臺，沖擊波信號采集設備8臺。

試驗過程如下：

步驟一 系統(tǒng)架設及調試。將沖擊波信號采集設備沿兩條直線相互垂直布置于爆心徑向方向，距爆心分別7 m，12 m，30 m及45 m，將高速圖像采集設備及遙控觸發(fā)設備布置在距離爆心200 m處掩體后，分別用電纜將各高速數據采集設備與遙控觸發(fā)設備相連，各高速數據采集設備負延時時間設置為1 s。遠程遙控設備布置于安全區(qū)域內(位置距離爆心3 km外)，其布站示意圖如圖3所示。

步驟二 操作人員撤離到安全區(qū)域。

步驟三 通信信道測試。操作人員按下測試按鈕對系統(tǒng)進行測試；遠程遙控設備點亮“測試指令指示燈”，同時生成并發(fā)出測試指令；遙控觸發(fā)設備接收測試指令并對其進行判決，若判定為測試指令，則生成并發(fā)出測試反饋信號；遠程遙控設備接收測試反饋信號并對其進行判決，若確認為測試反饋信號，則點亮“測試反饋信號燈”。

圖3 布站示意圖Fig.3 The station placement

步驟四 高速數據采集設備遠程同步觸發(fā)控制。操作人員通過光測等手段對彈藥作用情況進行觀察，若戰(zhàn)斗部爆破，則按下控制按鈕；遠程遙控設備點亮“控制指令指示燈”，同時生成并發(fā)出控制指令；遙控觸發(fā)設備接收控制指令并對其進行判決，若判定為控制指令，則控制輸出多路開關量信號同步觸發(fā)高速圖像采集設備和沖擊波信號采集設備進行數據記錄，生成并發(fā)出控制反饋信號；遠程遙控設備接收控制反饋信號并對其進行判決，若確認為控制反饋信號，則點亮“控制反饋信號燈”。

步驟五 判斷觸發(fā)控制結果。若操作人員觀察到 “控制反饋信號燈”點亮，則認為遠程同步觸發(fā)成功。

步驟六 試驗數據回收與分析。試驗結束后，對各高速數據采集設備進行回收、數據讀取和數據分析。

3.2 試驗結果分析

通過對各設備所采集到的數據進行分析，可知各高速數據采集設備均正常同步觸發(fā)。其中高速圖像采集設備采集到的戰(zhàn)斗部作用時間零點為同步觸發(fā)后285.5 ms，沖擊波信號采集設備沖擊波到達時刻、超壓峰值與排列位置的關系如表3所示。

表3 試驗數據統(tǒng)計Tab.3 Experimental data statistics

各沖擊波信號采集設備的測得的沖擊波曲線如圖4所示。

圖4 沖擊波曲線Fig.4 The shock wave

從試驗結果可以看出，距爆心相同距離的沖擊波數據采集設備采集到的正壓時間差距均小于1 ms，說明系統(tǒng)具有較好的同步觸發(fā)能力。系統(tǒng)中各高速數據采集設備均未出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象，采集到的圖像及沖擊波信號時序均與預計結果相符。

4 結論

本文提出了一種遠程同步高速數據采集控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用遠程同步無線控制機制，通過指令/反饋信號有效性判決提高信號的可靠性，同時選用MOSFET作為開關器件設計同步觸發(fā)電路，保證多路開關量觸發(fā)信號的同步性。試驗表明，該系統(tǒng)同步觸發(fā)精度小于1 ms，多次試驗中未出現(xiàn)誤觸發(fā)現(xiàn)象，可實現(xiàn)對彈藥試驗數據的多設備高可靠性遠程同步觸發(fā)采集。