呂國輝，鄭敬辰，李士業(yè)，惠 麗，韓月強，湛 暉，姜 旭，李孝友

(黑龍江大學 a.電子工程學院;b.光纖傳感技術國家地方聯(lián)合工程研究中心;c.計算機科學與技術學院;d.數(shù)據(jù)科學與技術學院，哈爾濱 150080)

0 引 言

爆炸是物質系統(tǒng)的一種極為迅速的物理或化學的能量釋放和轉化過程，它能在極短的時間內釋放出大量的爆炸物碎片和能量，產生高溫同時放出大量高溫高壓氣體，在周圍介質中造成高壓[1]。局部高壓將瞬時壓縮相鄰空氣使其向外膨脹，相鄰空氣又會影響它們的相鄰空間，在這種相互影響下壓力向周圍延續(xù)，最后形成沖擊波。沖擊波產生的局部高壓向外擴張過程中，將會對目標造成損傷甚至將其毀滅。因此沖擊波毀傷作用為武器毀傷威力的主要評估參數(shù)，同時也為武器研制和改進的一個重要的參考依據(jù)。

對爆炸沖擊波的研究主要分為：①設計爆炸場沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置實現(xiàn)數(shù)據(jù)的動態(tài)采集;②對采集到的沖擊波數(shù)據(jù)進行分析。在彈藥研發(fā)過程中，準確地測量沖擊波超壓的極值、正壓作用時間和比沖量等關鍵參數(shù)，對評估毀傷提供重要的數(shù)據(jù)基礎[2]。

1 沖擊波的分析

當炸彈在空氣中爆炸時，爆炸產物以爆炸處為中心向四周飛速擴散，對旁邊的空氣產生劇烈的擠壓作用，空氣受到爆炸產物的擠壓作用，壓強、密度和溫度迅速升高，同時有一個稀疏波從空氣向爆炸處傳播，在它們的共同作用下形成了初始沖擊波[3-4]。

圖1 爆炸沖擊波壓力變化曲線Fig.1 Curve of pressure change of explosion shock wave

由于沖擊波傳遞過程中能量迅速損失，爆炸產物的速度和能量與爆炸距離呈現(xiàn)遞減趨勢，沖擊波所具有的速度和能量隨著距離的增加越來越小，迅速衰減至0。沖擊波傳播速度和能量的衰減過程分為兩個階段，見圖1。爆炸剛發(fā)生時，能量快速向周圍的空氣層傳播，使爆炸處的壓強高于周圍壓強，形成壓強梯度，這就出現(xiàn)了“正壓區(qū)”，如圖1中AB段所示。BC段為負壓區(qū)。

在系統(tǒng)調研軍工靶場對沖擊波超壓測試實際需求的基礎上，以嵌入式系統(tǒng)為核心設計制作了沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置，對沖擊波超壓信號進行動態(tài)采集。根據(jù)測試要求將多個沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置按照一定規(guī)律布設于爆炸場中，在爆炸時對沖擊波信號進行采集，并將其存儲在內置安全數(shù)字存儲卡(Secure Digital Memory Card，SD卡)中，在裝置收到讀取命令后通過無線模塊將數(shù)據(jù)上傳，若考慮數(shù)據(jù)安全，可通過SD卡導入數(shù)據(jù)。

2 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置的分析

本文所設計的沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置包括觸發(fā)模塊、信號采集模塊、控制模塊、無線傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊等。傳感器為壓電式沖擊波傳感器，模擬信號由ADS7891高精度模數(shù)轉換芯片進行轉換，并利用STM32微型處理器控制SD卡及LoRa、WiFi等外設實現(xiàn)了對沖擊波數(shù)據(jù)的存儲與無線高速傳輸。沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置原理框圖見圖2。

圖2 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置原理框圖Fig.2 Schematic diagram of shock wave overpressure data acquisition device

圖3 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集工作流程Fig.3 Work flow chart of shock wave overpressure data collection

系統(tǒng)的工作過程見圖3。在采集裝置布設完成后，計算機向采集裝置發(fā)送開機指令，裝置收到指令后開機，等待采集信號的到來；爆炸后產生的光信號作用于觸發(fā)模塊對系統(tǒng)進行觸發(fā)，觸發(fā)后傳感器系統(tǒng)對沖擊波信號進行采集；傳感器采集到的模擬連續(xù)信號經過A/D轉換模塊轉換為數(shù)字離散信號；轉換完成后的信號在嵌入式芯片的控制下存入SD卡；在數(shù)據(jù)讀取過程中，上位機向采集裝置發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸指令，采集裝置收到指令后通過WiFi將采集到的沖擊波超壓數(shù)據(jù)傳輸給上位機；在不進行測試時，上位機向采集裝置發(fā)送關機指令，裝置進入關機狀態(tài)以減小功耗。

圖4 沖擊波測量傳感器ICP113B26結構示意圖和外觀Fig.4 Shock wave measurement sensor ICP113B26 schematic structure and appearance

3 沖擊波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

3.1 壓力傳感器選型

目前在各種沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置中，壓電式傳感器得到了廣泛應用。壓電式傳感器的靈敏度和信噪比等指標，適用于沖擊波超壓數(shù)據(jù)的采集。本裝置中也使用壓電式傳感器采集沖擊波信號。此次設計中采用了PCB公司出品的ICP113B26壓電晶體傳感器作為傳感器探頭，其結構示意圖與外觀見圖4，主要性能指標見表1。

表1 PCB113B26主要性能指標Table 1 Main performance indicators of PCB113B26

3.2 A/D轉換電路設計

本系統(tǒng)選用了具有低功耗、高速并行接口的逐次逼近(Successive Approximation Register，SAR)型14位A/D轉換器ADS7891。轉換速率最高可達3 MSPS，其內置了2.5 V基準電壓源。該器件提供14位并行數(shù)據(jù)輸出接口，并且具有8字節(jié)輸出模式，可輸出8位轉換信號，便于與8位處理器的總線接口。IN端口允許的輸入擺幅達到±200 mV，可以針對A/D轉換器和傳感器之間的接地電壓不匹配的情況進行補償，并消除共模噪聲。ADS7891具有休眠(Nap)模式，在休眠模式中，設備以較低的轉換率運轉，休眠模式可有效降低ADS7891的功耗。

STM32F4的FSMC總線支持8/16/32位數(shù)據(jù)寬度，本裝置中ADS7891芯片的輸出數(shù)據(jù)的寬度為14位，本文中FSMC總線使用16位寬進行傳輸，并將FSMC總線的D14與D15接地置零，避免多余數(shù)據(jù)的產生。ADS7891與STM32的接線圖見圖5。

使用Matlab軟件對測試得到的數(shù)據(jù)進行線性擬合，得到的線性相關系數(shù)為0.997 6，線性度良好，擬合曲線見圖6。A/D轉換電路實驗中輸入電壓與輸出電壓數(shù)據(jù)的線性關系完全符合沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置的精度要求。

圖5 A/D轉換模塊接線圖Fig.5 A/D conversion module wriring diagvam

圖6 A/D轉換輸入-輸出曲線Fig.6 A/D comversion input-output curve

圖7 SD卡內部功能和管腳圖Fig.7 SD card internal functions and pin diagram

3.3 數(shù)據(jù)存儲與無線通信模塊設計

在A/D轉換模塊轉換傳感器采集的信號后，需要將其實時存儲起來以便于后續(xù)分析處理或者將其傳輸?shù)缴衔挥嬎銠C，存儲模塊的設計是十分必要的。

本設計所選用的STM32F4芯片中搭載了FLASH芯片，具有快速存儲功能，在燒寫程序代碼之后仍有大量剩余，可以實現(xiàn)對單次沖擊波數(shù)據(jù)的存儲。但對于本裝置所要求的多次重復采集的設計目標來說，內置FLASH芯片的存儲容量略顯不足，內置FLASH芯片主要用于對單次沖擊波數(shù)據(jù)的緩存，在將單次實驗完成后，將FLASH芯片存儲的數(shù)據(jù)轉移至SD卡中進行存儲，并將FLASH芯片中存儲的數(shù)據(jù)擦除，以為下一次實驗留出空間，實現(xiàn)對多次重復實驗數(shù)據(jù)的存儲。SD卡的內部功能和管腳見圖7。

LoRa技術是Semtech公司在2013年提出并推廣的一種低功耗廣域網(Low Power Wide Area Network，LPWAN)技術，它已成為遠距離、低速率、低成本、低功耗和大規(guī)模組網通信的技術[5]。通過近年來的研發(fā)和應用，LoRa技術已在遠程抄表、智慧農業(yè)和環(huán)境監(jiān)測等眾多領域得到了廣泛應用[6-7]。本文選用LoRa與WiFi技術相結合的方式實現(xiàn)裝置的遠程通信。在接收指令時使用LoRa技術，實現(xiàn)了低功耗和遠距離的指令傳輸；在讀取數(shù)據(jù)時采用WiFi無線數(shù)據(jù)傳輸技術，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚倥c可靠性。在沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置中使用這兩種技術，滿足了采集裝置的無線傳輸需求。信號傳輸?shù)乃俣?DR)由帶寬(BW)、擴頻因子(SF)和編碼率(CR)共同決定。高速率意味著傳輸速度的提升，但是通信距離會降低，反之低速率雖然傳輸速度降低，但是傳輸距離會增加。計算公式為：

(1)

有線通信通過數(shù)據(jù)線傳輸信號，對于不屬于傳輸線上的設備來說其數(shù)據(jù)在硬件上是不能被訪問的，但無線通信的傳輸介質是整個空間，因此LoRa所發(fā)送的數(shù)據(jù)會被同處于相同信道和相同速率的設備接收，如果同一參數(shù)下存在多個LoRa設備，那么數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程將會變得十分混亂。本文使用LoRa進行主從組網，需要為整個LoRa網絡提供統(tǒng)一的通信協(xié)議，議使處在網內的設備遵循通訊協(xié)有條不紊的運行。

數(shù)據(jù)采集完成后，可將存儲在SD卡中的沖擊波超壓數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送的方式將沖擊波超壓數(shù)據(jù)發(fā)送到特定的用戶終端上，有效提高爆炸沖擊波測試現(xiàn)場的安全性。本文采用WiFi無線通信模塊ESP-07與STM32嵌入式微處理器相連，將SD卡內的數(shù)據(jù)進行無線傳輸。

WiFi模塊在無線網絡中有兩種工作模式，可以工作在接入點(Access Point，AP)模式或者是站點(Station，STA)模式。在AP模式下，WiFi模塊是網絡的創(chuàng)建者，允許其它無線設備接入，并且AP與AP之間可以互連。在STA模式下，WiFi模塊作為客戶端，連接到AP創(chuàng)建的網絡。在本設計中，采集裝置所使用的WiFi模塊均設置為STA模式，在此模式下，各個采集裝置既可以加入AP組建的基礎無線網絡(Infra)，也可以由多個采集裝置組成自組網(Adhoc)。

當沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置通過無線指令傳輸模塊收到控制端發(fā)出的數(shù)據(jù)傳輸指令之后，控制芯片STM32對SD卡中存儲的沖擊波超壓數(shù)據(jù)進行讀取并通過WiFi傳輸芯片將讀取到的數(shù)據(jù)高速傳輸至上位機中。

3.4 控制模塊設計

為了實現(xiàn)對沖擊波數(shù)據(jù)采集裝置各部分的控制，本裝置使用了兩片STM32F407VGT6作為整個裝置的控制芯片。其內置了自適應實時存儲加速器(Adaptive Real-Time Memory Accelerator，ARTMA)，并且集成了浮點運算單元(Float Point Unit, FPU)和DSP指令集，提升了控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。

圖8 控制模塊電路圖Fig.8 Control module circuit diagram

控制模塊由主控制芯片UA和從控制芯片UB組成，見圖8?？刂菩酒琔B實現(xiàn)對A/D轉換模塊的控制并使用內置的FLASH芯片在收到觸發(fā)信號后對單次采集到的數(shù)據(jù)進行緩存，一段時間后結束單次采集任務，將緩存的數(shù)據(jù)傳輸給UA；控制芯片UA接收UB傳出的數(shù)據(jù)，并在每一組數(shù)據(jù)后添加換行符，便于后期處理，然后將其通過FATFS文件管理系統(tǒng)存入SD卡中，實現(xiàn)對多次采集數(shù)據(jù)的大容量存儲。在控制芯片通過LoRa模塊收到上位機發(fā)送的相應指令后使用WiFi網絡向上位機傳輸采集到的沖擊波超壓數(shù)據(jù)[8]。并且可通過LoRa模塊與計算機進行長距離通訊，根據(jù)接收指令管理裝置中的各個模塊。兩塊STM32F407芯片UA和UB之間通過串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在通信時，使用軟件握手協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_。

4 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置的制作及模擬實驗分析

本文使用Altium Designer進行PCB版圖的繪制。繪制的PCB版圖見圖9(a)，元器件焊接完成后沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置電路實物圖見圖9(b)。

為檢驗高速數(shù)據(jù)采集電路的性能，使用NF WF1968任意函數(shù)發(fā)生器輸出不同頻率的正弦波信號，由沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置對模擬信號進行采集，驗證沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置的功能。NF WF1968信號發(fā)生器輸出正弦波時最高可達200 MHz，輸出其余波形時最高輸出頻率為70 MHz，并且支持使用任意波形編輯器產生任意波形。在爆炸過程中，沖擊波超壓曲線的頻帶為0～100 kHz，完全可使用信號發(fā)生器產生的信號代替沖擊波信號。在本次模擬實驗中，信號發(fā)生器產生幅度為5V的正弦波信號代替?zhèn)鞲衅鹘尤胄盘栒{理電路，調諧正弦波頻率，檢驗高速數(shù)據(jù)采集效果。具體的實驗流程見圖10。

圖9 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置Fig.9 Shock wave overpresure data acquisition device

圖10 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集模擬實驗流程圖Fig.10 Flow chart of simulation experiment of shock wave overpressure data acquisition

圖11 沖擊波超壓測試數(shù)據(jù)頻譜圖Fig.11 Shock wave overpressure test data spectrum

信號發(fā)生器分別產生50、100、150、200、250 kHz的正弦波信號時，信號發(fā)生器發(fā)出的波形與采集裝置采集到的波形見表2。

在模擬實驗中，信號發(fā)生器產生的信號為50～250 kHz。在采集裝置對各個頻率的正弦波完成動態(tài)采集，響應迅速，幅值穩(wěn)定，應用Matlab軟件對上述采集數(shù)據(jù)進行處理，得到的頻譜圖見圖11，與信號發(fā)生器輸出的信號頻率完全相符。

表2 信號發(fā)生器發(fā)出的波形與采集裝置采集波形對比表Table 2 Comparison of the waveforms generated by the signal generator and the waveform collected by the acquisition device

5 結 論

本文設計制作了一種沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置，具有動態(tài)性能好、體積小、遠程控制和近程傳輸結合的優(yōu)點。采集量程為3.45 MPa，采樣頻率最高為3 MSPS，使用STM32F4微控制芯片代替FPGA作為主控芯片，以較低的成本實現(xiàn)了對A/D轉換數(shù)據(jù)的收集。本裝置實現(xiàn)了數(shù)據(jù)連續(xù)多次采集和存儲，數(shù)據(jù)的高速傳輸，遠程指令傳輸，具有高度的集成性。通過采集信號發(fā)生器的高頻信號，驗證了采集裝置的性能，滿足沖擊波超壓信號采集需求。