王建坤 武玉良

摘? 要： 為了準(zhǔn)確分析多種武器裝備發(fā)射初始階段加速度特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種具有無線上電功能的加速度存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)解決了導(dǎo)彈等武器發(fā)射實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，進(jìn)入發(fā)射狀態(tài)后人員接近存在安全問題，測(cè)試儀提前上電待機(jī)時(shí)間不能滿足實(shí)驗(yàn)要求的問題，并具有靈活設(shè)置采樣頻率和負(fù)延遲時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，很好的滿足了各類型武器火箭助推段加速度測(cè)試要求。文章對(duì)實(shí)測(cè)軸向加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，結(jié)果與遙測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

關(guān)鍵詞： 存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù); 加速度; 測(cè)試系統(tǒng); 無線上電

中圖分類號(hào)：TJ711? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2020）10-52-04

Abstract： In order to accurately analyze the launch acceleration characteristics of various weapons， a 3D acceleration test system with memory testing technology and wireless controlled power on is designed. This system solve the problems which the preparation time of missile's and other weapon's experiment is long， there are safety problems in personnel access after entering the launch state， and the standby time of the system can't meet the requirements if turned on power before entering the launch state. The system has the advantages of flexible set sampling frequency and negative delay time， and it is good to satisfy the requirements of acceleration test of various types of weapons rocket boost. The measured axial acceleration data is analyzed， and they are basically in agreement with the remote sensing data.

Key words： memory testing technology; acceleration; test system; wireless controlled power on

0 引言

目前，國(guó)內(nèi)武器裝備加速度測(cè)試主要采用遙測(cè)和存儲(chǔ)測(cè)試兩種方式。遙測(cè)方式在測(cè)試過程中有對(duì)地面設(shè)備要求較高、準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、無法適應(yīng)發(fā)射地點(diǎn)變化等問題，應(yīng)用存在一定的局限性[1]。近些年來，隨著存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)[2]在低功耗、小型化、抗高過載等方面不斷取得成就，利用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)設(shè)計(jì)的彈載加速度測(cè)試系統(tǒng)在各類武器測(cè)試領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3-4]。國(guó)內(nèi)中北大學(xué)早在上世紀(jì)80年代便開始了彈載存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的研制，取得了一定成就，測(cè)試系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于測(cè)量彈體侵徹混凝土、鋼板靶過載，火炮發(fā)射彈底壓力等領(lǐng)域，并積累了大量的數(shù)據(jù)。采用ASIC芯片研制的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)已經(jīng)在多次靶場(chǎng)實(shí)測(cè)中取得了成功，但ASIC芯片功能單一，修改設(shè)計(jì)困難，且以往基于存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)的彈載測(cè)量設(shè)備需在裝彈前完成上電，待機(jī)時(shí)間有限。本文針對(duì)以上問題提出基于CPLD的三維加速度測(cè)試系統(tǒng)，采用XILINX公司低功耗CPLD為主控芯片，配合低功耗、高性能CMOS模擬電路，12bitA/D轉(zhuǎn)換芯片，富士通鐵電存儲(chǔ)器等，具有系統(tǒng)功耗低、體積小、抗高過載、測(cè)量精度高、測(cè)量參數(shù)設(shè)置靈活，可以無線遙控上電等優(yōu)點(diǎn)，能滿足抗高過載，測(cè)試儀安裝到位后實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，臨時(shí)修改測(cè)試儀參數(shù)等特定實(shí)驗(yàn)要求，并測(cè)得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，為武器裝備研發(fā)提供數(shù)據(jù)參考。

1 測(cè)試系統(tǒng)工作原理

整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)主要由測(cè)試儀和上位機(jī)組成，其中測(cè)試儀包括傳感器陣列、信號(hào)調(diào)理電路、控制器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)接口等部分。測(cè)試儀中各電路模塊通過環(huán)氧樹脂灌封工藝固定于高強(qiáng)度鋼外殼內(nèi)提高抗高過載能力，天線由引線孔引出靈活放置。待實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行回收，通過安裝有讀數(shù)軟件的上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和分析。測(cè)試系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。圖1中傳感器陣列為三個(gè)經(jīng)特殊工藝校準(zhǔn)互成90°安裝的壓阻式加速度傳感器（分別測(cè)量軸向和徑向加速度），測(cè)試儀與上位機(jī)的通信通過21針并口進(jìn)行。

測(cè)試儀上電后進(jìn)行循環(huán)采樣，當(dāng)測(cè)試儀被觸發(fā)，記錄完規(guī)定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)后，傳感器陣列，信號(hào)調(diào)理電路，模擬開關(guān)等模擬電路停止供電，整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待回收讀取數(shù)據(jù)。

2 測(cè)試系統(tǒng)多功能設(shè)計(jì)

2.1 無線上電設(shè)計(jì)

在測(cè)試實(shí)驗(yàn)開始前，測(cè)試儀需事先裝入實(shí)驗(yàn)對(duì)象內(nèi)部，若無特殊情況，一般不取出。裝入實(shí)驗(yàn)對(duì)象的測(cè)試儀完全由儀器內(nèi)部電池供電，當(dāng)系統(tǒng)上電后，測(cè)試儀開始循環(huán)采樣，此時(shí)測(cè)試儀功耗最大。如果測(cè)試儀在裝入實(shí)驗(yàn)對(duì)象前上電，發(fā)射實(shí)驗(yàn)必須在數(shù)小時(shí)內(nèi)進(jìn)行，否則電池電量將耗盡，發(fā)射數(shù)據(jù)無法獲取。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了無線上電控制器，該控制器采用上海某公司生產(chǎn)的SZ-05系列zigbee模塊，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)之間的信號(hào)在200M內(nèi)傳輸穩(wěn)定可靠，且功耗低，價(jià)格便宜，完全能夠滿足要求[5]。收發(fā)采用共形天線，粘貼于實(shí)驗(yàn)對(duì)象外殼表面，對(duì)實(shí)驗(yàn)對(duì)象氣動(dòng)外形影響小。測(cè)試儀裝入實(shí)驗(yàn)對(duì)象后，僅無線上電控制器工作，等待接受上電信號(hào)。當(dāng)控制器收到上電信號(hào)后，控制電源管理芯片對(duì)測(cè)試系統(tǒng)各模塊上電并發(fā)回上電完成信號(hào)。無線上電控制器于發(fā)回上電完成信號(hào)后切斷自身電源，可降低測(cè)試儀功耗，并避免無線通信干擾發(fā)射實(shí)驗(yàn)。

2.2 采樣頻率可選設(shè)計(jì)

測(cè)試儀選用的A/D轉(zhuǎn)換器為AD7472，轉(zhuǎn)換精度12bit，轉(zhuǎn)換時(shí)間880ns，處理能力1.5MPS。AD7472在CONVST端時(shí)鐘下降沿到來時(shí)開始轉(zhuǎn)換，因此其采樣頻率由CONVST端控制。根據(jù)實(shí)際需要，通過調(diào)整CPLD內(nèi)分頻器的設(shè)計(jì)而提供合適的CONVST端信號(hào)，便可以實(shí)現(xiàn)采樣頻率的靈活選擇。

2.3 負(fù)延遲時(shí)間可調(diào)設(shè)計(jì)

測(cè)試儀采樣后的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器時(shí)通過CPLD分配地址。測(cè)試儀上電后進(jìn)入循環(huán)采樣狀態(tài)，隨著采樣數(shù)據(jù)不斷存入存儲(chǔ)器，地址依次加1，當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來，測(cè)試儀負(fù)延遲計(jì)數(shù)器在達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的計(jì)數(shù)個(gè)數(shù)后CPLD停止產(chǎn)生地址信號(hào)，存儲(chǔ)器停止存入數(shù)據(jù)，等待上位機(jī)讀取數(shù)據(jù)。負(fù)延遲時(shí)間可根據(jù)采樣頻率和觸發(fā)后地址生成個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)算。調(diào)整負(fù)延遲時(shí)間同修改采樣頻率一樣，可在測(cè)試儀使用前通過上位機(jī)對(duì)CPLD中負(fù)延遲計(jì)數(shù)器進(jìn)行設(shè)置而修改。

2.4 防誤觸發(fā)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)中測(cè)試儀采用傳感器陣列軸向加速度進(jìn)行觸發(fā)。當(dāng)軸向加速度值大于設(shè)定值時(shí)，測(cè)試儀被觸發(fā)，停止循環(huán)采樣，記錄完規(guī)定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)后進(jìn)入低功耗狀態(tài)。為了防止測(cè)試儀上電瞬間可能出現(xiàn)的尖峰脈沖造成測(cè)試儀誤觸發(fā)，測(cè)試儀使用了連續(xù)比較觸發(fā)方案，即設(shè)計(jì)測(cè)試儀對(duì)軸向加速度信號(hào)進(jìn)行采樣，當(dāng)連續(xù)10個(gè)點(diǎn)的采樣值大于觸發(fā)值時(shí)，測(cè)試儀判定為滿足觸發(fā)條件，循環(huán)采樣狀態(tài)結(jié)束，負(fù)延遲計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，進(jìn)入采樣存儲(chǔ)狀態(tài)。經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，該防誤觸發(fā)設(shè)計(jì)既可以有效防止因干擾而產(chǎn)生的誤觸發(fā)也可以保證在實(shí)驗(yàn)過程中測(cè)試儀的正確觸發(fā)。

測(cè)試儀采樣頻率選擇，負(fù)延遲時(shí)間調(diào)整，防誤觸發(fā)等設(shè)計(jì)，均由CPLD實(shí)現(xiàn)，能夠減少不必要的電路模塊數(shù)量，減小測(cè)試儀體積和降低功耗。

3 測(cè)試系統(tǒng)讀數(shù)軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的上位機(jī)讀數(shù)軟件采用LABVIEW軟件實(shí)現(xiàn)[6]，軟件功能結(jié)構(gòu)如圖2所示。

軟件通過采樣讀數(shù)子VI實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試儀存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)的讀取，并將數(shù)據(jù)保存為TDMS文件，完成保存后返回程序主菜單，通過對(duì)已保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)波形顯示。該軟件能對(duì)讀取的加速度信號(hào)進(jìn)行濾波和頻譜分析，并根據(jù)測(cè)試儀系統(tǒng)靈敏度來計(jì)算速度和位移曲線。圖3為采樣讀數(shù)子VI程序框圖，圖4為讀數(shù)軟件主菜單。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)為某型武器火箭助推器助飛實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)前按照實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定好采樣頻率和負(fù)延遲時(shí)間后，將測(cè)試儀安裝入火箭助推器內(nèi)，并將共形天線使用粘合劑粘貼于火箭助推器外殼表面，在發(fā)射前15分鐘對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行無線上電，并在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)測(cè)試儀進(jìn)行回收，讀取數(shù)據(jù)。圖5為實(shí)測(cè)三維加速度信號(hào)，整個(gè)助飛過程軸向加速度較大，徑向加速度幅值較低。經(jīng)處理后軸向加速度及速度曲線如圖6，可知軸向加速度峰值為37.2m/s2 ，加速時(shí)間 2.04s，最終速度為 25.3m/s，與遙測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合。

5 結(jié)束語(yǔ)

采用該設(shè)計(jì)的三維加速度測(cè)試系統(tǒng)充分利用傳統(tǒng)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)自身優(yōu)勢(shì)并結(jié)合無線控制技術(shù)，具有測(cè)試參數(shù)修改靈活方便、測(cè)量精度高、能承受較長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)等待時(shí)間、上電方便等優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可滿足需電磁屏蔽，發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)的武器裝備火箭助飛等情況的三維加速度測(cè)量要求，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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