王 彪，李永紅，岳鳳英，王恩懷

（1.中北大學儀器與電子學院，山西太原 030051；2.中北大學電氣與控制工程學院，山西太原 030051；3.山西科泰航天防務技術股份有限公司北京分公司，北京 100085）

彈載記錄儀作為導彈武器系統(tǒng)研制中必需的測試設備之一，其主要作用是采集、存儲和復現(xiàn)導彈各部件在發(fā)射和飛行過程中的各種信息參數(shù)[1]，為后續(xù)工作的開展提供依據(jù)。

隨著武器系統(tǒng)的不斷升級，針對導彈的測試環(huán)境、測試要素和測試數(shù)據(jù)的回讀分析提出了越來越多的要求。而傳統(tǒng)的記錄儀往往會因為功耗大、存儲小、采集通道少等問題無法滿足武器研制周期中多次測量的要求[2-6]。又由于彈體工作環(huán)境惡劣、沖擊強等特點，彈載記錄儀還經(jīng)常暴露出回收成功率低的問題[7-12]。而且記錄儀回讀到的采集數(shù)據(jù)往往還需要依靠第三方軟件分析，很難得到大范圍的推廣。

針對以上問題，文中提出一種通用彈載數(shù)據(jù)記錄儀設計。ARM 芯片作為系統(tǒng)的控制芯片，F(xiàn)PGA芯片負責對信號的采集與存儲。其具有12 路模擬信號和8 路數(shù)字信號的采集通道，可自定義采集時長，斷電自動保存信息，待機時間長，可擦除重復使用存儲體，可抗高過載，記錄儀回收后可與上位機建立通信，能有效復現(xiàn)導彈系統(tǒng)的工作過程，利于發(fā)現(xiàn)問題、診斷故障，減少研制周期與成本[13]。

1 系統(tǒng)功能模塊設計

系統(tǒng)的硬件功能結(jié)構如圖1所示。整個系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集模塊、記錄儀控制模塊、數(shù)據(jù)采集與存儲控制模塊和存儲模塊組成。記錄儀控制模塊負責電源管理、通過USB 接口實現(xiàn)與上位機的信息交互。數(shù)據(jù)采集模塊負責將輸入信號分壓、濾波、補償成便于采集存儲的穩(wěn)定信號。數(shù)據(jù)采集與存儲控制模塊負責驅(qū)動管理數(shù)據(jù)采集模塊，最終將調(diào)理好的輸入信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號以便于存儲。存儲模塊為一塊非易失閃存存儲器，存儲采集到的有效數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)的硬件功能結(jié)構

1.1 采集原理

采集工作主要由數(shù)據(jù)采集模塊完成，F(xiàn)PGA 作為數(shù)據(jù)采集與存儲控制模塊的主芯片，控制采集工作的進行。采集電路由RS422 總線數(shù)據(jù)采集電路和模擬數(shù)據(jù)采集電路組成，其中9 路模擬輸入通道在輸入端采用分壓限幅設計，以保護后端器件，最大可輸入40 V 的電壓。后經(jīng)過多路復用器和電壓跟隨器輸出0～2.5 V 的信號，以提高輸入阻抗和匹配ADC的輸入。后3 路模擬量是由微加速度傳感器輸出的X、Y、Z軸加速度信號，經(jīng)過溫度補償和信號放大電路后，輸出0～2.5 V 的信號，后端可根據(jù)AD 值計算得出侵徹過載信號。上述模擬量經(jīng)RC 濾波電路輸入至四通道的12 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，如圖2 所示，系統(tǒng)輪詢轉(zhuǎn)換4 路ADC 通道，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，當結(jié)束一路模擬通道ADC 采集之后就立馬控制多路復用器切換到下一通道，使整個采集時序不會產(chǎn)生沖突。RS422 數(shù)字信號經(jīng)防護后由RS422 收發(fā)器轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平，并由FPGA 完成串并轉(zhuǎn)換。最后模擬和數(shù)字數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA 緩存后被存儲到存儲模塊中。

圖2 模擬信號處理電路

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源有9 路的模擬量，3 路的侵徹過載信號和8 路數(shù)字總線數(shù)據(jù)。其中模擬量的采樣頻率固定為1 ksps，可將用不到的模擬通道接地。侵徹信號為系統(tǒng)內(nèi)侵徹傳感器輸出的模擬量，固定采集頻率為50 ksps。數(shù)字量的波特率可根據(jù)需要在上位機上選擇8 種不同的波特率。典型數(shù)據(jù)量統(tǒng)計如表1 所示。

表1 數(shù)據(jù)量統(tǒng)計

以典型數(shù)據(jù)負載620 kB/s 來計算，單次200 s 的采集時長，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)約為122 MB，為滿足記錄儀能完成8 次采集，存儲空間不能低于976 MB，另外有校驗數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)幀的標識數(shù)據(jù)和用于功能執(zhí)行所開辟的寄存器和緩存空間，該方案選用了16 Gbit 容量的NAND Flash 存儲器，寫入速度2～3 MB/s，讀取速度11 MB/s 左右。在數(shù)據(jù)采集傳輸和數(shù)據(jù)存儲的速度上不存在瓶頸，滿足了存儲容量和速度要求。

1.2 運行時序

采用低功耗的ARM 芯片STM32L052 作為記錄儀控制模塊，來控制整個系統(tǒng)的工作，負責數(shù)據(jù)記錄儀在聯(lián)調(diào)、總裝、飛行測試過程中的功能運行與狀態(tài)轉(zhuǎn)換。整個系統(tǒng)有3 種工作狀態(tài)：調(diào)試狀態(tài)、工作狀態(tài)、待機狀態(tài)。初上電時，系統(tǒng)首先檢測電源來源，由USB 5 V 接口接入時，系統(tǒng)進入調(diào)試狀態(tài)與上位機完成信息的交互；在電池(4.2 V)或24 V 供電下，為實現(xiàn)低功耗，系統(tǒng)會進入待機狀態(tài)，只有控制模塊工作，降低系統(tǒng)的整體功耗；一旦檢測到觸發(fā)信號的接入，控制模塊為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊及存儲模塊上電，完成采集存儲任務，當達到用戶規(guī)定的采集時長時，系統(tǒng)自動停止工作并重新進入待機狀態(tài)。系統(tǒng)運行時序圖如圖3 所示。

圖3 運行時序圖

在調(diào)試模式下，記錄儀由上位機供電，不需要考慮功耗問題，在待機和工作狀態(tài)下的功耗如表2所示。

表2 各狀態(tài)下的功耗

為保證記錄儀進入待機狀態(tài)96 h 后，啟動工作后應能正常記錄至少8 次數(shù)據(jù)，每次不低于200 s，在預估電源效率72%的基礎上，選取電池電壓為4.2 V，容量為2 000 mAh。

考慮到系統(tǒng)在運行狀態(tài)下遇到高沖擊的環(huán)境時可能會造成供電電源不穩(wěn)或斷電的情況，為能采集到斷電后的20 ms 的高過載數(shù)據(jù)，續(xù)航電源采用了耐壓值為5 V，0.1 F 的法拉電容，經(jīng)驗證續(xù)航電容可讓斷電后記錄儀繼續(xù)工作1.6 s。

2 結(jié)構設計

考慮到彈載記錄儀在使用中承受上萬個重力加速度的沖擊，為確保回收后記錄儀功能的完整性，其防護結(jié)構必須優(yōu)良，其也是記錄儀可回收性的重要保證[14]。整個記錄儀采用雙層殼體防護設計，外層為特種鋼，能保證記錄儀在落地瞬間受外部沖擊時內(nèi)部電路不受到損壞。內(nèi)層為高強度鋁殼，既能減輕工裝重量，又能緩沖外層結(jié)構所帶來的沖擊力。內(nèi)層中電路和存儲體填充高強度的環(huán)氧樹脂，保證記錄儀在使用過程中不會因結(jié)構因素而引起故障。沖擊過載傳感器置于外層殼體內(nèi)部頂端，用于感知彈體在發(fā)射和前進過程的沖擊過載，傳感器和內(nèi)部電路通過導線相連，中間使用環(huán)氧樹脂加固固定。外層殼體開出兩個窗口，可將內(nèi)部電路的甩線引出來，其中數(shù)據(jù)下載窗口引出USB 線和調(diào)試線，用于下載數(shù)據(jù)和調(diào)試工作。數(shù)據(jù)輸入窗口作為外部的模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)的輸入窗口。

為驗證記錄儀結(jié)構的抗高過載性，對記錄儀的內(nèi)層殼體和灌封后記錄儀整體分別做了沖擊過載試驗。在前期將記錄儀內(nèi)殼和內(nèi)部電路使用環(huán)氧樹脂灌封后進行馬歇特錘擊試驗，來模擬彈體在落地瞬間的高沖擊。試驗裝置如圖4 所示。

圖4 馬歇特錘擊試驗裝置

整個試驗使用標準加速度傳感器對記錄儀3 個方向的沖擊值進行檢測，每個方向從3 000 g 開始，依次增加5 000 g，累計增加至33 000 g，并每次錘擊試驗之后，對記錄儀其進行測試和檢查，確保記錄儀無機械損傷且采集、存儲、讀取和調(diào)試工作正常。

后期對記錄儀整體進行炮射實驗，使用加農(nóng)炮炮射記錄儀打靶，讓其穿過12 cm 厚的鋼筋混凝土墻壁，出膛速度在340 m/s 左右[15]，撞擊墻壁的沖擊在30 000 g 以上。得到的記錄儀飛行方向，即X軸的波形數(shù)據(jù)如圖5 所示。由圖可知，記錄儀在65 265 ms左右的時間，開始發(fā)火出膛，經(jīng)過2～3 ms 之后，記錄儀遇到墻壁，整個彈體的飛行速度瞬間大幅減少，沖擊過載峰值達到30 000 g。

圖5 記錄儀X軸過載數(shù)據(jù)

通過錘擊和打靶試驗表明，采用雙層殼體防護和環(huán)氧樹脂灌封設計，能有效提高記錄儀的抗高沖擊過載能力，在面臨30 000 g 的高沖擊時也能正常穩(wěn)定工作且數(shù)據(jù)完整不失真。即使回收后記錄儀USB 接口因沖擊導致功能喪失。設計中預留了備用的數(shù)據(jù)回讀方案，可將彈體切開，取出單獨防護的內(nèi)部存儲體，通過專用的讀數(shù)盒連接存儲體的芯級接口，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的回讀。提高了記錄儀的回收成功率。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)架構基于ARM+FPGA，微控制ARM 芯片負責控制系統(tǒng)工作狀態(tài)切換以及通信，F(xiàn)PAG 芯片負責數(shù)據(jù)的采集與存儲。整個系統(tǒng)工作的流程框圖如圖6 所示。

圖6 系統(tǒng)流程框圖

整個系統(tǒng)根據(jù)不同電源的在位狀態(tài)和觸發(fā)信號來切換系統(tǒng)的工作狀態(tài)，若電池供電則進入低功耗狀態(tài)等待觸發(fā)信號的到來，若USB 5 V 供電，系統(tǒng)配置USB 接口，準備接收上位機發(fā)送的命令。有觸發(fā)信號時，系統(tǒng)會為所有功能模塊上電，首先從Flash 存放參數(shù)配置區(qū)域中讀取工作參數(shù)，配置數(shù)字量的波特率、當前溫度所對應的補償值，以及根據(jù)當前Flash 中壞塊地址、已用地址和剩余地址計算出本次采集數(shù)據(jù)所要存放的區(qū)域。系統(tǒng)在初始化工作完成之后，由FPAG 生成數(shù)據(jù)采集時序。FPAG 具有高速并行的特點，可實現(xiàn)數(shù)模采集通道同時執(zhí)行。在FPAG 內(nèi)部開辟出兩塊緩存區(qū)域，緩存一是將獲取到的數(shù)據(jù)在FPAG 器件內(nèi)采用FIFO 和雙端口RAM 進行臨時存儲，其中9 路模擬量共用一個深度為4 096字節(jié)的FIFO，3 路侵徹信號和8 路數(shù)字量各有一個深度為4 096 字節(jié)的FIFO，F(xiàn)IFO 讀控制均采用半滿讀取策略，每一FIFO 數(shù)據(jù)編幀后以地址遞增順序?qū)? 048 字節(jié)為單位寫入雙端口RAM；待雙端口RAM有效數(shù)據(jù)達到4 096 字節(jié)后，以頁為單位寫入Flash中。緩存二采用深度為4 096 的雙端口RAM，主要用于調(diào)試狀態(tài)下，上位機軟件執(zhí)行配置參數(shù)寫入和讀取、Flash 數(shù)據(jù)塊目錄讀取、數(shù)據(jù)塊讀取的過程，相關數(shù)據(jù)均由緩存二暫存，以與Flash 頁大小匹配。

3.1 通信協(xié)議

為保證記錄儀在調(diào)試階段以及回收前后信息傳遞的完整性和正確性，制定了上位機軟件和記錄儀之間的通信協(xié)議，規(guī)定信息的傳遞以幀為單位，在通信路徑上所有的指令和數(shù)據(jù)的傳輸都嚴格遵循此幀格式。

如圖7 所示，幀格式包括幀頭、數(shù)據(jù)長度、幀ID、幀計數(shù)、本幀數(shù)據(jù)和檢驗和。幀ID 來區(qū)分數(shù)據(jù)幀和指令幀，依次遞增的幀計數(shù)表示數(shù)據(jù)幀的個數(shù)，數(shù)據(jù)域為指令和數(shù)據(jù)的實際內(nèi)容，是幀格式中最重要的內(nèi)容，校驗和為本幀數(shù)據(jù)16 位數(shù)據(jù)相加之和。其中幀頭、幀ID、幀計數(shù)和校驗和的存在保障了整個數(shù)據(jù)的確定性、完整性和正確性。

圖7 通信幀格式

上位機發(fā)送來的指令，記錄儀將幀格式中數(shù)據(jù)域的指令解析成一條條接口命令字，按照順序執(zhí)行命令。記錄儀中開辟了17 個寄存器內(nèi)存，對應接口命令字中的尋址目標，記錄儀通過命令字改變各個寄存器值，各功能模塊通過讀取寄存器值來實現(xiàn)不同的操作。記錄儀在執(zhí)行命令完成之后會返回用戶所需要的數(shù)據(jù)，若出現(xiàn)指令執(zhí)行失敗的情況，記錄儀反饋執(zhí)行失敗的接口命令字，便于用戶和調(diào)試人員方便定位問題所在。讀取回來的部分數(shù)據(jù)如圖8所示。

圖8 讀取回來的原始數(shù)據(jù)

3.2 上位機軟件

上位機軟件實現(xiàn)的功能包括擦除Flash，獲取Flash 壞塊數(shù)目、數(shù)據(jù)塊目錄、工作參數(shù)和采集到的數(shù)據(jù)，記錄儀工作參數(shù)的配置，工作時長的定義，記錄儀電池容量的讀取等。上位機軟件可完成對Flash數(shù)據(jù)的處理分析、數(shù)據(jù)二維曲線顯示功能，數(shù)據(jù)也可導出為TXT、EXCEL 格式的文件，便于利用第三方軟件進行數(shù)據(jù)分析。

在調(diào)試階段，使用記錄儀采集導彈引信工作過程中所產(chǎn)生的模擬量，上位機讀取解析數(shù)據(jù)，顯示出部分模擬量波形如圖9 所示。其中曲線1 為引信的供電電壓28 V。曲線2 為解保電容充電和放電的工作過程。曲線3 為發(fā)火電容充電過程。曲線4 的下降沿表示隔爆機構解除隔爆，爆炸序列對正。曲線5為發(fā)火指令的給出[16]。為方便進一步分析數(shù)據(jù)，該顯示界面可任意放大或縮小波形，也可任意取點坐標，方便計算周期和幅值大小，也可以劃區(qū)域取區(qū)間數(shù)據(jù)的最值和均值。

圖9 波形顯示

利用軟件計算部分模擬通道中的均值與實際引信信號對比精度如表3 所示。相對誤差均穩(wěn)定在2%以內(nèi)，數(shù)據(jù)的波動噪聲在40 mV 以內(nèi)，可滿足記錄儀對采集數(shù)據(jù)高精度的要求。

表3 實際值和測量值對比表

4 結(jié)束語

系統(tǒng)基于ARM+FPGA 進行總體方案設計，對系統(tǒng)功能進行合理劃分，發(fā)揮出ARM 芯片的靈活控制和FPGA 的高速采集的優(yōu)勢，能同時滿足低功耗和高精度采集的要求；采用有效的結(jié)構防護，抗高過載能力可達三萬重力加速度；完善的通信協(xié)議以及上位機軟件，保證了數(shù)據(jù)準確可靠的回收。該記錄儀操作簡單，性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足實際工程的需要。