無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在炮口沖擊波測(cè)試中的應(yīng)用

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(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051；2.中國人民解放軍 第四三二八工廠,山西 長(zhǎng)治 046000)

0 引 言

隨著信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的不斷發(fā)展，炮口沖擊波測(cè)試技術(shù)已從傳統(tǒng)的引線電測(cè)系統(tǒng)和存儲(chǔ)式測(cè)試系統(tǒng)[1]，發(fā)展到基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的測(cè)試系統(tǒng)[2，3]。測(cè)試的目的和意義也從戰(zhàn)前為火炮的試驗(yàn)研究、設(shè)計(jì)定型、鑒定驗(yàn)收、炮手防護(hù)等提供統(tǒng)一的技術(shù)措施和規(guī)范化的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]，擴(kuò)展到戰(zhàn)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)信息獲取進(jìn)行武器識(shí)別和反射手狙擊等戰(zhàn)術(shù)高度[5]。傳統(tǒng)的引線電測(cè)法[6]存在的問題是:布設(shè)電纜繁瑣且費(fèi)時(shí)費(fèi)力、測(cè)試系統(tǒng)集成度低、不易校準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性差。存儲(chǔ)測(cè)試法[7]沒有引線，能很好地實(shí)現(xiàn)電磁屏蔽，但存在各測(cè)試系統(tǒng)之間無統(tǒng)一時(shí)基的問題。本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與存儲(chǔ)式測(cè)試系統(tǒng)結(jié)合起來，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)，在膛口噪聲防治和特種作戰(zhàn)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

如圖1所示為測(cè)試系統(tǒng)原理框圖，系統(tǒng)主要是有主控制臺(tái)和多個(gè)相同的智能傳感器測(cè)點(diǎn)(子系統(tǒng))組成。系統(tǒng)主控制臺(tái)通過無線中心傳感器網(wǎng)絡(luò)控制智能傳感器的工作狀態(tài)，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸、記錄和處理。無線終端傳感器網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)接收主控制臺(tái)的指令和回傳數(shù)據(jù)。MSP430主要是為智能傳感器設(shè)置參數(shù)、控制無線模塊的上下電以及讀取測(cè)試裝置的數(shù)據(jù)。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

智能傳感器完成信號(hào)的采集與存儲(chǔ)，是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心。它包括傳感器、電源管理模塊、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA控制中心、FLASH存儲(chǔ)器、觸發(fā)系統(tǒng)等模塊。信號(hào)調(diào)理電路將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波等處理后輸入A/D轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換器和FLASH閃存進(jìn)行存儲(chǔ)操作。智能傳感器原理框圖如圖2所示。

圖2 智能傳感器原理框圖

在靶場(chǎng)實(shí)測(cè)時(shí)，主控制臺(tái)放置在安全距離外的掩體中，智能傳感器測(cè)點(diǎn)布設(shè)于炮口沖擊波場(chǎng)中，主控制臺(tái)通過無線的方式對(duì)各智能傳感器測(cè)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控來完成炮口沖擊波的測(cè)試。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無線模塊電源智能化管理

圖3 無線模塊智能化管理拓?fù)鋱D

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)

2.2.1 無線模塊配置

根據(jù)國軍標(biāo)要求，要完整地測(cè)量評(píng)價(jià)炮口沖擊波，需要數(shù)量超過20只以上的傳感器組成點(diǎn)陣[8]。在本次設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，20多個(gè)終端無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的星型傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線模塊中心、終端節(jié)點(diǎn)內(nèi)部設(shè)置如表1所示。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用2.4 G DSSS擴(kuò)頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)；16個(gè)信道可選，65 535個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID可任意設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)容量較大，系統(tǒng)擴(kuò)展性良好。

表1 無線模塊內(nèi)部設(shè)置

2.2.2 無線傳輸協(xié)議

試驗(yàn)前智能傳感器要接收計(jì)算機(jī)的編程數(shù)據(jù)給測(cè)試系統(tǒng)編程，試驗(yàn)后測(cè)試系統(tǒng)由單片機(jī)控制將裝置RAM中的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)。為了在計(jì)算機(jī)、無線模塊以及單片機(jī)之間可靠地進(jìn)行通信，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠的通信協(xié)議是必須的[9]，如圖4所示為系統(tǒng)所設(shè)計(jì)通信協(xié)議(握手協(xié)議)。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信程序流程圖

計(jì)算機(jī)通過中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送編程數(shù)據(jù)，當(dāng)計(jì)算機(jī)準(zhǔn)備好了數(shù)據(jù)，通過無線模塊主動(dòng)向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求接收數(shù)據(jù)信號(hào)，如為數(shù)據(jù)0x0A(這個(gè)數(shù)不唯一),再緊接著發(fā)送一組數(shù)據(jù)，當(dāng)單片機(jī)收到這組數(shù)據(jù)后，判斷第一個(gè)數(shù)據(jù)是否是0x0A，若是，則接收隨后的數(shù)據(jù)，然后向計(jì)算機(jī)發(fā)送接收完畢確認(rèn)信號(hào)0x0A。如為數(shù)據(jù)0xBB，再緊接著發(fā)送剛收到的數(shù)據(jù)，當(dāng)計(jì)算機(jī)收到0x0A信號(hào)且為0xBB，并接收其后的數(shù)據(jù)并驗(yàn)證數(shù)據(jù)正確后，則開始第二次請(qǐng)求發(fā)送數(shù)據(jù)。若計(jì)算機(jī)判斷出單片機(jī)收到的數(shù)據(jù)發(fā)生了錯(cuò)誤，則執(zhí)行重發(fā)操作，單片機(jī)接收正確后再開始下一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送過程。MSP430在此設(shè)計(jì)中作為中央控制單元，起到了一個(gè)橋梁和紐帶的作用。

2.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工況設(shè)計(jì)

如圖5所示，系統(tǒng)從斷電態(tài)進(jìn)入到供電態(tài)后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主、從節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行初始化。節(jié)點(diǎn)初始化后主動(dòng)組網(wǎng)，得到從節(jié)點(diǎn)響應(yīng)信號(hào)后確定星型網(wǎng)絡(luò)組建成功。組網(wǎng)成功后系統(tǒng)分為命令給出和測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸2個(gè)階段。

命令給出階段控制信號(hào)分為系統(tǒng)初始化信號(hào)和同步觸發(fā)信號(hào)。測(cè)試系統(tǒng)初始化信號(hào)包括觸發(fā)方式選擇信號(hào)、采樣頻率選擇信號(hào)、增益放大選擇信號(hào)等。測(cè)試系統(tǒng)初始化信號(hào)由上位機(jī)給出，經(jīng)過MCU處理后給無線發(fā)射模塊，模塊以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸模式發(fā)送給指定節(jié)點(diǎn)完成測(cè)試系統(tǒng)初始化操作。同步觸發(fā)信號(hào)通過中斷方式給出，主節(jié)點(diǎn)接收到中斷信號(hào)(保持200 ms)后以廣播方式發(fā)送，保證觸發(fā)信號(hào)的同步性，同步性誤差在10 ms以內(nèi)。

從節(jié)點(diǎn)在命令給出階段始終保持低功耗狀態(tài)等待中斷信號(hào)。收到測(cè)試系統(tǒng)初始化信號(hào)后通過串口送進(jìn)MCU，MCU經(jīng)過轉(zhuǎn)換后送給電路完成初始化操作。接收到同步觸發(fā)信號(hào)后觸發(fā)管腳立即變低控制測(cè)試電路觸發(fā)，保持600 ms后恢復(fù)高電平，這時(shí)停止無線模塊供電，防止火炮射擊時(shí)的電磁場(chǎng)對(duì)無線通信的影響。30 s后打開無線模塊電源，重新初始化無線模塊并重新組網(wǎng)，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工況狀態(tài)圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 無線觸發(fā)同步性試驗(yàn)

測(cè)試系統(tǒng)在使用前，必須進(jìn)行測(cè)量超壓范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)[10]。本系統(tǒng)是在激波管中進(jìn)行動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)的，系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后為檢驗(yàn)系統(tǒng)的無線觸發(fā)同步性，將測(cè)試裝置P1,P2,P3的傳感器放于激波管中進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，如圖6所示。

圖6 激波管中無線同步性試驗(yàn)

手動(dòng)控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點(diǎn)觸發(fā)按鈕，終端無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收到信號(hào)以后，使存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，然后給激波管充壓壓縮氣體，獲得一個(gè)水平的沖擊波作用在低壓室。這時(shí)P1,P2,P3受到的水平?jīng)_擊波是同時(shí)的。因此，如果觸發(fā)是同步，那么，獲得的時(shí)基基本上是一致的，誤差在μs數(shù)量級(jí)。水平?jīng)_擊波作用在測(cè)試裝置P1,P2,P3的曲線圖如圖7所示。

圖7 3套裝置的響應(yīng)曲線

從圖中可以看出:垂直于時(shí)間軸的3條曲線基本上重合，時(shí)間點(diǎn)顯示在20.53 ms左右，誤差為μs數(shù)量級(jí)。因此,證明了無線觸發(fā)的同步性。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了評(píng)估該炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行了某型號(hào)車載炮的炮口沖擊波超壓測(cè)試試驗(yàn)，如圖8所示。參考國軍標(biāo)對(duì)炮口沖擊波測(cè)試的測(cè)點(diǎn)布設(shè)要求[4,10]，選取了2套測(cè)試裝置進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，傳感器的敏感面均朝上，安裝距地高度為2 m，距離炮口徑向距離均為7.5 m?；鹋谏鋼羟?，主控制臺(tái)通過無線給各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行增益、采樣頻率、觸發(fā)方式等參數(shù)的配置，并在射擊前采用無線觸發(fā)方式觸發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)狀態(tài)；射擊結(jié)束后回收裝置讀取數(shù)據(jù)。

圖8 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)通過Matlab整理如圖9所示，7.5 m處2個(gè)測(cè)點(diǎn)的超壓峰值和到達(dá)時(shí)間分別是50.29 kPa，28.37 ms和54.53 kPa，28.59 ms。同一位置2測(cè)點(diǎn)的時(shí)間同步性較好，無線觸發(fā)的同步性在實(shí)彈測(cè)試中表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。此外，同一測(cè)點(diǎn)處所測(cè)炮口沖擊波均有多個(gè)超壓峰值，屬于典型炮口沖擊波超壓曲線，很好地反映了炮口沖擊波的衰減規(guī)律，對(duì)火炮動(dòng)力學(xué)研究具有一定參考意義。

圖9 典型測(cè)量曲線

4 結(jié) 論

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)結(jié)合進(jìn)行集成創(chuàng)新，本文開發(fā)了一種新型的炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明：該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、測(cè)試效率高，擴(kuò)展性好。這種新的炮口沖擊波測(cè)試方法在膛口噪聲評(píng)估和火炮動(dòng)力學(xué)研究等方面有較好的應(yīng)用前景。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步研究和相關(guān)算法的開發(fā)，該炮口沖擊波測(cè)試系統(tǒng)還可應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)武器識(shí)別和射手定位反狙擊等特種作戰(zhàn)領(lǐng)域。

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