基于C8051F380的彈丸表面壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

寧潤(rùn)果，吳國(guó)東，王志軍，劉　凱

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原　030051)

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基于C8051F380的彈丸表面壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

寧潤(rùn)果，吳國(guó)東，王志軍，劉凱

(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，太原030051)

摘要：介紹了一種由傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)器及通訊接口等部分組成的微型氣壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它能夠在不破壞彈體的情況下進(jìn)行彈丸表面壓力的采集，具有體積小、安裝方便、能放置到被測(cè)體內(nèi)等特點(diǎn)；以單兵火箭彈為例并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)；實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確有效地進(jìn)行火箭彈彈體表面壓力信號(hào)的采集，并且采集數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)比較吻合。

關(guān)鍵詞：火箭彈；數(shù)據(jù)采集；壓力傳感器；C8051F380

本文引用格式：寧潤(rùn)果，吳國(guó)東，王志軍，等.基于C8051F380的彈丸表面壓力數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(1):113-116.

Citation format:NING Run-guo, WU Guo-dong, WANG Zhi-jun, et al.Design of Projectile Surface Pressure Data Acquisition System Based on C8051F380[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):113-116.

由于不同型號(hào)的彈丸能夠滿足各種不同復(fù)雜環(huán)境的作戰(zhàn)需求，彈丸在大氣中飛行時(shí)，其射程、飛行穩(wěn)定性等參數(shù)直接受其空氣動(dòng)力大小的影響，而彈丸的外形結(jié)構(gòu)、飛行姿勢(shì)以及大氣環(huán)境條件直接決定其所受空氣動(dòng)力的大小。近幾年，國(guó)內(nèi)外對(duì)彈丸的侵徹、毀傷等相關(guān)研究很多，而專門針對(duì)彈丸空氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)的研究卻不太多，因此對(duì)彈丸飛行時(shí)作用在其上的空氣動(dòng)力大小進(jìn)行測(cè)試顯得十分必要。

研究彈丸空氣動(dòng)力學(xué)的方法主要有理論計(jì)算法、數(shù)值模擬法、風(fēng)洞試驗(yàn)法、飛行試驗(yàn)法。目前，通常采用的研究方法有數(shù)值模擬法與風(fēng)洞試驗(yàn)法[1-2]。采用數(shù)值模擬法可以獲得理論的氣動(dòng)力參數(shù)，采用各種類型各種尺寸的風(fēng)洞試驗(yàn)可以獲得彈丸在實(shí)驗(yàn)條件下彈丸的空氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，這些理論數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在彈丸總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)可以作為重要依據(jù)。彈丸表面的氣壓測(cè)量是空氣動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)中一項(xiàng)基本測(cè)量，目前所用測(cè)壓裝置主要是壓力探頭，該壓力探頭在測(cè)定物體表面某一點(diǎn)的壓力時(shí)，需要在該點(diǎn)處開(kāi)一個(gè)小孔，破壞了物體的結(jié)構(gòu)[9]。因此，文中針對(duì)此問(wèn)題設(shè)計(jì)了一套以片狀微型壓力傳感器為感壓部分的瞬態(tài)壓力測(cè)試系統(tǒng)。該壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、微型化、靈敏度高等特點(diǎn)。由于該傳感器厚度小，將該傳感器安裝在彈丸表面，對(duì)彈丸表面氣流流場(chǎng)影響小。因此，可以比較準(zhǔn)確的測(cè)量彈丸表面的氣壓大小。

本文介紹了一種以C8051F380單片機(jī)為主控制器的氣壓數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗過(guò)載能力高等特點(diǎn)，可以直接安裝在彈丸上進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并存儲(chǔ)。

1總體方案設(shè)計(jì)

在氣壓數(shù)據(jù)的采集過(guò)程中，由于測(cè)試系統(tǒng)要與彈丸一起運(yùn)動(dòng)，所以要求測(cè)試系統(tǒng)具有體積小、功耗低、抗高過(guò)載、靈敏度高等特點(diǎn)。系統(tǒng)采用C8051F380作為主控制器，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路模塊，邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，減少電路體積。

系統(tǒng)主要由壓力傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、C8051F380主控制器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊、按鍵、以及LCD液晶顯示電路等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、AD轉(zhuǎn)換后，主控制器控制采集數(shù)據(jù)，采集數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線接口寫入到存儲(chǔ)芯片，并且采集數(shù)據(jù)可以通過(guò)LCD顯示出來(lái)，通過(guò)RS232接口可以將存儲(chǔ)芯片上的數(shù)據(jù)直接拷貝到上位機(jī)上并進(jìn)行后續(xù)處理。

2硬件設(shè)計(jì)

2.1傳感器的選擇

系統(tǒng)采用的是Endevco公司8515C-50壓力傳感器，該壓力傳感器內(nèi)部為全橋結(jié)構(gòu)，具有高的靈敏度和寬的頻率響應(yīng)，傳感器中包含了所有的溫度補(bǔ)償電路和零位平衡電路。該傳感器的直徑只有6.3 mm,厚度只有0.76 mm,對(duì)流場(chǎng)的影響小。該傳感器安裝方便，可以使用RTV硅膠或膠帶粘貼在被測(cè)物體的表面。因此滿足該系統(tǒng)的測(cè)試要求。在供電電壓為10 V時(shí)，滿量程輸出電壓為200 mV,為了使其靈敏度不變，供電電壓必須為精密電源提供，供電電壓通常為10 V，該傳感器如圖2所示[4]。

圖2　 Endevco 8515C-50壓力傳感器

2.2信號(hào)調(diào)理電路

該壓力傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)為mv級(jí)，AD轉(zhuǎn)換器可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換的電壓輸入范圍為0～2 V，因此，該壓力傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)需要經(jīng)過(guò)相應(yīng)放大后才能夠被采集。經(jīng)計(jì)算可知，需放大倍數(shù)大約為25～30倍，調(diào)理電路如圖3所示。壓力傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)BG1經(jīng)過(guò)AD623集成單電源儀表放大器進(jìn)行差分放大[11]。在單電源(+3～+12 V)下，該放大器能夠提供滿電源幅度的輸出，它允許使用單個(gè)增益設(shè)置電阻進(jìn)行增益編程，在圖3中通過(guò)改變可調(diào)電阻器VR7的阻值，可以改變?cè)搩x表放大器的放大倍數(shù)，使傳感器輸出的模擬電壓信號(hào)放大到一個(gè)合適的倍數(shù)。放大后的信號(hào)通過(guò)電容C23與電阻R16組成的RC低通濾波器進(jìn)行濾波，該系統(tǒng)的采樣頻率為50～100 kHz。

圖3　信號(hào)調(diào)理電路

2.3AD轉(zhuǎn)換模塊

系統(tǒng)采用C8051F380單片機(jī)為主控制芯片，C8051F380單片機(jī)是采用美國(guó)Silabs公司的CIP-51為內(nèi)核而制作的一款高速單片機(jī)，其內(nèi)部具有10位AD轉(zhuǎn)換器和USB控制器/收發(fā)器。AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率可達(dá)200 ksp，INL為±1 LSB,基準(zhǔn)電壓VREF可以選擇外部VREF或內(nèi)部VREF，單片機(jī)的20個(gè)I/O引腳可以作為ADC的輸入[5]。為了使整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定，因此可以選擇該主控制器C8051F380內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。在圖3中，通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后的模擬電壓信號(hào)AD1傳輸?shù)紺8051F380單片機(jī)，利用C8051F380單片機(jī)內(nèi)部的AD轉(zhuǎn)換器對(duì)從信號(hào)調(diào)理電路傳輸過(guò)來(lái)的模擬電壓信號(hào)AD1進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)是具有4個(gè)通道的表壓測(cè)試系統(tǒng)，因此輸入模擬信號(hào)具有4路，分別是AD1、AD2、AD3、AD4。信號(hào)調(diào)理電路輸出的4路模擬電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬多路選擇器(AMUX)選擇AD轉(zhuǎn)換器的正輸入與負(fù)輸入并進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，通過(guò)C語(yǔ)言的邏輯控制，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)輸出。如圖4所示是C8051F380單片機(jī)與信號(hào)調(diào)理電路調(diào)理后的模擬電壓信號(hào)的接口電路。

圖4　信號(hào)輸入電路

2.4數(shù)據(jù)采集電路

由于C8051F380單片機(jī)內(nèi)部具有64K的閃存，不能夠滿足系統(tǒng)的存儲(chǔ)要求，因此需要外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。由10位ADC可知，存儲(chǔ)一個(gè)采樣值需要占用兩個(gè)字節(jié)的空間，本系統(tǒng)采樣頻率為50～100 kHz,采樣時(shí)間為10～20 s，通過(guò)計(jì)算可得出外擴(kuò)1 MB的容量即可滿足該測(cè)試系統(tǒng)的要求。系統(tǒng)選用具有50 MHz SPI總線接口的串行閃存M25P128作為外擴(kuò)存儲(chǔ)器。M25P128是具有128 Mbit，低電壓，滿足設(shè)計(jì)要求，可以通過(guò)SPI串行外設(shè)接口將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)從主控制器傳輸?shù)皆撻W存上[6]，如圖5所示。

圖5　M25P128引腳及外接電路

本系統(tǒng)中，上位機(jī)的串行外設(shè)接口為RS232串口，RS232接口的電平為RS232電平，C8051F380單片機(jī)所使用的電平為TTL電平。為了使上位機(jī)與單片機(jī)C8051F380通過(guò)串口能夠?qū)崿F(xiàn)通信功能，必須將兩者之間的電平進(jìn)行換。MAX3232在3.0～5.5 V電源供電時(shí)，利用雙電荷泵即可實(shí)現(xiàn)RS232電平與TTL電平之間的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后可以將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)利用RS232串口傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上并進(jìn)行后續(xù)處理[7]。

C8051F380單片機(jī)集成了一個(gè)完整的全速/低速USB功能控制器，USB功能控制器和收發(fā)器符合通用串口總線規(guī)范2.0版，其具有全速(12 Mbps)和低速(1.5 Mbps)USB通信功能,并且該USB具有集成收發(fā)器的功能，使用時(shí)無(wú)需外接電阻器件。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳輸速率高等特點(diǎn)。該系統(tǒng)中，在單片機(jī)的控制下，同樣可以將AD轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過(guò)單片機(jī)的USB控制器傳到上位機(jī)上并進(jìn)行后續(xù)處理。

本系統(tǒng)利用以上兩種方式都可以將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上并在上位機(jī)上進(jìn)行后續(xù)處理，保證了整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.5電源電路

在該系統(tǒng)中，有3種供電方式：5 V EXT、5 V JATG、5 V USB供電。通過(guò)三端線性穩(wěn)壓電路ASM1117-3.3獲得3.3 V電壓，供電給單片機(jī)、存書芯片等大部分器件使用。本系統(tǒng)中，由于AD623放大器需要12 V供電，8515C-50傳感器需要10 V供電。在該系統(tǒng)中，5 V電壓通過(guò)12 V或可調(diào)升壓型DC-DC控制器MAX1771芯片升壓獲得12 V電壓，或者直接由外部12 V電源給整個(gè)供電[8]。升壓芯片MAX1771具有高效率、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。該12 V電壓一方面給AD623儀表放大器供電，另一方面再由AD584精密基準(zhǔn)電壓源獲得10 V基準(zhǔn)電壓和2.5 V基準(zhǔn)電壓。AD623提供引腳可編程的四種常用電壓，分別為10 V、7.5 V、5.0 V、2.5 V。該10 V精密基準(zhǔn)電壓給壓力傳感器供電，2.5 V精密基準(zhǔn)電壓可以作為單片機(jī)C8051F380內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓。

2.6LCD液晶顯示器接口電路

本系統(tǒng)選用LCD12864液晶顯示模塊作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示器件。12864液晶顯示器具有4位/8位并行、2線/3線串行多種接口方式；內(nèi)置8 192個(gè)漢字字庫(kù)和128個(gè)點(diǎn)陣字符，既可以顯示漢字，也可以將圖形顯示出來(lái)；顯示內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無(wú)需片選信號(hào)，低電壓、低功耗、高頻率。該液晶顯示器與同類型的點(diǎn)陣顯示器相比，其外圍電路及顯示程序都比較簡(jiǎn)單，且價(jià)格也相對(duì)便宜[10]。LCD12864液晶顯示器與主控制器C8051F380的接口電路如圖6所示。

圖6　LCD12864與C8051F380接口電路

3軟件設(shè)計(jì)原理

以C語(yǔ)言設(shè)計(jì)主控制器C8051F380的控制邏輯，邏輯流程圖如圖7所示。為了使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性強(qiáng)，系統(tǒng)只設(shè)計(jì)了一個(gè)按鍵，當(dāng)控制邏輯程序下載到主控器上后，通過(guò)這個(gè)按鍵可以控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。整個(gè)系統(tǒng)的邏輯可以分為兩大部分，第一部分為數(shù)據(jù)傳輸模式，第二部分為預(yù)采集模式。

系統(tǒng)上電后，第一次判斷按鍵是否按下，假如按鍵按下，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸模式，當(dāng)單片機(jī)接收到上位機(jī)指令后，單片機(jī)將執(zhí)行寫存儲(chǔ)器等指令；假如按鍵沒(méi)有按下，系統(tǒng)進(jìn)入預(yù)采集模式，接著第二次判斷按鍵是否按下，假如按鍵按下，則系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)采集完成，將按鍵抬起，采集結(jié)束。

圖7　彈丸表面氣壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件流程

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)能否準(zhǔn)確、高效的實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，將該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)安裝在單兵火箭彈上進(jìn)行相關(guān)的數(shù)值模擬試驗(yàn)，以驗(yàn)證該采集系統(tǒng)的可靠性與仿真數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。分別在該單兵火箭彈的頭部、肩部、彈身、尾翼安裝了該壓力傳感器，在不同的來(lái)流攻角和飛行速度下，通過(guò)多次試驗(yàn)，將采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)值仿真的數(shù)據(jù)相比較，兩者采集到的氣壓數(shù)據(jù)基本相近，較滿足實(shí)際要求。

5結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的彈體表面壓力測(cè)試系統(tǒng)電路，實(shí)現(xiàn)了彈丸表面氣壓數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。該系統(tǒng)具有電路尺寸小，抗過(guò)載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)能夠比較準(zhǔn)確的測(cè)量彈丸表面氣壓的大小，滿足系統(tǒng)的應(yīng)用要求。設(shè)計(jì)的該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，針對(duì)飛機(jī)飛行時(shí)的表面氣壓、高速列車行駛時(shí)表面的氣壓等類似情況，可通過(guò)改變系統(tǒng)相應(yīng)的邏輯參數(shù)來(lái)滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的要求。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

【信息科學(xué)與控制工程】

Design of Projectile Surface Pressure Data Acquisition System

Based on C8051F380

NING Run-guo, WU Guo-dong, WANG Zhi-jun, LIU Kai

(College of Mechatronics Engineering，North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:This paper introduced a kind of the micro air pressure data acquisition system that include sensors，signal conditioning circuit，data acquisition，storage, communication interface and other components. It can collect the projectile pressure on the surface without breaking the projectile. The system has some characteristics, such as small volume，convenient installation, that can be put into the tested body and so on. Taking the individual rocket as an example and some relevant tests were carried out. The result shows that the system can accurately and effectively acquire the rocket projectile surface pressure data when it flying and the acquisition of data is in accordance with the theory data in comparison.

Key words:rocket projectile; DAQ; pressure sensor; C8051F380

文章編號(hào)：1006-0707(2016)01-0113-04

中圖分類號(hào)：TP274

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.027

作者簡(jiǎn)介：寧潤(rùn)果(1989—)，女，碩士，主要從事火炮、自動(dòng)武器與彈藥工程技術(shù)研究。

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11402027)；中北大學(xué)第十屆研究生科技 (20131020)

收稿日期：2015-06-27；修回日期：2015-07-30