王玉全,杜紅棉,楊 帆

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051)

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全無線操控沖擊波超壓測試系統(tǒng)設(shè)計*

王玉全,杜紅棉,楊 帆

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)重點實驗室,太原 030051)

針對爆炸沖擊波超壓測試現(xiàn)場復(fù)雜的自然因素和人為因素引起測試失敗的情況,為了實現(xiàn)對測試裝置的全程檢測與控制,設(shè)計了一種基于Zigbee、MSP430單片機、CPLD以及兩塊Flash芯片的全無線操控沖擊波超壓測試系統(tǒng)。文中詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的功能、硬件設(shè)計和程序設(shè)計,并進行了實爆實驗。通過實爆試驗和對試驗數(shù)據(jù)的分析驗證了測試系統(tǒng)的全程可控性及測試的準(zhǔn)確性。

沖擊波超壓;無線Zigbee:記錄時長;存儲測試

0 引言

作為評價彈藥毀傷效果的重要參數(shù),爆炸沖擊波超壓測試技術(shù)對于軍事發(fā)展尤為重要?，F(xiàn)今已開發(fā)出無線存儲式超壓測試系統(tǒng),使沖擊波超壓測試得到極大的簡化[1]。但是大多數(shù)測試裝置的無線只是用來配置參數(shù)而無法進行讀數(shù)擦除操作并且記錄時間較短,當(dāng)試驗出現(xiàn)的各種特殊狀況導(dǎo)致測試裝置需重新配置和啟動時,手動操作繁瑣且危險,所以文中設(shè)計一種完全可通過無線操作的沖擊波超壓測試系統(tǒng),該系統(tǒng)可通過無線完成對裝置的觸發(fā)狀態(tài)檢測、重新配置和啟動等操作。

1 沖擊波超壓測試系統(tǒng)的基本指標(biāo)及功能

沖擊波超壓作為彈藥毀傷效能的重要參數(shù),具有上升沿陡峭、持續(xù)時間短(幾個毫秒)、頻率高(幾十千赫茲)、衰減快的特點[10],根據(jù)沖擊波的這些特點可以確定測試裝置的基本指標(biāo)如下:

1)采樣頻率:1 MHz、500 kHz、250 kHz、125 kHz可選;

2)放大倍數(shù):1倍、3倍、10倍可選;

3)觸發(fā)類型:單重觸發(fā)方式可選(重觸發(fā)可實現(xiàn)連續(xù)10次觸發(fā));

4)觸發(fā)方式:內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)、無線觸發(fā)、全觸發(fā)可選;

6)內(nèi)觸發(fā)方向(為不同壓電傳感器設(shè)定):上升沿觸發(fā)、下降沿觸發(fā)可選;

7)觸發(fā)狀態(tài)檢測和控制。

以上的功能均可通過無線方式進行配置和操作,同時還能夠進行無線擦除和少量可選地址的無線數(shù)據(jù)讀取,真正意義上實現(xiàn)可進行完全無線操作測試。

2 系統(tǒng)基本組成

沖擊波超壓測試系統(tǒng)主要由無線控制平臺和測試裝置組成。測試裝置又包括傳感器、通信及調(diào)理模塊(分為ICP和壓電兩種以滿足不同傳感器的需要)、存儲模塊和電源管理模塊五部分,其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。無線控制單元由上位機和無線主模塊構(gòu)成,為了達到節(jié)省電源和通信距離的要求選擇Zigbee無線方式,用于配置參數(shù)的發(fā)送及數(shù)據(jù)的接收;通信及調(diào)理模塊包含無線從模塊和單片機組成的通信部分及濾波電路組成的調(diào)理電路,主要用于和無線控制單元通信以及對模擬信號的調(diào)理;存儲電路由AD轉(zhuǎn)換器、控制部分的單片機及CPLD和閃存構(gòu)成;電源管理模塊由電源管理芯片完成電平轉(zhuǎn)換及過載自動下電。測試裝置由三部分連接而成,更換調(diào)理電路方便,且每部分由蠟灌封在高強度鋼制成的殼體內(nèi),提高了測試系統(tǒng)的抗沖擊和抗電磁干擾的能力。測試裝置及無線控制臺實物如圖2所示。

圖1 沖擊波超壓測試裝置電路組成圖

圖2 沖擊波超壓測試裝置及無線控制臺實物圖

3 測試系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

測試系統(tǒng)的軟件部分包括上位機軟件、通信電路部分的單片機程序及存儲部分單片機和CPLD的程序。

3.1 無線操控原理

無線操控軟件是由Visual Basic軟件編寫的,界面如圖3所示。從該界面可以看出無線基本上可以完成對測試系統(tǒng)的所有操作,包括上下電、啟動、觸發(fā)、參數(shù)配置擦除和觸發(fā)狀態(tài)檢測,而無線讀數(shù)在另一個界面,通過發(fā)送起始位置和讀取容量來實現(xiàn)少量的數(shù)據(jù)讀取。所有的操作都是通過點擊軟件界面的相應(yīng)操作按鈕來發(fā)送10字節(jié)的數(shù)據(jù)包,數(shù)據(jù)包中第一個字節(jié)為裝置號,該數(shù)據(jù)包經(jīng)過串口由無線主模塊發(fā)送出去,對應(yīng)裝置號的裝置接收到該數(shù)據(jù)包時對指令做出響應(yīng)并在執(zhí)行完后回發(fā)反饋信號,控制軟件收到反饋信號后對應(yīng)按鈕產(chǎn)生如圖8中的顏色變化表明通信成功。觸發(fā)狀態(tài)檢測反饋數(shù)據(jù)包中包含觸發(fā)類型,軟件可以對數(shù)據(jù)包解析得出是內(nèi)觸發(fā)、外觸發(fā)、全觸發(fā)或是沒觸發(fā)。

圖3 無線控制軟件界面

3.2 裝置通訊模塊工作原理

通訊部分單片機主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)無線模塊及存儲模塊之間的通訊,任務(wù)是將無線的配置參數(shù)及讀數(shù)擦除等指令處理并發(fā)送給存儲模塊的單片機以便于其進行相關(guān)功能的選擇配置。無線模塊發(fā)送的指令為10個字節(jié),第一字節(jié)為裝置號,第二字節(jié)為數(shù)據(jù)命令標(biāo)志,第三字節(jié)為各功能指令標(biāo)志,之后的字節(jié)根據(jù)指令不同的功能有不同的定義。圖4給出了該部分單片機程序的部分流程圖。該流程圖是整個程序中的主程序部分,主程序用來判斷兩個串口中斷接收的數(shù)據(jù)是否達到指定的字節(jié),達到后將數(shù)據(jù)進行向上后向下的發(fā)送。兩個串口中斷程序分別用于接收來自無線模塊和存儲模塊的指令或數(shù)據(jù)包,并判斷中斷次數(shù),數(shù)據(jù)包接收完成置位相應(yīng)標(biāo)志位。

圖4 通訊單片機部分流程圖

3.3 存儲模塊單片機及CPLD程序

存儲模塊程序主要由單片機和CPLD協(xié)調(diào)控制兩片F(xiàn)lash的讀、寫、擦除等操作。裝置上電后首先進行上電檢測檢查Flash中是否有數(shù)據(jù),有數(shù)據(jù)時不能采樣,只能進行讀數(shù)和擦除操作。擦除后上電,裝置處于循環(huán)采樣待觸發(fā)狀態(tài),出發(fā)后進入連續(xù)采樣狀態(tài)。程序流程圖如圖5所示。

圖5 存儲模塊整體程序流程圖

對存儲模塊連續(xù)采樣程序進行ModelSim仿真,仿真波形圖如圖6所示。圖中wtrig為觸發(fā)信號;fosc_j為時鐘信號;fifo_data為來自AD轉(zhuǎn)換的信號;flashdata_in為輸出到Flash的數(shù)據(jù)。從圖中可以看出觸發(fā)信號到來后flashdata_in與fifo_data的數(shù)據(jù)變成相同,表明采樣正確。

圖6 存儲模塊連續(xù)采樣程序仿真波形圖

4 試驗驗證及數(shù)據(jù)分析

為了驗證測試系統(tǒng)中無線操控的可靠性及測試裝置的準(zhǔn)確性,進行了50 kg TNT當(dāng)量實彈試驗。彈體爆高2.7 m,傳感器安裝在高2.7 m,距爆心水平距離分別為5 m和8 m處,每個點兩套裝置分布在不同的兩條法線上,無線控制臺設(shè)置在距離裝置約200 m的掩體內(nèi)且通信良好,如在無線主模塊加裝2.4 GHz功率1 W的放大器距離可達300 m以上,現(xiàn)場布設(shè)防護及傳感器安裝如圖7所示。

圖7 試驗現(xiàn)場圖

圖8給出了空中5 m處和8 m處1號裝置和3號裝置的沖擊波超壓測試數(shù)據(jù)。測得波形上升沿陡峭,達到峰值后呈指數(shù)衰減,存在負(fù)壓區(qū)且終值趨于0,完全符合沖擊波特性,表明測試裝置能夠準(zhǔn)確記錄所測信號波形。5 m處的沖擊波波形是比較理想的沖擊波信號。8 m處數(shù)據(jù)在沖擊波到來之前有震蕩,該震蕩是由破片或者鎢珠在沖擊波到來之前打在傳感器安裝座上產(chǎn)生的震動波形,該震蕩可通過濾波的數(shù)據(jù)處理方法濾除,對沖擊波波形進行最優(yōu)最小二乘法擬合可得到比較理想的呈指數(shù)衰減的沖擊波信號。

圖8 某型50 kg TNT當(dāng)量彈試驗數(shù)據(jù)

表1 50 kg TNT當(dāng)量實爆沖擊波超壓值統(tǒng)計表

表1給出了該次實彈試驗的沖擊波超壓測試結(jié)果以及相應(yīng)的估算值。由于該次試驗的比例距離較大,對于不同的超壓計算公式之間的誤差很小,所以選擇哪種計算公式幾乎沒有影響,文中估算采用的是國軍標(biāo)中規(guī)定的金尼-格雷厄姆公式。由表中數(shù)據(jù)可知,在5 m處的實測平均值與估算值相比的誤差為1.8%,在8 m處的實測平均值與估算值相比的誤差為2.7%,雖然估計值不能當(dāng)作真值,但以估算值作為參考,也一定程度上反映了裝置測試的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)論

文中介紹的全無線操控沖擊波超壓測試系統(tǒng)是針對現(xiàn)場測試中出現(xiàn)的測試裝置誤觸發(fā)的情況而提出的,通過Zigbee實現(xiàn)測試系統(tǒng)的無線操控和狀態(tài)監(jiān)測,并采用雙片F(xiàn)lash增大記錄時間。本測試系統(tǒng)的測試準(zhǔn)確度及可靠性經(jīng)過多次實彈試驗驗證,為各類彈藥爆炸威力評價提供了可靠、有效的測試手段。

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All Wireless Control Shock Wave Overpressure Test System Design

WANG Yuquan,DU Hongmian,YANG Fan

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In view of test failure caused by complex natural factors and human factors in shock wave overpressure test, in order to test and control testing device in the whole process, a kind of wave pressure test system which is based on Zigbee, MSP430 MCU, CPLD and two pieces of Flash chip and fully controlled by wireless was proposed. In this paper function, hardware design and software design of the system were introduced, an explosion experiment was done. Full controllability and accuracy of test system were validated by real explosion test and analysis of test data.

shock wave overpressure; wireless Zigbee; recording duration; storage test

2015-04-27

王玉全(1990-),男,遼寧營口人,碩士研究生,研究方向:動態(tài)測試。

TN06

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