火箭測(cè)試平臺(tái)多通道脈動(dòng)壓力的同步采集與數(shù)據(jù)回收

（中國(guó)工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽(yáng) 621900）

通過(guò)火箭測(cè)試平臺(tái)對(duì)飛行過(guò)程[1]中彈頭各測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力[2-6]進(jìn)行全過(guò)程測(cè)量，為脈動(dòng)壓力的數(shù)值模擬預(yù)測(cè)、等效性[7]評(píng)價(jià)等提供數(shù)據(jù)支撐。在飛行過(guò)程中，獲取試驗(yàn)平臺(tái)表面脈動(dòng)壓力具有采樣率高、采集通道多、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)。針對(duì)脈動(dòng)壓力此類瞬態(tài)信號(hào)的多通道關(guān)聯(lián)采樣，對(duì)采樣通道同步精度有著較高的要求。同步采樣[7-8]的精度需要優(yōu)于采樣周期2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，過(guò)低的采樣同步精度將導(dǎo)致各通道的采集數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度差，加大后續(xù)的數(shù)據(jù)分析難度，影響試驗(yàn)成敗[8]。

針對(duì)數(shù)據(jù)回收，受限于彈艙空間，數(shù)采系統(tǒng)的體積和質(zhì)量受到嚴(yán)格限制，無(wú)法通過(guò)堆砌體積和質(zhì)量的方式增加系統(tǒng)的抗沖擊能力。多通道的數(shù)采系統(tǒng)也因此需分成多個(gè)子模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，為減少?gòu)椗搩?nèi)的電磁干擾，子模塊之間也無(wú)法共用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。盡管各模塊的時(shí)鐘頻率相同，晶振的頻率誤差和穩(wěn)定度將在采樣時(shí)間的累積下導(dǎo)致采樣通道之間的同步精度逐漸變差，影響測(cè)試數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性[9-11]。

文中針對(duì)多通道脈動(dòng)壓力的同步采樣，設(shè)計(jì)了一種同步采樣機(jī)制，通過(guò)采樣使能信號(hào)作為所有通道每一次采樣的起始信號(hào)，消除同步誤差積累，保證采樣同步精度。針對(duì)數(shù)據(jù)回收[12-15]，采用“采存分離”[14]的設(shè)計(jì)模式將存儲(chǔ)電路從數(shù)采系統(tǒng)中剝離，單獨(dú)對(duì)其進(jìn)行抗沖擊防護(hù)，使之適應(yīng)觸地過(guò)程的強(qiáng)沖擊環(huán)境。

1 多通道脈動(dòng)壓力的同步采樣與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

1.1 采編模塊設(shè)計(jì)

采編模塊主要由 FPGA、晶振、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、RS422 總線芯片、線性穩(wěn)壓電源（LDO）以及相關(guān)的配置電路構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)指令接收、40 路脈動(dòng)壓力的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送、回讀數(shù)據(jù)上傳等功能。由于彈艙安裝空間的限制，采編模塊被設(shè)計(jì)為2 個(gè)子模塊，每個(gè)子模塊負(fù)責(zé)20 路脈動(dòng)壓力采集，每路采樣通道的采樣頻率為60 kHz，采樣位數(shù)為16 位。為減少?gòu)椗搩?nèi)的電磁干擾，子模塊擁有獨(dú)立的時(shí)鐘源。

為減少FPGA 對(duì)IO 資源的需求，每4 個(gè)ADC構(gòu)成一個(gè)采樣模組，采用菊花鏈模式進(jìn)行工作。每個(gè)采編子模塊擁有5 個(gè)采樣模組，每個(gè)采樣模組對(duì)應(yīng)1個(gè)變換器模組。由于2 個(gè)子系統(tǒng)擁有獨(dú)立的工作時(shí)鐘，盡管時(shí)鐘頻率一致，但時(shí)鐘自身的頻偏、溫漂和穩(wěn)定度帶來(lái)的誤差將在時(shí)間的積累下逐漸擴(kuò)大，進(jìn)而導(dǎo)致子模塊之間的采樣同步時(shí)間逐漸擴(kuò)大，最終導(dǎo)致采樣不同步。為保證在整個(gè)采樣時(shí)間內(nèi)10 個(gè)采樣模組的采樣同步性，采用統(tǒng)一的同步觸發(fā)信號(hào)作為子系統(tǒng)的采樣使能信號(hào)，同步信號(hào)觸發(fā)一次，采樣組完成一次采樣。采編模塊組成如圖1 所示。

圖1 采編模塊組成Fig.1 Schematic diagram of acquisition and decoding module

通過(guò)控制同步信號(hào)的觸發(fā)頻率實(shí)現(xiàn)各通道的采樣頻率。經(jīng)過(guò)測(cè)試，40 通道的同步采樣誤差被控在了5 個(gè)周期內(nèi)。針對(duì)60 kHz 的采樣頻率，5 個(gè)周期的同步誤差所帶來(lái)的測(cè)試誤差可以忽略不計(jì)。

1.2 存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)

存儲(chǔ)模塊僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與回收，通過(guò)自定義數(shù)據(jù)總線與采編模塊進(jìn)行互聯(lián)，由采編模塊提供工作必需的電源、指令和數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)模塊由2 個(gè)子模塊構(gòu)成，每個(gè)子模塊對(duì)應(yīng)1 個(gè)采編子模塊。

存儲(chǔ)模塊的電路主要由CPLD 和FLASH 構(gòu)成，CPLD 作為控制器，控制FLASH 完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與回讀。自定義數(shù)據(jù)總線通過(guò)FPGA 與CPLD 的IO 直接實(shí)現(xiàn)，通信速率達(dá)到40 Mbit/s，保證采編模塊采樣得到的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)傳輸至存儲(chǔ)模塊。FLASH 則采用1 GB 容量的NAND FLASH，保證飛行時(shí)間內(nèi)采集得到的所有數(shù)據(jù)能夠被完整記錄。

存儲(chǔ)電路具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小，易于防護(hù)的特點(diǎn)，在抗沖擊防護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)下能夠在高馬赫的觸地速度下生存，保證數(shù)據(jù)的安全回收。

1.3 風(fēng)洞比對(duì)試驗(yàn)

為了測(cè)試多通道脈動(dòng)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與同步性，通過(guò)中國(guó)空氣動(dòng)力發(fā)展與研究中心的某型風(fēng)洞完成了2 種不同馬赫數(shù)條件下的試驗(yàn)。通過(guò)比對(duì)采集系統(tǒng)與風(fēng)洞各自得到的測(cè)試數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了采集系統(tǒng)的同步性滿足要求，部分測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力系數(shù)對(duì)比如圖2 所示。

圖2 部分測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力系數(shù)對(duì)比Fig.2 Comparison of pulsating pressure coefficients at some measuring points:a) measuring Points A1 and B1;b) measuring Points A2 and B2

2 高馬赫觸地速度下的數(shù)據(jù)回收

2.1 防護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受限于彈艙空間，2 個(gè)存儲(chǔ)子模塊被放入1 個(gè)結(jié)構(gòu)體進(jìn)行防護(hù)。防護(hù)結(jié)構(gòu)分為內(nèi)外兩層，通過(guò)環(huán)氧樹脂灌封成一個(gè)整體。

內(nèi)層是聚四氟乙烯骨架，能夠有效隔絕外部強(qiáng)沖擊對(duì)電路的傷害。2 個(gè)存儲(chǔ)電路被平行放置于其中，支撐壁頂部及底部與外筒的交界處都做了圓角處理，避免出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致存儲(chǔ)電路損壞。

外層是高強(qiáng)度質(zhì)量比的合金外筒，避免在高過(guò)載、高沖擊環(huán)境下發(fā)生形變或斷裂導(dǎo)致電路上的FLASH 芯片被破壞，進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)回收失效。合金外筒分為筒壁和端蓋，二者通過(guò)螺紋連接。端蓋有進(jìn)膠孔，出氣孔以及連接器的安裝孔位。筒壁底部為安裝盤，通過(guò)螺釘固定。

在防護(hù)結(jié)構(gòu)裝配完畢后，在真空狀態(tài)下采用環(huán)氧樹脂灌封形成一個(gè)整體，在恒溫環(huán)境固化后，形成存儲(chǔ)模塊，如圖3 所示。存儲(chǔ)模塊外徑為52 mm，高度為65 mm，質(zhì)量為400 g。

圖3 存儲(chǔ)模塊外形Fig.3 Schematic diagram of the memory module

2.2 火炮試驗(yàn)考核

在存儲(chǔ)模塊完成研制后，采用火炮加載方式的對(duì)其抗沖擊性能進(jìn)行考核。為了模擬真實(shí)的觸地條件，結(jié)合火箭彈飛行落區(qū)的地形地貌以及地質(zhì)條件，采用300 mm 厚的C30 水泥靶作為撞擊靶板。在火炮試驗(yàn)前，將存儲(chǔ)模塊內(nèi)的所有FLASH 存滿，在火炮試驗(yàn)結(jié)束后，通過(guò)軟件對(duì)存儲(chǔ)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，確定存儲(chǔ)模塊的抗沖擊性能是否滿足要求。

在 3 次火炮加載試驗(yàn)中，觸靶速度均超過(guò)1000 m/s，存儲(chǔ)模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)均正確回收，驗(yàn)證了存儲(chǔ)模塊能夠經(jīng)受火箭彈的觸地沖擊速度。

3 結(jié)論

1）通過(guò)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行同步采集控制，40 通道脈動(dòng)壓力的同步精度被控制在允許范圍內(nèi)。

2）“采存分離”模式大幅度提高了數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)的抗沖擊能力，在小體積、小質(zhì)量的前提下保證數(shù)據(jù)可靠回收。