基于無線組網(wǎng)技術的爆炸沖擊波壓力存儲測試系統(tǒng)

章天平，孔德仁，王良全

(南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

大口徑的爆破彈、戰(zhàn)斗部以及各類武器的毀傷作用主要是爆炸產物和沖擊波共同作用的結果. 爆炸產物通常作用于距離較近的目標，而對于較遠距離的目標主要是通過沖擊波造成毀傷. 因此，準確獲取彈藥爆炸過程中沖擊波超壓數(shù)據(jù)，對于彈藥設計和毀傷威力評估具有非常重要的意義.

目前，常用的沖擊波壓力存儲測試方法主要有引線電測法、等效靶板法、生物實驗法、存儲測試法. 本課題主要針對爆炸后實驗人員無法進入試驗場的特殊工況下的沖擊波壓力存儲測試，而傳統(tǒng)的有線電測法、存儲測試法無法滿足該要求. 2006年，中北大學將遙測技術用于存儲測試，為沖擊波壓力存儲測試提供了新方法[1]； 2010年，中北大學王成帥將Zigbee無線網(wǎng)絡技術應用于存儲測試，實現(xiàn)了遠程控制，但Zigbee傳輸速率低無法滿足大量數(shù)據(jù)的傳輸要求[2]； 2014年，中北大學提出一個結合無線傳感網(wǎng)絡的無線分布式測試方法，具有設備布置簡單、操作簡單及準確度高的特點[3]; 2015年，年南京理工大學袁佳艷將GPS定位技術應用于存儲測試，使得獨立節(jié)點間有了統(tǒng)一的時間基準[4]； 2016年，軒青春基于WIFI實現(xiàn)無線組網(wǎng)，應用于存儲測試，并增加斷線重連等功能[5]. 從上述現(xiàn)狀看，將無線組網(wǎng)技術及存儲測試技術相結合已成為存儲測試發(fā)展趨勢，但如何實現(xiàn)高精度、高速度、穩(wěn)定性強的數(shù)據(jù)采集及傳輸仍需進一步研究. 因此，進一步研究設計基于無線組網(wǎng)技術的沖擊波壓力存儲測試系統(tǒng)具有實際工程意義及需求.

論文設計了一種基于WIFI/Lora雙通信方式的無線存儲測試系統(tǒng)，設計并調試了沖擊波壓力信號調理電路、采集存儲電路及無線傳輸機制. 設計了基于FPGA的邏輯控制，基于Nand Flash完善了負延時觸發(fā)存儲機制. 最后，采用分布式節(jié)點測試方法，通過無線傳輸及有線電測法獲取試驗數(shù)據(jù)，并通過Matlab軟件進行分析，驗證了系統(tǒng)設計.

1 總體方案設計

為了能在特殊工況下(即測試人員在試驗結束后不能進入現(xiàn)場)進行多發(fā)彈的沖擊波壓力測試，需要設計一套基于存儲測試技術和無線組網(wǎng)技術相結合的沖擊波壓力存儲測試系統(tǒng). 總體設計方案如圖 1 所示，測試系統(tǒng)主要由沖擊波壓力傳感器、無線數(shù)據(jù)存儲采集儀(節(jié)點)、無線AP及基站和上位機及測試人員端組成. 沖擊波壓力傳感器連接數(shù)據(jù)采集儀作為一個測試節(jié)點，在爆炸場中完成沖擊波壓力信號的采集存儲，通過中繼AP，傳輸至無線終端.

圖 1 沖擊波壓力存儲測試系統(tǒng)總體設計圖Fig.1 Overall design drawing of shock wave pressure storage test system

如圖 2 所示，系統(tǒng)可適用多種不同類型的傳感器信號輸入. 數(shù)據(jù)采集儀主要由采集存儲控制模塊、無線通信模塊兩部分構成. FPGA主要控制數(shù)據(jù)采樣、存儲，以及狀態(tài)顯示. STM32主要負責多種通信方式以及充電管理. 整個系統(tǒng)由干電池組成的電源模塊供電，保證系統(tǒng)正常運行.

圖 2 數(shù)據(jù)采集儀功能拓撲圖

2 硬件電路設計

2.1 信號調理電路設計

沖擊波壓力傳感器選擇PCB公司的ICP型傳感器113B系列，這種傳感器可用來測量動態(tài)壓力，其測量范圍在0.34 MPa～100 MPa，具有響應快、耐久性強、通帶范圍寬等優(yōu)點[5，6].

以ICP傳感器為例，在使用ICP傳感器工作時，需要2 mA～18 mA恒流驅動，系統(tǒng)選用LM324芯片實現(xiàn)恒流源電路設計，獲得4 mA的恒定電流. 由于ICP傳感器的輸出信號是帶有直流偏置的電壓信號，需對信號進行隔直濾波. 由于沖擊波壓力噪聲主要是高頻分量，通過巴特沃斯低通濾波器濾除高頻噪聲，調理電路如圖 3 所示.

圖 3 信號調理電路原理圖

2.2 采集存儲電路設計

沖擊波的脈沖寬度一般為1 ms左右，具有較寬的頻率范圍，主要能量集中在100 kHz以下[7]. 為了采集到完整的信號，AD采樣頻率設計為1 MHz. AD芯片選用美國Analog Devices公司的AD7671，它是一款16 b逐次逼近型高速高精度數(shù)模轉換器，可實現(xiàn)高速采樣，速率可達1 MSPS. 單次測量需要的存儲容量=采樣頻率×通道數(shù)×AD位數(shù)×采樣時間=1 MHz×1×16×1 s=16 Mb=2 Mbyte. 由于數(shù)據(jù)的存儲速度W必須大于采樣速度，則W>1 MHz×16 bit=2 Mbyte.

外部存儲器選擇三星公司的Nand Flash芯片K9W8G08U1M，容量為8 Gb，滿足多次存儲要求. 其頁編程速率為6.7 Mbyte/s，也大于采樣速度，滿足寫入數(shù)據(jù)的要求.

3 無線傳輸機制設計

課題采用WIFI/Lora雙通信方式實現(xiàn)無線控制以及傳輸： 當數(shù)據(jù)采集儀距離上位機≥50 m時，通過Lora通信查看設備工作狀態(tài)并設置工作參數(shù)； 當數(shù)據(jù)采集儀距離上位機≤50 m時，通過WIFI通信完成設備數(shù)據(jù)的上傳. 以STM32平臺作為主控芯片，實現(xiàn)通信方式切換，同時搭載北斗模組ATG332D-5N-31，實現(xiàn)各測試節(jié)點時間同步.

Lora作為一種線性調頻擴頻的調制技術，工作頻段主要包括434 MHz，868 MHz，915 MHz等，基本滿足遠距離、低功耗的需求[8]. Lora模組選用安信可公司的RA-02模組，該模組采用SPI通信，射頻芯片SX1278可用于超長距離通信，433 MHz頻率工作時發(fā)射功耗93 mA，接受功耗12 mA，待機功耗1.6 mA. 但Lora通信方式也存在不足，其最大可靠通信速率為37.5 Kbps，但此時的通信距離只有幾十米而已. 所以當Lora用于遠距離傳輸時，其傳輸速率必然很低，這時用于傳輸實驗數(shù)據(jù)已經遠遠不能滿足需求.

圖 4 WIFI/Lora通信調試Fig.4 WIFI/Lora communication debugging

WIFI是最為常見的短距離無線技術，擁有較高的傳輸速率，工作頻段分為2.4 GHz和5 GHz兩種[9，10]. 本項目采用樂鑫的ESP8266模塊，該模塊搭載完整的自成體系的網(wǎng)絡解決方案，能夠獨立運行，也可以作為slave搭載于其他Host運行. WIFI透傳，又稱透明傳輸，是一種用戶無需關注內部具體實現(xiàn)即可完成從模塊A將數(shù)據(jù)傳輸至模塊B[11]. 其工作原理是： A模塊通過串口獲取數(shù)據(jù)后通過電磁波發(fā)送至另一個串口再傳輸至B模塊，上述過程在開發(fā)人員看來，可認為是A模塊直接傳至B模塊. 這種透傳模式具有低功耗、速率快的特點，可以將數(shù)據(jù)傳輸至目標地址，不改變其內容以及長度，符合沖擊波壓力存儲測試回收實驗數(shù)據(jù)的課題要求. 如圖 4 所示，使用串口調試助手及網(wǎng)絡調試助手進行通信調試，可實現(xiàn)狀態(tài)查看及通信模式切換.

4 FPGA控制及存儲機制設計

FPGA選用XC6SLX9-2CSG324I作為主控芯片，主要負責數(shù)據(jù)采集、存儲以及傳輸?shù)裙δ埽涔ぷ髁鞒倘鐖D 5 所示. 初始化完成上電后，可通過上位機設置采樣頻率、采樣時間、觸發(fā)方式等參數(shù)，同時擦除FLASH.

為了獲取完整的沖擊波壓力實驗數(shù)據(jù)，采用負延時觸發(fā)方式，系統(tǒng)進入待機狀態(tài)即開始進行200 ms預采樣. 芯片內部包括兩片Chip，每片Chip又分為兩個Plane，命名為Plane1、Plane2. 如圖 6 所示，當進行預采樣時，數(shù)據(jù)先寫入P11區(qū)域，當P11寫滿時，數(shù)據(jù)寫入P21，當P21數(shù)據(jù)達到1/2時，擦除P11，此時數(shù)據(jù)繼續(xù)被寫入P21. 當P21被寫滿后，數(shù)據(jù)繼續(xù)寫入P11，當P11寫滿一半時，擦除P21. 以上過程在觸發(fā)前循環(huán)，直至采集數(shù)據(jù)連續(xù)6次大于觸發(fā)閾值，負延時存儲區(qū)停止寫入，此時采集的數(shù)據(jù)寫入連續(xù)存儲區(qū)即P12、P22.

圖 5 FPGA控制流程圖Fig.5 FPGA control flow chart

圖 6 Nand Flash負延時觸發(fā)存儲機制Fig.6 Nand Flash negative delay trigger storage mechanism

5 性能測試實驗與分析

5.1 實驗裝置設計

數(shù)據(jù)采集儀外殼上端設計如圖 7 所示，設計有電源開關、狀態(tài)顯示、組網(wǎng)狀態(tài)顯示、信號輸入、上傳下載接口等幾大功能模塊. 這種方式方便試驗人員觀察與操作，有利于設備調試、狀態(tài)查看以及定期維護.

存儲測試系統(tǒng)電路板如圖 8 所示，STM32，F(xiàn)PGA主控芯片及AD等主要元器件均放置于板子中，Lora，WIFI、北斗模組通過SPI通信連接，采用鋰電池供電.

圖 7 數(shù)據(jù)采集儀外殼裝置圖Fig.7 Data acquisition instrument housing device diagram

圖 8 存儲測試系統(tǒng)電路板Fig.8 Storage test system circuit board

5.2 無線傳輸性能實驗

在爆炸場中安裝防護裝置，將ICP傳感器通過同軸電纜連接無線數(shù)據(jù)采集儀作為測試節(jié)點，采用分布式測試方法，節(jié)點布置如圖 9 所示： 在距離爆心5 m，7 m，10 m處分別設置3個測點.

圖 9 分布式測試節(jié)點示意圖Fig.9 Schematic diagram of distributed test node

設置好參數(shù)后進行試驗，爆炸結束后測試人員通過上位機控制傳輸并獲取各個節(jié)點實驗數(shù)據(jù)，同時也通過有線電測法獲取沖擊波壓力數(shù)據(jù). 實驗數(shù)據(jù)經Matlab軟件處理，得到結果如圖 10 所示. 在無線傳輸?shù)玫降臄?shù)據(jù)中，5 m，7 m，10 m的沖擊波峰值時間分別為在0.501 s，0.500 1 s，0.5 s，超壓峰值分別為137.6 kPa，56.53 kPa，36.49 kPa； 在有線電測得到的數(shù)據(jù)中，5 m，7 m，10 m的沖擊波峰值時間分別為在0.501 s，0.500 1 s，0.5 s，超壓峰值分別為136.2 kPa，54.27 kPa，35.4 kPa. 實驗結果表明，控制中心能夠對各節(jié)點進行控制，并且通過無線傳輸?shù)男问将@取實驗數(shù)據(jù)，總體測量誤差<4%.

圖 10 無線存儲測試及有線測試沖擊波壓力時程曲線Fig.10 Wireless storage test and wired test shock wave pressure time history curve

6 結 論

該測試系統(tǒng)將無線通信技術與存儲測試技術相結合，設計了無線數(shù)據(jù)采集儀，具有布局簡單、擴展性強等特點，試驗人員無需進入現(xiàn)場即可實現(xiàn)控制各節(jié)點數(shù)據(jù)上傳，信號傳輸質量高，回傳數(shù)據(jù)基本可靠，測量誤差符合工程要求.