基于FPGA和WSN的TNT爆炸时刻采集及存储系统

刘双红，张海龙，靳 鸿，陈昌鑫，马铁华*

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051)

爆炸过程产生的冲击波峰值超压和冲量是火药能量特性的一项重要参数，也是爆炸战斗部毁坏效应的一项重要指标，其准确测量值具有重要意义。由于测试过程的特殊性，干扰信号(如电磁波)可能会影响测试数据的真实性［1］。为了验证测试数据的正确与否，需要利用火药的爆炸时刻来作为参考量。在靶场试验中，火药的爆炸时刻是火药试验鉴定的最重要的性能指标之一，只有精确测量出这一数值，才能为脱靶参量的计算、引战配合性能的评估提供准确的时间数据［2］。本文设计的TNT爆炸时刻采集及存储系统借助于Zigbee无线传感网络监测系统的测试状态，控制系统数据采集和读取，具有很高的可靠性。

1 系统总体设计

1.1 测试原理

火药爆炸时会产生冲击波和火光。TNT爆炸时刻采集及存储系统通过测量火光来记录爆点时刻，主要由光电转换模块(数据采集)、数据存储模块、USB读数模块、无线模块、计算机和电源管理模块等组成。光电传感器采集到信号后送至AD转换器，AD转换的数字量在FPGA的控制作用下保存至闪存中，通过USB读数模块读取闪存中的数据也可以通过Zigbee无线传感网络读取装置中的数据。测试系统的原理图如图1。

图1 测试系统原理图

在冲击波参数测试中，考虑到测试的恶劣环境，测试电路装置在一个壳体内，壳体除了具有屏蔽作用之外还具有很强的抗冲击能力，起到保护壳体内部测试系统的硬件电路的作用。该设计的爆点时刻记录装置壳体采用高强度的刚体结构，最大能够承受10 MPa以上的冲击波压力。

1.2 光电转换模块的设计

光电转换模块需要选择合适的光电器件。根据已有文献，火药爆炸有两个发光区，如图2。T1和T2分别是第一和第二发光区光峰到来的时间，其中较大峰值处即爆炸最亮点，所对应的时间就是爆炸时刻［3］。火药爆炸时的温度为2 800 K～5 000 K［4］，根据维恩定律［5］，可得到对应的波长为 0.579 μm～1.035 μm。2DU型硅功率光敏二极管的响应波长为 0.5 μm ～1.11 μm，峰值波长为0.94 μm，灵敏度为0.4 μA/μW，波长分布曲线如图3。2DU 型硅功率光敏二极管的光通为方形，有效面积为1 mm×1.3 mm，在反向电压下工作的，没有光照时，反向电流即暗电流很小(一般小于0.1 μA)，。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生光生载流子。光生载流子在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。光敏二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流，2DU型硅功率光敏二极管的光电流/正电压特性曲线如图4。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号。

图2 TNT爆炸光辐射波形

图3 2DU型硅功率光敏二极管波长分布曲线

图4 2DU型硅功率光敏二极管光电流/正电压特性曲线

考虑到光电转换器的供电电压有限，为避免输出信号在谷点出现电压饱和，负载需要采用非线性负载［3］。光电转换模块的电路图如图5。在实验室环境下，利用闪光灯对光电转换器进行了模拟实验，得到如图6所示的波形，信号的上升时间为18 μs，噪声15 bit。

图5 光电转换模块电路图

图6 模拟环境下采集的波形图及波形展开图

1.3 无线模块的设计

冲击波超压场具有很大的威力，控制人员必须处于超压小于0.03 MPa的位置，一般距离爆心要几百米［6］，为了在远处实现监控测试装置状态，并在第一时间获取测试数据，该系统采用SZ－05系列Zigbee无线传感网络。

Zigbee技术是一种新型的低速率传输的无线通信技术，利用全球公共频率2.4 GHz，具有低成本、低耗电、网络节点多、传输距离远等优势［7］。Zigbee无线系统可组成星型、网状以及簇状机构，该系统采用星型结构。该模块的主要功能是爆炸前检测各个装置(从节点)的状态以及给出同步触发的内触发信号，数据采集记录完成后，读取各个装置的存储信息。同步触发的内触发信号通过中断的方式给出，主节点接收到中断信号后以广播方式发送，保证触发信号的同步性。从节点在接收到触发信号前保持低功耗状态等待中断信号，接收到内触发信号后485管脚立即置低控制存储测试装置触发，保持300 ms后恢复高电平，这时停止无线模块供电，防止爆轰区电离场对测试电路的影响［8］。

1.4 存储测试设计

爆炸光是一种瞬态量，持续时间很短，为了保证实验数据的准确性，系统采用1 MHz的采用频率。存储器采用基于页编辑、块擦除的 flash存储器K9F1208存储器，该存储器的块擦除的时间为2 ms，页编程的典型时间为200 μs，最大页编程时间为500 μs。一页的数据在写入flash memory时需要经过至少200 μs的编程等待时间，为了避免这期间送过来的数据流失，系统采用FPGA控制下的两片flash memory的乒乓存储方式。

两片闪存存储器总容量为两个单元，系统上电后，计算机通过Zigbee无线网络对系统进行状态检测，完成参数设置进入循环采样状态，等待触发，此时，经AD转换的数字量数据记录在第一单元，存储的内容被不断的擦除改写。触发命令到来时，测试电路触发，负延迟计数器开始计数，达到负延迟的长度后，数据转向第二单元开始进行数据记录。在数据采集完毕后系统进入低功耗状态，等待主机以点名的方式读取数据，也可以回收装置后通过USB读数模块读取闪存中的数据［9］。

在设计中，为了保证实验的可靠性，系统使用外触发和内触发多种触发方式［10］。外触发信号是在火药引爆前，计算机利用Zigbee无线模块［11］通过中断以广播的方式发出，内触发信号由在光电传感模块采集的信号强度大于FPGA设置的触发电平的情况下产生的。

2 程序设计

系统的程序设计包括计算机软件程序设计、FPGA设计和USB读数程序设计［12］。计算机软件程序设计是借助于labview的人机界面，主要用于通过无线通信对测试系统发送各种操作指令实现对装置的检测和参数设置以及对测试数据进行接受、查询、显示，系统的数据显示的软件界面图如图7所示。FPGA设计是用来控制A/D的采样和完成系统的初始化、中断优先级以及判断调用各个模块，使整个系统具有严格的控制时序，保证工作的高速可靠。USB读数程序主要是通过设计GPIF固件的波形图来控制USB的读数。系统软件设计流程图如图8所示。

图7 系统的数据显示软件界面图

图8 系统软件设计流程图

3 测试验证及数据分析

爆点时刻波形记录装置经实验室多次模拟试验后，在靶场对3 kg当量的TNT进行了冲击波参数测试实验。由于本测量是通过光学途径实现的，根据经验，自然界的非火药爆光(如太阳光)就会测量构成一定的干扰，导致系统出现“误测”或者光敏二极管的阻值在强光下，可能已经饱和，在测量爆炸时刻时，有可能发生“漏测”，鉴于上述两种情况干扰，除了应恰当地选择触发电平外，还要对光敏电阻采取必要措施，比如加滤光片，以减小太阳光的干扰。为了保证可靠的数据记录，将爆点时刻波形记录装置置于距爆心0.5 m的距离。图9为TNT爆炸瞬时闪光波形曲线。图10为3.5 m处自由场冲击波超压曲线。

图9 TNT爆炸瞬时闪光波形曲线

图10 3.5 m处自由场冲击波超压曲线

从图9中可以看出，TNT爆炸的时刻在时间轴的7 341处，冲击波其他参数数据应该在7 341点以后。本文以3.5 m处自由场冲击波超压曲线作为验证曲线，根据相关文献，爆炸冲击波传播的速度为2 000 m/s［13］，冲击波传播 3.5 m 的距离应该在1.75 ms左右，即3.5 m处自由场冲击波超压峰值应该出现在时间轴的7 342.75处。从图10看出，3.5 m处自由场冲击波超压峰值在7 342.8处，测试误差小于2%。实验验证，该爆炸时刻测试系统具有较高的测试精度。

4 结束语

TNT爆炸时刻采集存储系统借助Zigbee无线网络监测数据的采集，实现数据的传输，大大提高了系统的可靠性。靶场试验表明，系统具有较高的测试精度，满足现代靶场对TNT的爆炸时间测量要求，有着广泛的应用前景。

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