弹丸转速-炮口速度无线弹载测试系统设计

岳 晗，裴东兴，张 瑜，马铁华

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

弹丸转速-炮口速度无线弹载测试系统设计

岳 晗1，2，裴东兴1，2，张 瑜1，2，马铁华1，2

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

针对现有存储测试系统的通信方式存在通信设备位置固定、操作不便和数据传输可靠性差的问题，设计了弹丸转速-炮口速度无线弹载测试系统。该系统以CC430作为主控芯片，将单片机与无线射频模块集成于一体，提高了系统的集成度，选择天线并设计天线匹配电路以实现数据的无线收发功能。利用地磁线圈切割磁感线产生感应电动势来计算弹丸转速，并依据转速、缠度可求出弹丸在炮口的初速。经实弹测试验证，该系统在433MHz频段工作，通信速率可达250kbps，在200m以内能够实现完整的数据收发，能够准确测量弹丸的转速及炮口速度，其炮口速度测量误差在±1.2%以内。

存储测试；CC430；无线射频；转速；炮口速度

弹丸的转速和炮口速度是影响火炮威力及射击精度的重要参量，炮口速度是决定外弹道三个基本参数（弹道系数、射角和初速）之一。现有的炮口初速测量方法有红外遥测法和雷达测速法等，它们都属于外测法，受外界因素影响大、测试难度大。针对弹载测试的特殊性，设计了基于CC430的弹载测试系统，其具有误差不随时间积累、测试精度高、数据传输准确和方便等优点。

其测试装置置于弹丸内部，能够测量弹丸的转速及炮口速度，并将测量数据通过无线射频方便准确地上传至计算机。

1 弹载测试装置设计

1.1 系统架构

基于CC430的无线弹载测试系统主要由薄膜线圈式地磁传感器、信号调理电路和CC430单片机组成。测试系统的原理框图如图1所示。

1.2 硬件电路

设计采用自制的薄膜线圈式地磁传感器，利用先进的薄膜加工工艺，设计制造成柔性的多层薄膜线圈。该传感器可灵活地粘贴于测试装置的表面，极大地提高了传感器的灵活性、可靠性和安装适应性［］。

测试中采用CC430F6137作为主控芯片，运用其内部自带的12bit的AD转换器，将从传感器输出的模拟信号转换成数字信号。CC430的最大特点就是集成了RF1A无线射频模块，极大地方便了数据的传输［2-4］。对无线模块的天线电路进行相关的无线匹配网络设计（平衡转换和阻抗匹配）即可实现数据的无线收发。设计中采用433MHz频段。选用SMA接头的全向天线，天线阻抗为50 Ω，只要设计相应的天线匹配电路［5］，即可实现无线收发功能。运用软件AppCAD对到SMA天线座之间的微带线进行了线宽和铜厚设计［6］，其线宽为1.81mm，铜厚为0.035mm，经过调试，其通信速率可达250kbps，在200m以内可以准确地实现数据的收发功能。从而精确、方便地实现了测试系统与上位机间的数据传输。

2 转速测量原理

笔者采用薄膜线圈式地磁传感器直接测量弹丸转速。利用薄膜线圈式地磁传感器在子弹抛撒时，切割地磁场磁力线，由于子弹在空中做翻转运动，使得通过薄膜式地磁传感器的磁通量发生变化，根据电磁感应定律可得到随磁通量变化的感应电动势。测试装置在弹上的安装方式如图2所示。一个N匝线圈的闭合电路，切割地磁场产生感应电动势为［7-8］

式中：E为线圈中产生的感应电动势；Φ为线圈磁通量（单匝）；t为时间；N为线圈匝数；B为当地地磁场总磁感应强度；B为总磁感应强度矢量；S为线圈面积；S为面积矢量；θ为线圈旋转角；为线圈转动的角速度ω。

由上述推导可知，当弹丸高速自旋时，线圈输出感应电动势信号E为周期性的正弦信号，正弦信号的频率代表地磁线圈传感器的转动频率。

3 炮口速度测量原理

通过弹丸角速度ω的测量可以计算出弹丸出炮口时的速度值，利用下式计算。

式中：v0为弹丸出炮口时的速度值；ηg为火炮膛线缠度；ω0为弹丸出炮口时的转动角速度；D为弹丸直径；rg为膛线的缠角。

分析上式可知，只要测量出弹丸的角速度即可求出弹丸出炮口时的速度。对于确定的火炮，其膛线缠度及口径都是确定的。

4 无线射频通信设计及应用

设计中采用点对点的通信方式，即两个子系统通信独享一条线路［9］。该无线通信系统由发射板（置于被测现场）和接收板组成，二者间采用中断来进行发射和接收，用LED闪烁表示响应，其通信协议如图3所示，图3（a）为射频发射流程，图3（b）为射频接收流程。

上述图3通信协议在IAR软件中调试，以验证其正确性。运用SmartRF Studio软件对CC430的RF寄存器的值进行配置，可对RF参数进行仿真。目前国内使用较多的免费频段有433MHz和315MHz，由于315MHz使用较多，易受干扰，因此设计中采用433MHz。只需配置频率、调制方式、功率和晶振频率这几项，其他采用默认配置，配置完成后生成.h的文件即可植入程序中使用。

按照上述的寄存器配置及收发流程，在IAR软件中对电路进行调试，经调试在433MHz频段，数据传输率为250kbps时，可以准确地实现数据收发。验证性试验如下所述：设置发送60字节的数据，发送内容为00H～3BH，即发送缓存TxBuffer中的数据为00H～3BH。接收到的数据存至接收缓存RxBuffer中，从调试界面中得到的数据也为00H～3BH，与发送的数据一致，同时在其末尾附加两个状态字节，这些状态字节包含了接收信号强度值、链路质量指示值以及CRC校验值，说明该无线射频模块能够实现准确的数据收发功能。

5 实弹应用及分析

对155杀爆弹进行实弹测试，利用射频传输测得的数据得到弹丸在0～1s内感应电动势随时间变化的曲线，如图4所示。

为看清楚信号的变化情况，给出了弹丸在0～100ms内感应电动势随时间变化的曲线，如图5所示。从图中可以看出，弹丸出炮口是在 时间为20 ms时，计算出此时弹丸的角速度后依据式（2）可以求出弹丸出炮口时的速度。

依据图5计算得到弹丸在炮口的转速为18 077r／min，膛线的缠角与弹丸直径D为确定值，根据式（2）计算得到弹丸炮口初速v0为919.3 m／s。为验证该方案的可行性，在实弹测试的同时运用雷达直接测速法测量的弹丸炮口速度为930.2 m／s，可以算出其误差为1.1%。经过多次试验验证，其速度误差值在±1.2%以内，满足测量要求。

6 结 论

笔者设计了一种基于CC430的无线弹载测试系统，该测试系统克服了全弹道测试难度大、烟雾区数据难以获取的困难，运用CC430上自带的无线射频模块实现测试系统与上位机之间的通信，能够准确测量弹丸的转速及炮口速度。经过实弹测试验证，该测试系统可以准确完整地传输数据，极大地提高了操作系统的便捷性。

（References）

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Wireless Missile-borne Test System Design Based on Projectile Rotating Speed-muzzle Velocity

YUE Han1，2，PEI Dong-xing1，2，ZHANG Yu1，2，MA Tie-hua1，2
（1.Ministry of Education Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China；2.National Key Laboratory of Eletronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，Shanxi，China）

As regards the problems of stationary position of communication equipment，inconvenient operation and inferior reliability of data transmission existed in the communication ways of current storage test system，wireless missile-borne testing system based on projectile rotating speed-muzzle velocity was designed.The system made use of CC430as the main control chip，integrated the MCU and RF module into one chip，and thus improved the system integration degree.The antenna was chosen and the antenna matching circuit was designed so as to acquire the functions of wirelessly receiving and transmitting data.Projectile rotating speed was calculated by use of the geomagnetic coil cutting magnetic line to generate inductive electromotive force，and the projective muzzle velocity was calculated based on data of rotating speed and twist.The live ammunition test demonstrated that this system can operate at 433MHz and the communication rate can reach 250kbps，the system can achieve complete data reception and transmission within 200meters and the measuring results of projectile rotating speed and muzzle velocity are accurate，the measurement error of muzzle velocity in the system is within±1.2%.

storage test；CC430；radio frequency；rotating speed；muzzle velocity

TJ760.6

A

1673-6524（2014）01-0071-04

2013-05-08；

2013-09-02

岳晗（1988-），女，硕士研究生，主要从事动态测试与智能仪器研究。E-mail：18734137263＠163.com