基于FPGA和无线通信的炮口冲击波测试系统设计与实现

焦耀晗,徐 鹏,杜红棉*,刘 帆,梁永烨

(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)



基于FPGA和无线通信的炮口冲击波测试系统设计与实现

焦耀晗1,2,徐 鹏1,2,杜红棉1,2*,刘 帆1,2,梁永烨1,2

(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)

由于炮口冲击波超压测试现场环境比较恶劣,为了提高存储测试系统的可靠性和灵活性,给出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)和无线通信的炮口冲击波测试系统的设计与实施方案。测试系统的激波管动态校准结果表明,系统符合国军标对炮口冲击波超压测试的基本要求。该系统在多次靶场实爆试验中进行了测试试验,都成功捕获到炮口冲击波超压曲线。试验结果表明所设计的炮口冲击波测试系统具有体积小,微功耗,灵活性高,测试效率高等优点,在炮口冲击波测试中具有良好的应用前景。

存储测试;炮口冲击波;无线传输;FPGA

炮口冲击波超压是自行火炮测试中的重要动态参数之一,其精确测量对自动火炮研制和性能检测十分重要[1]。国内在炮口冲击流场研究分析上偏重于数值模拟,进而预测炮口冲击波场各点的压力值[2]。本文参考国军标中炮口冲击波测试的相关标准,设计了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)和无线通信技术并结合动态校准、实时存储技术的炮口冲击波超压测试系统,并通过了靶场火炮射击测试试验的验证。

1 系统总体设计及关键技术

1.1 系统组成及测试原理

测试系统主要由控制台及测试电路装置组成,测试电路装置包括传感器、电源管理模块、FPGA逻辑器、数据存储模块、无线模块等。进行实弹测试时,控制台放置在安全距离外的掩体中,测试电路装置按测点要求布设于炮口冲击波场中。控制台以无线通信方式控制测试电路的工作状态,根据测试要求进行采样频率、放大倍数和触发方式等相关参数的配置[3]。压力传感器采集到信号后送至A/D转换器,A/D转换的数字量信号在FPGA的控制下存储到FLASH芯片中,通过USB接口读取闪存中的数据至计算机中,再对其进行显示处理。

测试系统原理框图如图1所示。

1.2 关键技术

1.2.1 FPGA控制的可编程多重内触发

FPGA控制闪存进行数据存储时,存在两种存储方式:单次触发存储和多重触发存储[4]。火炮操作过程具有装弹换药的间歇性及射击动作的连续性,需要测试多个瞬态信号,为了提高测试效率,选择多重触发技术[5]。设置多重触发时需要设置内触发电平,内触发又称为模拟信号自触发,由于压力传感器采集的炮口冲击波超压测试信号具有明显的幅值和脉宽[6],可以通过编程设定不同的触发阈值电压,在系统进行循环采样的同时将采集到的信号通过快速比较器电路不断的与之比较,为防止误触发,当传感器输出的模拟信号幅值连续6次达到触发阈值电压时,才发出内触发信号使系统触发。如图2所示,为系统内触发原理图。火炮每发射一次,布设的所有装置分别触发一次记录一次,记录完成后转为待触发状态;当火炮下一次发射时,再一次记录,直到达到设定的重触发次数[8],装置内存储空间全部利用,达到在有效存储空间里记录更多的测试数据的目的,使装置在火炮进行连发射击试验中表现出操作简单、测量效率高等优势。

图2 内触发原理框图

1.2.2 无线通信模块

为了解决传统引线式炮口冲击波测试装置布线费时费力、易引入噪声、无法快速重新布设的问题,并同时实现远程监控测试装置状态,在第一时间获得测试数据,该系统采用了基于IEEE802.15.4标准的zigbee无线通信技术。

Zigbee是一种新型的低速率传输的无线通信技术,具有成本低、耗电少、远距离传输、多网络节点等优势[7]。国军标规定,超过20个以上数量的传感器组成点阵才能完整地测量炮口冲击波[9]。本系统设计中采用了一个中心网络节点,25个终端无线传感网络节点组成的星型传感网络。无线模块中心,终端节点内部设置如下表1所示。中心节点将终端节点编号码和上电配置码发送给终端节点,上电配置码包括采样频率、触发方式等具体的测试参数。终端节点收到后发送反馈码给中心节点,中心节点收到反馈码后认为上电成果,否则进行复位操作,重新进行配置。配置完成后中心节点发送无线触发信号,保证了触发信号的同步性,终端节点接收触发信号后,特定触发管脚保持300 ms的低电平后恢复高电平,此时不再对无线模块供电,防止爆轰电离场对测试数据的影响。在数据采集存储完成后,读取装置的存储信息。

表1 无线模块内部设置

图3 系统软件程序流程图

1.2.3 LabVIEW软件设计

测试系统软件设计是基于LabVIEW设计的人机界面,本软件最大的特点在于数据采集模块的无线传输方式和数据显示处理,此软件通过无线可以对装置进行远程设置,对系统的放大倍数、采样频率、触发方式等相关参数进行设置,与下位机连接从而控制数据读取的过程,显示未经任何处理的模拟量所对应的数字量的数据,可对同一次测试捕获的数据进行多条对比,选择多种滤波器对数据进行滤波,对数据进行定标,计算冲量等处理。LabView通过调用动态链接库与USB接口、RS232接口和PCI总线接口进行通信[10]。系统的软件程序流程图如图3所示。

2 激波管动态校准

为准确地记录炮口冲击波超压的整个变化过程,在使用前,必须对传感器进行测量超压范围内的动态校准。本次校准是在激波管中进行的,根据兰基涅—胡果尼(Rankine-Hugoniot)方程,入射超压平台与波前马赫数的关系为[11]:

(1)

(2)

式中:ΔP2为激波波前的入射超压,P0为低压式气体初始压力;Ms为激波波前的马赫数,Vs=s/t为激波波前的传播速度,s为两测速传感器之间的距离,t为激波经过两测速传感器的时间间隔,T1为未扰动时低压室空气的温度。所用激波管原理图如图4所示。所用激波管低压室长7 m,内壁直径100 mm,将被校传感器置于激波管尾端,感受标准压力,后接Kistler5011电荷放大器,放电常数设为Long,采样频率为20 MHz,研究其输出特性。

图4 激波管原理图

国军标中规定:炮口冲击波测试使用传感器的自振频率应大于75 kHz,上升时间不大于20 μs,过冲要尽量小[12]。从表2中的校准结果来看,系统所用传感器满足国军标中关于炮口冲击波超压测试的要求。

表2 动态校准结果

3 测试验证及数据分析

由该炮口冲击波测试系统参与测试的某型号车载炮的炮口冲击波超压测试试验现场如图5所示,现场风速1.4 m/s,相对湿度35%,气温29.5 ℃,测试环境气象条件满足要求,设置射击角度30°,传感器的敏感面与炮口在同一条直线上,按照国军标中对炮口冲击波测试的测点布设要求[13-14]进行布设,布设两套装置进行对比实验,测试装置分别安装在炮口的+135°(距炮口5 m,传感器敏感面距地面距离1.9 m)和-135°(距炮口10 m,传感器敏感面距地面距离1.58 m)位置。选择PCB公司中高频特性良好的113A27型压力传感器。火炮发射前,控制台通过无线配置各测点的增益、采样频率、触发方式等参数。试验结束后回收装置读取数据。

图5 试验现场

图6所示分别为所测得的经过MATLAB处理的10 m、5 m处炮口冲击波超压曲线[15],其中10 m超压曲线是在无线触发状态下获取的,5 m超压曲线是在重触发下获取的。

图6 实测炮口冲击波超压曲线

图6为10 m和5 m位置测得的单次冲击波超压曲线,图7为5 m位置进行十次炮口冲击波测试所得未经处理的测试曲线,图中十个红色部分为十次重触发时设置的负延时部分,由试验所得超压曲线分析可知,无线触发和重触发方式在实弹测试中都准确的测到了试验数据,性能表现稳定可靠。同一高度时10 m位置的超压峰值为23.62 kPa,小于5 m位置的48.68 kPa,10 m处超压曲线的A-持续时间为3.6 ms,大于5 m处超压曲线1.8 ms的A-持续时间,B-持续时间则随着测点距离的增加而减小。从试验测得的炮口冲击波超压曲线可以看出存在多个超压峰值,属于典型炮口冲击波超压曲线,很好的反映了炮口冲击波的衰减规律。实验结果证明该炮口冲击波测试系统可控性强,灵活方便,可靠性高。

图7 重触发测得的十次炮口冲击波曲线

4 结论

炮口冲击波超压测试系统借助FPGA和无线通信技术,实现了测试系统的准确可靠,提高了测试效率,实现了远程监控,系统软件采用LabVIEW设计,更灵活方便,处理能力强。激波管动态校准技术确保了系统的测量精度;无线触发和内触发组合应用,满足了炮口冲击波的测试要求。靶场试验表明在测试领域具有很好的应用前景和推广价值。

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焦耀晗(1988-),男,河北省石家庄市人,硕士研究生,主要研究方向为动态测试与智能仪器;

徐鹏(1969-)男,教授,中北大学理学院副院长,硕士生导师,研究方向为高冲击动态测试技术;

杜红棉(1977-),女,辽宁省锦州市人,中北大学副教授。主要从事爆炸冲击波测试技术等方面的研究。

DesignandImplementationofMuzzleBlastWaveMeasuringSystemBasedonFPGAandWirelessCommunication

JIAOYaohan1,2,XUPeng1,2,DUHongmian1,2*,LIUFan1,2,LIANGYongye1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory Instrumentation Science & Dynamic Measurement Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

As site environment of the muzzle blast wave overpressure measurement is very harsh,in order to improve the accuracy and flexibility of test system,a design of muzzle blast test system based on field programmable gate array(FPGA)and wireless communications is given in the article. Result of dynamic calibration based on shock tube shows that the system meet the basic requirements of military specifications on the muzzle blast wave overpressure test. The system was tested in several live ammunition tests and all obtained the curves of the muzzle blast wave overpressure successfully. The experimental results indicate that the system has the advantages of small volume,low power consumption,flexibility,etc. And has a good application prospect in the muzzle shock wave test.

storage testing;muzzle blast wave;wireless transmission;FPGA

2014-02-27修改日期:2014-09-30

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.026

TM932

:A

:1004-1699(2014)11-1585-04