基于三轴加速度传感器的弹载存储测试装置

张　亮,张振海,李科杰,李治清

(北京理工大学机电学院，北京 100081)



基于三轴加速度传感器的弹载存储测试装置

张亮,张振海,李科杰,李治清

(北京理工大学机电学院，北京 100081)

摘要:针对目前国内弹载存储测试装置以单通道为主，且现有的三轴测试装置也是基于单轴测试装置通过多路复用开关实现，采样同步性差、精度和速率低、存储容量小等缺点，提出了基于三轴加速度传感器的弹载存储测试装置。该装置采用AD8421芯片实现了三轴微弱信号的放大，以F28335作为主控器，控制模数转换芯片ADS8556进行数据采集和转换，并将转换的数据存储至FLASH中，采样精度为16 bit，三通道同步采样速率为800 ksps，存储容量为2 M×16 bit。对三轴弹载存储测试装置进行了地面模拟测试，测试结果表明：该存储测试装置三轴同步采样速率和采样精度高、数据存储容量大，可满足高冲击三轴加速度信号弹载存储测试要求。这为各类钻地弹和超声速巡航弹药的精确炸点控制奠定技术基础，具有重要实际工程使用价值。

关键词:存储测试；装置；高冲击；三轴加速度信号

0引言

高冲击三轴加速度传感器可以感受硬目标侵彻过程中弹丸所受的三轴向高冲击过载信号，是各类钻地弹和超声速巡航弹药实施精确炸点控制的前提和基础。弹载存储测试装置是高速采集和存储侵彻过程中三轴加速度信号的重要方法[1-3]。为了准确全面地记录整个侵彻历程的三轴加速度传感器的过载信息，对弹载存储测试装置的采集精度、采集速率和存储容量提出更高的要求。国内成熟的弹载存储测试装置主要针对单轴高冲击加速度信号研发，以单通道测试为主，基于三轴加速度传感器的三通道存储测试装置极少，这主要受限于高冲击三轴加速度传感器的研发。现有的三轴测试装置也是基于单轴测试装置通过多路复用开关实现，三通道采样无法保持同步性，此外其采样精度低，采样速率低、存储容量小也是其缺点，例如中北大学研制的三通道同步采样弹载存储测试装置采样频率为200 kHz，采样精度为16 bit，存储容量为200 KB，这种存储测试装置很难完整有效地记录频响较高传感器的高冲击信号。本文针对上述问题，提出了基于三轴加速度传感器的弹载存储测试装置。

1弹载存储测试技术

存储测试技术是指通过微处理器的控制，将某过程所产生的信号按照一定的要求实时采集并存储至存储器中，待采集完毕后，再将存储的数据回读至计算机中进行再现的一种动态测试技术。弹载存储测试技术特指实时获取存储置于弹体上高冲击加速度传感器信号的技术。传统上的弹载存储测试装置由三部分组成：加速度传感器、存储测试电路模块、供电模块。其中存储测试电路模块又由信号调理模块、AD转换模块、主控器模块、存储器模块等组成。依据其实际使用环境，会增加其他相关模块。图1所示为某型压电式单轴加速度传感器弹载存储测试装置原理框图[4]。

图1　弹载存储测试装置原理框图Fig.1　The onboard storage testing device schematic diagram

1.1触发存储方式

弹载存储测试装置的能源和存储容量是有限的，而在侵彻过程中不仅仅需要记录触发之后的侵彻信号，还需要记录触发前的部分信号，因此触发点的选择和弹载存储测试装置存储方式的选择是获取有效侵彻过载信号的关键，触发方式有单次触发、多次触发等方式，存储方式有正延迟存储和负延迟存储[5]。

1.2可变采样率和增益

对于弹丸侵彻硬目标，弹丸在出膛阶段、飞行阶段、侵彻阶段这三个过程的持续时间相差上千倍，承受的过载的幅值相差上万倍[5-6]，因此针对这一信号特性，弹载存储测试装置需要能根据信号的特征自动的改变采样率和信号增益使得采得信号更具有特征[7]。

1.3存储测试装置设计依据

存储测试装置硬件电路的主要设计指标有：采样精度、放大倍数、采样频率、存储容量[8]，这些指标的确定均与所选用的传感器有关。如表1所示为选用的高冲击三轴加速度传感器的部分性能参数。

表1　传感器部分参数

1.3.1采样精度

存储测试装置的精度由 AD 器件的字长、基准电源的精度和传感器的精度共同决定。对于引信的高冲击过载信号测试，8 bit字长的 AD 器件能够满足要求。本实验室研制的三轴高冲击传感器抗过载能力强、量程程大，导致传感器灵敏度较低，为了提高对信号的分辨率，选用字长为16 bit的AD芯片。对于基准电源为5 V，字长为16 bit的AD芯片，其分辨率为76.29 μV/bit。

1.3.2放大倍数

当选用的AD芯片分辨率为76.29 μV/bit时，传感器分辨率为0.03 μV/g时，为了使系统分辨率达到最高，放大倍数至少为2 550倍。基于小信号在放大倍数过大时信号带宽的减小和实际侵彻环境下的大多数场合只需记录整个曲线的变化趋势，整个系统需满足：放大倍数达到1 000倍时，仍满足1 MHz带宽。

1.3.3采样频率

依据采样定律，为了能够不失真的复现原信号，测试系统的采样频率fs应高于原信号的最高频率fm的两倍，即fs≥2fm，一般取fs≥(8～10)fm，因此针对选用的传感器系统采样频率应该不小于160kHz。但考虑到实际侵彻环境和后期传感器性能的提升，在存储容量满足的前提下采样频率越高越好[8-9]。

1.3.4存储容量

为了全面记录过载信号的特性，对不同过载信号进行检测时，应根据信号的特点确定需要记录的时间Ts。由于所设计的系统主要针对高低过载、瞬态冲击信号，一般此类信号全部持续在几百毫秒内。假设Ts=500 ms，三通道16 bitAD以采样800 ksps采样时，则存储容量至少应为1.2 M×16 bit。

综上所述，所设计的三通道弹载存储测试装置性能指标如表2所示。

表2　性能指标

2三通道弹载存储测试装置

2.1功能概述

1)上电后能够自动将三轴加速度传感器电桥电路的失调电压调节至设定范围。

2)在满足带宽、精度、噪声等的要求下，能够根据信号特征进行放大和采样。

3)采集精度为16 bit，三通道同步采集速率最高可达800 ksps，存储容量为2 M×16 bit。

2.2硬件系统设计

三通道弹载存储测试装置硬件电路由六部分组成：电源模块、自动调零模块、放大模块、A/D转换模块、数据存储模块和串口通信模块，如图2所示。系统功能如下：弹载存储测试电路在接收到外部触发信号后，整个系统上电运行，首先对三轴加速度传感器失调电压自动检测并自动调零，然后加速度传感器三路输出信号经过两级放大电路后传送至A/D芯片，在微处理器的控制下按照负延迟存储原理高速采集并存储至SRAM中，待采集完毕后将数据慢速转存至非易失性存储器FLASH中。试验弹回收后，将FLASH中的数据传送至计算机中进行显示、处理和分析。整个系统如何实现传感器失调电压调节、微弱信号检测放大、高速采集、大容量存储是关键，因此着重于对以上模块的设计。

图2　系统框图Fig.2　System diagram

2.2.1自动调零模块设计

采用的传感器是北京理工大学研制的三轴高冲击压阻式加速度传感器。六寸晶圆加工一致性、MEMS压阻器件的温度效应和封装后残余应力的影响，导致传感器存在一定失调电压。通过并联数字电位器调理三轴加速度传感器失调电压在一定的范围内。Z轴的自动调零原理如图3所示，X轴和Y轴与Z轴原理图相同。压阻力敏电阻R1、R2、R3、R4构成Z轴向加速度信号测试电桥电路，根据加速度传感器的初始失调电压和桥臂阻值，通过Matlab仿真确定并联到惠斯特电桥电路中数字电位器RW1的阻值为10 kΩ，RW2的阻值为100 kΩ，型号为Xicor公司的X9C102(10 kΩ)和X9C104(100 kΩ)。

图3　自动调零原理图Fig. 3　Automatic zero setting schematic diagram

2.2.2信号放大模块

高冲击三轴加速度传感器量程高、冲击灵敏度小，输出信号为微伏级。为了准确获取被测加速度信号的特征，需要进行信号的放大。信号放大电路由仪表放大器和数字电位器组成。选用AD8421仪表放大器实现信号的放大。该放大器是一款低成本、低功耗、极低噪声、超低偏置电流的高速仪表放大器，非常适合微弱信号的放大，只需一个电阻即可实现所需的放大倍数调节。为了满足高带宽的要求，采用两级放大电路实现信号的放大。第一级放大倍数为固定值(20倍)，第二级放大倍数根据实际使用环境通过改变并联在其上数字电位器的阻值实现放大倍数可调。该模块放大倍数在1～1 000倍时可调，当放大倍数为1 000倍时，带宽可达1 MHz。

2.2.3模数转换模块

选用TI 公司的ADS8556实现放大信号的采集与转换。ADS8556是一款高速、低功耗、六通道同步采样的16位模数转换器，支持单端、差分模拟输入，输入信号范围可达±4Vref或者±2Vref，其中Vref为内部参考电压，可取2.5 V或3.0 V。ADS8556在软件模式下，六通道同步采样速率可以随时改变，最高采样速率可达800 ksps。放大信号Vi经过OPA2211运放跟随后，驱动能力得以增强。输出端并联RC一阶滤波电路，限制了运放的噪声带宽，减少了噪声干扰。

2.2.4数据存储模块

SRAM存储器具有数据读写速度快的优点，但掉电后数据无法保存，FLASH存储器数据读写速度慢但掉电后数据不丢失。数据存储模块既要求弹载存储测试系统具备快速数据存储功能又要求采样数据在掉电后依然保存，因此将实际侵彻过程的传感器数据快速存储到SRAM中，侵彻过程结束后再将SRAM中的数据慢速存储到FLASH中。TMS320F28335的外部接口(XINTF)接口区域6和区域7存储空间均为1 M×16 bit。分别扩展一块IS61WV1024BLL的SRAM，从而使得该装置具备2 M×16 bit的存储容量。选择型号为W25Q32的串行FLASH在采样完毕后将数据转存，然后读取FLASH数据进行分析。

2.3软件系统设计

为了有效利用弹载存储测试电路的硬件资源，基于UCOSII操作系统进行软件系统的设计。由于UCOSII良好的任务设计性能，将弹载存储测试系统的软件系统划分为五个任务：调零放大任务、采样任务、存储任务和串口通信任务。

2.3.1调零放大任务

调零放大任务主要是利用编程方式分别改变仪表放大器AD8421上的数字电位器和并联在惠斯特电桥上的阻值，实现信号放大倍数可调，减小或消除三轴加速度传感器的失调电压。依据设计要求确定放大倍数后，再通过自动调零的方式确定数字电位器对应的阻值。自动调零的基本思想是运用循环遍历的方式采集数字电位器阻值每种组合方式下的电压值，以对应最小输出电压时电位器的阻值作为调零的最终结果。调零流程图如图4所示。

图4　自动调零流程图Fig.4　Automatic zero setting flow chart

2.3.2采样存储任务

依据负延迟存储方式存储时，为了节约数据采样和转换的时间，在CPU不干预的情况下，采样数据以DMA直接数据存储的方式快速存储至SRAM中，待采集完毕后再将数据慢速转移至FLASH中。

2.3.3串口通信任务

串口通信任务主要是负责弹载存储测试装置与上位机之间的数据交换。试验开始前，将所需的代码通过串口下载至弹载存储测试装置中。试验结束后，通过串口将弹载存储测试装置存储的数据回读至计算机上位机软件中，以便进行数据分析和处理。

2.3.4多任务之间的协调

为了使弹载存储测试装置完成其指定功能，在设计完各个任务后，各个分任务通过信号量、消息队列有效的通信，实现多任务的有效协调工作，完成侵彻过程中高冲击信号的记录。

3系统测试分析

在对整个弹载存储测试装置硬件和软件设计、调试、软件仿真完成后，进行地面模拟试验，分别验证自动调零的功能和信号放大采集存储回读的功能。

3.1自动调零功能验证

将三轴加速度传感器与弹载存储测试装置，放大倍数设置为500倍，采样频率设置为200 ksps，上电后执行自动调零程序，验证其自动调零功能。经测试，该电路能满足三轴加速度传感器的电桥的调零的实际使用需求。部分测试结果如表3所示。

表3　自动调零部分测试结果

3.2信号放大采集存储回读功能验证

弹载存储测试装置的放大倍数分别设置为500倍、800倍、1 000倍时，采样频率设置为200 ksps、400 ksps、600 ksps，800 ksps输入信号为峰峰值和频率不同的正弦激励信号，外部中断触发其采样、存储，最后将信号回读至计算机，通过MATLAB软件编程在上位机中显示，测试结果表明该系统的微弱信号放大、采集、存储传输的功能满足设计要求，测试指标与设计指标相符。最高采样率下的测试结果如表4和图5所示。

表4　弹载存储测试部分测试结果

图5　正弦信号测试结果Fig.5　Test results of sine signal

通过上述试验结果可知，设计的存储测试电路实际测试指标与设计指标相符，满足三轴加速度传感器调零要求，三轴向数据采样有很好的同步性、采样速率和精度高，存储容量大，满足弹载三轴存储测试要求。但在多次试验中，该装置抗电磁环境干扰能力不强，因此可靠性和抗干扰性能力亟待进一步提高。

4结论

本文提出了基于高冲击三轴加速度传感器的弹载存储测试装置。该装置采用AD8421芯片实现了三轴微弱信号的放大，以F28335作为主控器，控制模数转换芯片ADS8556进行数据采集和转换，并将转换的数据存储至FLASH中，采样精度为16 bit，三通道同步采样速率为800 ksps，存储容量为2 M×16 bit。地面模拟测试结果表明该存储测试装置采样速率高、存储容量大、通用性较强，为各类钻地弹和超声速巡航弹药的精确炸点控制奠定技术基础，具有重要实际工程使用价值。该装置针对高频响加速度传感器仍有一定局限性，系统抗干扰性有待提高，下一步将提高其采样率增加抗干扰性，从而提高整个系统的通用性和实用性。

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Onboard Storage Testing Device Based on High Impact Tri-axial Accelerometer

ZHANG Liang，ZHANG Zhenhai，LI Kejie，LI Zhiqing

(School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China)

Abstract:Aiming at the shortcomings of low precision of high-speed acquisition and high-capacity storage onboard storage testing device used to record the tri-axial accelerometer’s high impact output signal in the hard target penetration projectile process, a high impact tri-axial accelerometer onboard storage testing device was designed. The device used AD8421 to implement signal amplification, used digital potentiometers to realize auto-balancing and amplification adjustable of the bridge. As the main controller, F28335 controlled the ADS8556 data acquisition and conversion and save the data to FLASH. The designed onboard storage device’s sample accuracy ups to 16 bit, three-channel simultaneous sample rate ups to 800ksps and storage capacity ups to 2M × 16 bit. Ground simulation tests were conducted for the tri-axial onboard storage device. Test results showed that the onboard storage device has high precision and high simultaneous sampling sample rate and high-capacity storage. The design fully met the onboard storage requirements, which provided a basis for accurate burst point control of the earth penetration bomb and supersonic cruise missile and is of significance in engineer.

Key words:storage testing; device；high impact; tri-axial accelerometer signal

中图分类号:TJ430.6

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2016)02-0013-05

作者简介:张亮(1989—)，男，宁夏隆德人，硕士研究生，研究方向：高g值加速度传感器信号识别、获取。E-mail：bigbird1997@126.com。

基金项目:国防基础科研项目资助(CXX2011XX03、AXX2013XX10)；国家自然科学基金面上项目资助(61273346)；基础研究基金项目资助(2015CX02034)

*收稿日期:2015-11-08