引信过载数据的无线传输系统研究*

杨　茹，王　利，连云飞，张　志（　中北大学机电工程学院，太原　03005；　中国航天科工集团第六研究院60所，呼和浩特　00076）

引信过载数据的无线传输系统研究*

杨茹1，王利1，连云飞1，张志2
（1中北大学机电工程学院，太原030051；2中国航天科工集团第六研究院601所，呼和浩特010076）

针对现有的弹载存储系统具有操作不便、回收过程复杂危险等问题，设计了数据采集无线传输系统，系统利用压电传感器，以C8051F340为主控芯片，结合FRAM芯片，以nRF24L01作为无线收发芯片，并设计天线及匹配电路。经实验验证，数据传输速率可达450 kbps，空旷距离为90 m时，数据仍能可靠传输，对一定厚度的混凝土及铝等非屏蔽介质下具有一定的穿透性，穿透混凝土的最大厚度为3 m。通过动态模拟实验，系统可准确接收加速度数据，误差在1.5%以下，符合实际要求。

C8051F；压电加速度；侵彻；无线传输

0　引言

弹丸侵彻硬目标时的过载数据是设计引信的重要参考数据［1］。现有的测试方法中弹载测试存储技术是较为普遍的技术，它能够获得弹丸从膛内发射到侵彻目标整个过载中的过载变化规律。美国sandia国家实验室设计了小型侵彻加速度记录仪。瑞士武器系统与弹药试验中心设计了高g值的弹道飞行数据记录仪。国内刘立军等人利用弹载存储系统获得动能子弹侵彻硬目标时加速度峰值18 000 g，加速度信号主脉宽为168 μs［2］。一般弹载存储测试系统随弹丸侵彻，弹丸侵彻结束进入到回收场地，回收场地内多为土壤，需要人工对其进行挖掘，对弹载系统回收。但在常规的武器靶场实验中，回收场地内常存在危险性的物体如未起爆的弹丸、有毒物质等，挖掘回收过程复杂危险，针对此问题设计了弹载加速度数据采集无线传输系统，系统随弹丸侵彻进入回收场地内，不需要对其进行挖掘回收，通过无线的方式获得采集的数据。

系统以C8051F340高速单片机为主控制器，将FLASH与SRAM集成一体化，防止数据的丢失，采用nRF24l01作为无线传输芯片，系统具有数据传输率高，测试精度高，对回收场地内的非屏蔽作用的物体具有一定的穿透性等特点。

1　系统的整体设计方案

弹载加速度数据采集无线传输系统由信号处理模块、信号采集模块、数据存储模块以及无线发送模块四部分组成，系统设计原理见图1所示。

系统工作原理如下：首先给恒流源上电，为信号处理电路提供恒定电流，将加速度传感器感知到的信号进行处理，成为能够被采集的模拟信号，给信号处理模块上电，开始对信号循环采集，判断采集到的值是否满足触发值。当满足触发条件时，开始对采集到的数据进行存储。通过初步计算弹丸飞行的时间，设置采集时长，待采集时长计满后，停止采集，等待无线接收设备的自动应答，收到接收模块的应答后，将采集到的数据无线发送出去，从而获得整个过程的过载曲线。

图1　系统设计原理图

2　系统硬件电路构成

2.1信号处理模块

系统选用压电式加速度传感器，其量程达104g，体积较小，其电荷灵敏度为0.072 pC/g。此加速度传感器经过信号调理电路的作用，将感受到的信号变为可以采集的模拟信号。信号调理电路选用增益为0.5 mV/pC的微型阻抗变换器。此阻抗变换器需要提供0.5～10 mA的恒定电流才能正常工作，采用三端可调恒流源LM334芯片来为其提供电流为恒定电流。

2.2数据采集存储电路设计

因导弹速度高、参数变化快，传感器输入单片机的数据速度高、容量大，主控芯片选用C8051F340高速单片机，程序运行速度最高可达48 MHz，具有增强性的SPI串行接口，片内具有多通道AD采样系统，采样频率高达200 ksps。采用其内部自带的AD采集系统，将单片机与AD转换器集成于一体，提高系统的集成度，满足系统对采样频率和采样精度的要求［3］。

在数据存储部分，一般数据存储采用EEPROM 与SRAM。EEPROM技术虽成熟，但是其存储速度较慢，对于变化较快的信息存储不适合。SRAM功耗低，写入速度快，但其掉电后数据会丢失，对电源有较高的要求。基于这两种存储的优缺点，采用FM21L16铁电存储器作为数据存储芯片。FM21L16可存储2 Mbit的数据，它的读写功能类似于普通的SRAM，操作简单。此芯片为并行数据存储器，其存储数据的速度很快，存取时间可达60 ns。其供电电压为2.7～ 3.6 V，属于低功耗、低电压工作芯片。其与单片机的电路连接见图2所示。

单片机的P2接口通过锁存器接FM21L16的低8位地址线，P3口接FM21L16的A8-A15地址线，P4.0接芯片的 A16地址线。与普通 SRAM不同的是，FM21L16在芯片使能端CE的下降沿锁存地址，利用单片机引脚P1.2与ALE经过或门后产生具有下降沿的信号，通过与复位信号经过与门，其作用是为了封锁FM21L16的片选。控制UB与LB来选择存储数据占用存储器的高低8位。

图2　FRAM与C8051F340的电路连接

2.3无线数据发送模块

无线数据发送采用nRF24l01无线收发芯片，其工作频段在 2.4～2.5 GHz频段，与主控芯片C8051F340通过SPI总线连接。其工作电压在1.9～3.6 V，低功耗，满足本系统要求［4-5］。系统采用点对点的通讯方式，包括发射模块和接收模块两部分，发射模块置于弹丸内部。为使数据传输的距离达到最优，天线的设计至关重要。在弹载测试中，要求系统具有微体积、微功耗的特点，故天线的设计需具有微小型、方便安装等特点。本系统中设计采用可弯曲折叠的软PCB板天线，其具有重量轻、体积小、剖面薄等特点。设计天线的参数如下：谐振频率达到2.4GHz，频带宽度小于5%，驻波比系数小于1.5。无线天线设计的阻抗为50 Ω，线宽为0.5 mm，基本尺寸为20 mm×12 mm，并设计相应的天线匹配电路。经过调试，当传输速率达到250 kbps时，在空旷环境中无线传输的距离可达90 m，传输速率可达450 kbps。

3　系统软件设计

程序的设计主要包括AD采集模块，数据读写模块、无线发送模块三大部分内容。1）AD采集模块主要包括AD初始化，采样频率的设置，采集时长的设置。系统上电之后，经过初始化，系统开始对信号进行采样，当采集到的数据大于设定的阈值，打开定时器0计时，当采集的时长达到所设定的时间t1时，停止存入数据。2）数据读写模块，主要针对FM21L16芯片的数据存储与读取，系统上电复位后将P1.2拉低，P1.2经过与ALE或门，再经过与复位信号与门后产生具有下降沿的信号，使得FM21L16芯片能够在下降沿的时候锁存地址，通过控制FM21L16芯片的CE与WE将采集到的数据存储到芯片内部［6］。通过控制P1.4与P1.5，控制数据存储占用芯片的高低8位。由于单片机C8051F340外部可扩展64KB的数据存储器，而FM21L16具有17根地址线，将P4.0作为地址线的最高位，数据存储的地址可通过软件设置。3）无线数据传输模块，首先使能芯片，将芯片设置为发送模式，将TX_ADDR（接收节点地址）与有效数据通过SPI写入TX_FIFO中，并启动自动应答模式，设置工作频段，设置等待重新发送功能，将CE拉高，将数据以数据包的形式打包发送出去。发送完成，通过判断IRQ与TX_DS，以及MAX_RT的电平来判断数据发送是否完成。软件流程见图3所示。

图3　系统软件设计流程图

4　系统稳定传输实验

为了验证系统的可靠性，必须要对系统进行测试。采用静态测试与动态测试两种方式。利用信号发生器模拟信号，分别输出正弦波、方波、三角波3种波形，系统分别对其进行采集，采样频率为300 kHz，并在一定距离下进行数据的收发，实验得出当距离为90 m时，无线接收到的数据与存储在FM21L16芯片中的数据相同。采用KCL冲击试验机模拟弹丸侵彻硬目标实验，并对无线信号穿透能力进行测试，将模拟输入端的信号连到示波器上，将示波器获得的曲线与系统所得到的过载曲线进行对比。在实验中，对非屏蔽介质（混凝土、铝）进行穿透测试实验。图4是实验示意图。在混凝土厚度为1 m、2 m、3 m、3.5 m等不同的情况下进行系统采集以及穿透性能的试验。实验验证，无线信号穿透不同厚度的混凝土后接收到的数据曲线与实际加速度曲线一致。当混凝土厚度达到3.5 m时，无线接收的数据有丢失现象。图5和图6是当混凝土厚度为3m时，实际加速度曲线与无线接收的数据曲线的对比。图7和图8是将无线传输的信号穿透铝制物品时，实际加速度曲线与无线接收的数据的对比。

图4　实验示意图

图5　无线信号穿透3 m的混凝土实际加速度曲线

两次实验的采样频率为200 kHz，采样时长达到397 ms。从图中可以看出实测曲线与系统无线接收的数据曲线相吻合。图5中，实际测得的峰值为0.956 V，约为26 555 g，图6中，系统测得的电压峰值为0.97 V，约为26 944 g，脉宽为105 μs，误差约为1%。图7中，实际测得的峰值为1.35 V，约为37 500 g。图8中系统测得的电压峰值为1.392 2 V，约为38 000 g，脉宽为90 μs，误差约为1.3%。

在后续实测实验中，针对弹丸侵彻结束后进入回收场地内的土堆，通过软件仿真得到当初速为400 m/s时，其进入的深度最大为2.8 m。本系统在混凝土厚度为3 m的情况下可稳定工作。系统中采样频率可调，最高可设置300 kHz的采样频率，系统误差小于1.5%。数据传输率可达450 kbps。初步判断系统的采集频率，以及对混凝土的穿透性满足后续动态实验的要求。

图6　无线信号穿透3 m的混凝土系统所得加速度曲线

图7　无线信号穿透铝制体实际加速度曲线

图8　无线信号穿透铝制体时系统所得的加速度曲线

5　结论

通过实验，得出在空气介质下无线传输的距离最远可达90 m。针对3 m的混凝土和非屏蔽金属物质（铝）等，无线信号具有良好的穿透性，能够可靠的传输数据。在后续动态试验中，将铝作为引信壳体的制作材料，避免安装时对信号屏蔽性的考虑，既可保证弹丸的封闭性，又能保证无线数据能够可靠的传输。通过测试，系统无线数据传输率可达450 kbps，系统采样率最高可达300 kHz，其采样频率、无线数据传输率对回收场地内一定厚度土壤的穿透性等满足实验的要求。

无线弹载测试系统具有微体积，微功耗，传输距离远，数据传输率高，对非屏蔽作用的物质具有一定穿透性等特点。本系统可广泛应用于采集有害环境中的温度、气压等参数，只需在信号输入端接入相应的传感器，具有一定的实际应用价值。

［1］张清爽.弹丸侵彻装甲钢板过载特性数值模拟［J］.弹箭与制导学报，2009，29（4）：133-135.

［2］刘立军，祖静，范锦彪，等.动能子弹侵彻钢板加速度测试与分析［J］.传感器与微系统，2010，29（6）：15-17.

［3］SILICON Laboratories.C8051F34x数据手册［OL］.http：∥www.silabs.corn.

［4］李文仲，段朝玉.C8051F系列单片机与短距离无线数据通信［M］.北京：北京航空航大学出版社，2007：183-184.

［5］2.4G无线射频收发芯片Nrf24l01手册［OL］.bbs. gonkong，com/D/201204/430766-1.shtml

［6］李敏，孟晨.并行接口铁电存储器FM1808及其应用［J］.国外电子元器件，2004（3）：36-39.

Wireless Transmission Technology Research Based on Fuze Acceleration Data

YANG Ru1，WANG Li1，LIAN Yunfei1，ZHANG Zhi2
（1School of Mechatronics Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2The 601st Institute of the 6th Academg，CASIC，Huhhot 010076，China）

Data collection wireless transmission system was designed for solving the problem of inconvenient operation and complex recycling process of onboard storage test system.The C8051F340-based system uses piezoelectric acceleration sensor with combination of FRAM chip，taking nRF24L01 as a wireless transceiver chip for antenna design and circuit matching.According to experimental verification，data transfer rate is up to 450 kbps.When open distance is as far as 90 m，data can still be transmitted reliably.It can penetrate well in unshielded objects such as concrete and aluminum products with certain thickness.The maximum thickness for concrete penetration is 3 m. Accurate data was received by the dynamic simulation system with measurement error less than 1.5%.It meets the requirements.

C8051F；piezoelectric acceleration sensor；penetration；wireless transmission

TJ01

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.019

2015-02-08

杨茹（1991-），女，山西运城人，硕士研究生，研究方向：机电控制系统。