全无线操控冲击波超压测试系统设计*

王玉全,杜红棉,杨 帆

(中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051)



全无线操控冲击波超压测试系统设计*

王玉全,杜红棉,杨 帆

(中北大学电子测试技术重点实验室,太原 030051)

针对爆炸冲击波超压测试现场复杂的自然因素和人为因素引起测试失败的情况,为了实现对测试装置的全程检测与控制,设计了一种基于Zigbee、MSP430单片机、CPLD以及两块Flash芯片的全无线操控冲击波超压测试系统。文中详细介绍了系统的功能、硬件设计和程序设计,并进行了实爆实验。通过实爆试验和对试验数据的分析验证了测试系统的全程可控性及测试的准确性。

冲击波超压;无线Zigbee:记录时长;存储测试

0 引言

作为评价弹药毁伤效果的重要参数,爆炸冲击波超压测试技术对于军事发展尤为重要。现今已开发出无线存储式超压测试系统,使冲击波超压测试得到极大的简化[1]。但是大多数测试装置的无线只是用来配置参数而无法进行读数擦除操作并且记录时间较短,当试验出现的各种特殊状况导致测试装置需重新配置和启动时,手动操作繁琐且危险,所以文中设计一种完全可通过无线操作的冲击波超压测试系统,该系统可通过无线完成对装置的触发状态检测、重新配置和启动等操作。

1 冲击波超压测试系统的基本指标及功能

冲击波超压作为弹药毁伤效能的重要参数,具有上升沿陡峭、持续时间短(几个毫秒)、频率高(几十千赫兹)、衰减快的特点[10],根据冲击波的这些特点可以确定测试装置的基本指标如下:

1)采样频率:1 MHz、500 kHz、250 kHz、125 kHz可选;

2)放大倍数:1倍、3倍、10倍可选;

3)触发类型:单重触发方式可选(重触发可实现连续10次触发);

4)触发方式:内触发、外触发、无线触发、全触发可选;

6)内触发方向(为不同压电传感器设定):上升沿触发、下降沿触发可选;

7)触发状态检测和控制。

以上的功能均可通过无线方式进行配置和操作,同时还能够进行无线擦除和少量可选地址的无线数据读取,真正意义上实现可进行完全无线操作测试。

2 系统基本组成

冲击波超压测试系统主要由无线控制平台和测试装置组成。测试装置又包括传感器、通信及调理模块(分为ICP和压电两种以满足不同传感器的需要)、存储模块和电源管理模块五部分,其整体结构如图1所示。无线控制单元由上位机和无线主模块构成,为了达到节省电源和通信距离的要求选择Zigbee无线方式,用于配置参数的发送及数据的接收;通信及调理模块包含无线从模块和单片机组成的通信部分及滤波电路组成的调理电路,主要用于和无线控制单元通信以及对模拟信号的调理;存储电路由AD转换器、控制部分的单片机及CPLD和闪存构成;电源管理模块由电源管理芯片完成电平转换及过载自动下电。测试装置由三部分连接而成,更换调理电路方便,且每部分由蜡灌封在高强度钢制成的壳体内,提高了测试系统的抗冲击和抗电磁干扰的能力。测试装置及无线控制台实物如图2所示。

图1 冲击波超压测试装置电路组成图

图2 冲击波超压测试装置及无线控制台实物图

3 测试系统关键技术

测试系统的软件部分包括上位机软件、通信电路部分的单片机程序及存储部分单片机和CPLD的程序。

3.1 无线操控原理

无线操控软件是由Visual Basic软件编写的,界面如图3所示。从该界面可以看出无线基本上可以完成对测试系统的所有操作,包括上下电、启动、触发、参数配置擦除和触发状态检测,而无线读数在另一个界面,通过发送起始位置和读取容量来实现少量的数据读取。所有的操作都是通过点击软件界面的相应操作按钮来发送10字节的数据包,数据包中第一个字节为装置号,该数据包经过串口由无线主模块发送出去,对应装置号的装置接收到该数据包时对指令做出响应并在执行完后回发反馈信号,控制软件收到反馈信号后对应按钮产生如图8中的颜色变化表明通信成功。触发状态检测反馈数据包中包含触发类型,软件可以对数据包解析得出是内触发、外触发、全触发或是没触发。

图3 无线控制软件界面

3.2 装置通讯模块工作原理

通讯部分单片机主要负责协调无线模块及存储模块之间的通讯,任务是将无线的配置参数及读数擦除等指令处理并发送给存储模块的单片机以便于其进行相关功能的选择配置。无线模块发送的指令为10个字节,第一字节为装置号,第二字节为数据命令标志,第三字节为各功能指令标志,之后的字节根据指令不同的功能有不同的定义。图4给出了该部分单片机程序的部分流程图。该流程图是整个程序中的主程序部分,主程序用来判断两个串口中断接收的数据是否达到指定的字节,达到后将数据进行向上后向下的发送。两个串口中断程序分别用于接收来自无线模块和存储模块的指令或数据包,并判断中断次数,数据包接收完成置位相应标志位。

图4 通讯单片机部分流程图

3.3 存储模块单片机及CPLD程序

存储模块程序主要由单片机和CPLD协调控制两片Flash的读、写、擦除等操作。装置上电后首先进行上电检测检查Flash中是否有数据,有数据时不能采样,只能进行读数和擦除操作。擦除后上电,装置处于循环采样待触发状态,出发后进入连续采样状态。程序流程图如图5所示。

图5 存储模块整体程序流程图

对存储模块连续采样程序进行ModelSim仿真,仿真波形图如图6所示。图中wtrig为触发信号;fosc_j为时钟信号;fifo_data为来自AD转换的信号;flashdata_in为输出到Flash的数据。从图中可以看出触发信号到来后flashdata_in与fifo_data的数据变成相同,表明采样正确。

图6 存储模块连续采样程序仿真波形图

4 试验验证及数据分析

为了验证测试系统中无线操控的可靠性及测试装置的准确性,进行了50 kg TNT当量实弹试验。弹体爆高2.7 m,传感器安装在高2.7 m,距爆心水平距离分别为5 m和8 m处,每个点两套装置分布在不同的两条法线上,无线控制台设置在距离装置约200 m的掩体内且通信良好,如在无线主模块加装2.4 GHz功率1 W的放大器距离可达300 m以上,现场布设防护及传感器安装如图7所示。

图7 试验现场图

图8给出了空中5 m处和8 m处1号装置和3号装置的冲击波超压测试数据。测得波形上升沿陡峭,达到峰值后呈指数衰减,存在负压区且终值趋于0,完全符合冲击波特性,表明测试装置能够准确记录所测信号波形。5 m处的冲击波波形是比较理想的冲击波信号。8 m处数据在冲击波到来之前有震荡,该震荡是由破片或者钨珠在冲击波到来之前打在传感器安装座上产生的震动波形,该震荡可通过滤波的数据处理方法滤除,对冲击波波形进行最优最小二乘法拟合可得到比较理想的呈指数衰减的冲击波信号。

图8 某型50 kg TNT当量弹试验数据

表1 50 kg TNT当量实爆冲击波超压值统计表

表1给出了该次实弹试验的冲击波超压测试结果以及相应的估算值。由于该次试验的比例距离较大,对于不同的超压计算公式之间的误差很小,所以选择哪种计算公式几乎没有影响,文中估算采用的是国军标中规定的金尼-格雷厄姆公式。由表中数据可知,在5 m处的实测平均值与估算值相比的误差为1.8%,在8 m处的实测平均值与估算值相比的误差为2.7%,虽然估计值不能当作真值,但以估算值作为参考,也一定程度上反映了装置测试的准确性。

5 结论

文中介绍的全无线操控冲击波超压测试系统是针对现场测试中出现的测试装置误触发的情况而提出的,通过Zigbee实现测试系统的无线操控和状态监测,并采用双片Flash增大记录时间。本测试系统的测试准确度及可靠性经过多次实弹试验验证,为各类弹药爆炸威力评价提供了可靠、有效的测试手段。

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All Wireless Control Shock Wave Overpressure Test System Design

WANG Yuquan,DU Hongmian,YANG Fan

(National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China)

In view of test failure caused by complex natural factors and human factors in shock wave overpressure test, in order to test and control testing device in the whole process, a kind of wave pressure test system which is based on Zigbee, MSP430 MCU, CPLD and two pieces of Flash chip and fully controlled by wireless was proposed. In this paper function, hardware design and software design of the system were introduced, an explosion experiment was done. Full controllability and accuracy of test system were validated by real explosion test and analysis of test data.

shock wave overpressure; wireless Zigbee; recording duration; storage test

2015-04-27

王玉全(1990-),男,辽宁营口人,硕士研究生,研究方向:动态测试。

TN06

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