三维加速度测试系统的设计

王建坤 武玉良

摘  要： 为了准确分析多种武器装备发射初始阶段加速度特点，设计了一种具有无线上电功能的加速度存储测试系统。系统解决了導弹等武器发射实验准备时间长，进入发射状态后人员接近存在安全问题，测试仪提前上电待机时间不能满足实验要求的问题，并具有灵活设置采样频率和负延迟时间的优点，很好的满足了各类型武器火箭助推段加速度测试要求。文章对实测轴向加速度数据进行了分析，结果与遥测数据基本吻合。

关键词： 存储测试技术; 加速度; 测试系统; 无线上电

中图分类号：TJ711          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2020）10-52-04

Abstract： In order to accurately analyze the launch acceleration characteristics of various weapons， a 3D acceleration test system with memory testing technology and wireless controlled power on is designed. This system solve the problems which the preparation time of missile's and other weapon's experiment is long， there are safety problems in personnel access after entering the launch state， and the standby time of the system can't meet the requirements if turned on power before entering the launch state. The system has the advantages of flexible set sampling frequency and negative delay time， and it is good to satisfy the requirements of acceleration test of various types of weapons rocket boost. The measured axial acceleration data is analyzed， and they are basically in agreement with the remote sensing data.

Key words： memory testing technology; acceleration; test system; wireless controlled power on

0 引言

目前，国内武器装备加速度测试主要采用遥测和存储测试两种方式。遥测方式在测试过程中有对地面设备要求较高、准备时间长、无法适应发射地点变化等问题，应用存在一定的局限性[1]。近些年来，随着存储测试技术[2]在低功耗、小型化、抗高过载等方面不断取得成就，利用存储测试技术设计的弹载加速度测试系统在各类武器测试领域得到了广泛的应用[3-4]。国内中北大学早在上世纪80年代便开始了弹载存储测试系统的研制，取得了一定成就，测试系统被广泛应用于测量弹体侵彻混凝土、钢板靶过载，火炮发射弹底压力等领域，并积累了大量的数据。采用ASIC芯片研制的存储测试系统已经在多次靶场实测中取得了成功，但ASIC芯片功能单一，修改设计困难，且以往基于存储测试技术的弹载测量设备需在装弹前完成上电，待机时间有限。本文针对以上问题提出基于CPLD的三维加速度测试系统，采用XILINX公司低功耗CPLD为主控芯片，配合低功耗、高性能CMOS模拟电路，12bitA/D转换芯片，富士通铁电存储器等，具有系统功耗低、体积小、抗高过载、测量精度高、测量参数设置灵活，可以无线遥控上电等优点，能满足抗高过载，测试仪安装到位后实验准备时间长，临时修改测试仪参数等特定实验要求，并测得准确数据，为武器装备研发提供数据参考。

1 测试系统工作原理

整个测试系统主要由测试仪和上位机组成，其中测试仪包括传感器阵列、信号调理电路、控制器、存储器、数据接口等部分。测试仪中各电路模块通过环氧树脂灌封工艺固定于高强度钢外壳内提高抗高过载能力，天线由引线孔引出灵活放置。待实验结束后，对测试仪进行回收，通过安装有读数软件的上位机进行数据读取和分析。测试系统的原理框图如图1所示。图1中传感器阵列为三个经特殊工艺校准互成90°安装的压阻式加速度传感器（分别测量轴向和径向加速度），测试仪与上位机的通信通过21针并口进行。

测试仪上电后进行循环采样，当测试仪被触发，记录完规定长度的数据后，传感器阵列，信号调理电路，模拟开关等模拟电路停止供电，整个系统进入低功耗状态，等待回收读取数据。

2 测试系统多功能设计

2.1 无线上电设计

在测试实验开始前，测试仪需事先装入实验对象内部，若无特殊情况，一般不取出。装入实验对象的测试仪完全由仪器内部电池供电，当系统上电后，测试仪开始循环采样，此时测试仪功耗最大。如果测试仪在装入实验对象前上电，发射实验必须在数小时内进行，否则电池电量将耗尽，发射数据无法获取。本系统设计了无线上电控制器，该控制器采用上海某公司生产的SZ-05系列zigbee模块，经多次实验，节点之间的信号在200M内传输稳定可靠，且功耗低，价格便宜，完全能够满足要求[5]。收发采用共形天线，粘贴于实验对象外壳表面，对实验对象气动外形影响小。测试仪装入实验对象后，仅无线上电控制器工作，等待接受上电信号。当控制器收到上电信号后，控制电源管理芯片对测试系统各模块上电并发回上电完成信号。无线上电控制器于发回上电完成信号后切断自身电源，可降低测试仪功耗，并避免无线通信干扰发射实验。

2.2 采样频率可选设计

测试仪选用的A/D转换器为AD7472，转换精度12bit，转换时间880ns，处理能力1.5MPS。AD7472在CONVST端时钟下降沿到来时开始转换，因此其采样频率由CONVST端控制。根据实际需要，通过调整CPLD内分频器的设计而提供合适的CONVST端信号，便可以实现采样频率的灵活选择。

2.3 负延迟时间可调设计

测试仪采样后的数据存入存储器时通过CPLD分配地址。测试仪上电后进入循环采样状态，随着采样数据不断存入存储器，地址依次加1，当触发信号到来，测试仪负延迟计数器在达到设计规定的计数个数后CPLD停止产生地址信号，存储器停止存入数据，等待上位机读取数据。负延迟时间可根据采样频率和觸发后地址生成个数进行计算。调整负延迟时间同修改采样频率一样，可在测试仪使用前通过上位机对CPLD中负延迟计数器进行设置而修改。

2.4 防误触发设计

实验中测试仪采用传感器阵列轴向加速度进行触发。当轴向加速度值大于设定值时，测试仪被触发，停止循环采样，记录完规定长度数据后进入低功耗状态。为了防止测试仪上电瞬间可能出现的尖峰脉冲造成测试仪误触发，测试仪使用了连续比较触发方案，即设计测试仪对轴向加速度信号进行采样，当连续10个点的采样值大于触发值时，测试仪判定为满足触发条件，循环采样状态结束，负延迟计数器开始计数，进入采样存储状态。经多次实验，该防误触发设计既可以有效防止因干扰而产生的误触发也可以保证在实验过程中测试仪的正确触发。

测试仪采样频率选择，负延迟时间调整，防误触发等设计，均由CPLD实现，能够减少不必要的电路模块数量，减小测试仪体积和降低功耗。

3 测试系统读数软件设计

测试系统的上位机读数软件采用LABVIEW软件实现[6]，软件功能结构如图2所示。

软件通过采样读数子VI实现对测试仪存储器内数据的读取，并将数据保存为TDMS文件，完成保存后返回程序主菜单，通过对已保存的数据进行读取，实现数据波形显示。该软件能对读取的加速度信号进行滤波和频谱分析，并根据测试仪系统灵敏度来计算速度和位移曲线。图3为采样读数子VI程序框图，图4为读数软件主菜单。

4 实验验证

实验为某型武器火箭助推器助飞实验。实验前按照实验要求设定好采样频率和负延迟时间后，将测试仪安装入火箭助推器内，并将共形天线使用粘合剂粘贴于火箭助推器外壳表面，在发射前15分钟对测试仪进行无线上电，并在实验结束后对测试仪进行回收，读取数据。图5为实测三维加速度信号，整个助飞过程轴向加速度较大，径向加速度幅值较低。经处理后轴向加速度及速度曲线如图6，可知轴向加速度峰值为37.2m/s2 ，加速时间 2.04s，最终速度为 25.3m/s，与遥测数据基本吻合。

5 结束语

采用该设计的三维加速度测试系统充分利用传统存储测试技术自身优势并结合无线控制技术，具有测试参数修改灵活方便、测量精度高、能承受较长实验等待时间、上电方便等优点。经实验验证，可满足需电磁屏蔽，发射准备时间长的武器装备火箭助飞等情况的三维加速度测量要求，具有广泛的应用前景。

参考文献（References）：

[1] 张亚波，杨晓明.运载火箭的遥测系统关键技术分析[J].中国科技信息，2013.4：43-44

[2] 裴东兴，祖静，张瑜等.弹载电子测试仪的设计[J].弹箭与制导学报，2012.32（3）：220-222

[3] 焦聪，范锦彪，王燕.无人机撞击混凝土靶过载测试系统设计[J].自动化与仪表，2018.33（3）：62-65，91

[4] 郭天吉，肖松.侵彻引信存储测试系统设计[J].测试技术学报，2020.34（2）：104-109

[5] 杜红棉，祖静.无线冲击波超压测试系统研究[J].火力与指挥控制，2012.37（1）：198-200

[6] 韩晓博，梁志剑.基于LABVIEW的弹道解算软件设计[J].山西电子技术，2015.5：53-54