無線控制的負延時存儲測試方法

李亞娟,尤文斌,楊卓靜,祖 靜

(1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室山西太原 030051;2.中國地質調查局水文地質環境地質調查中心,河北保定 071051)

0 引言

近年來,隨著沖擊波存儲測試技術的不斷發展,將無線傳輸技術應用于沖擊波存儲測試領域已成為趨勢[1]。

沖擊波測試系統就是用于武器的空氣靜爆試驗的沖擊波測量,通過測量距爆心不同距離的沖擊波超壓值、超壓持續時間、沖擊波的傳播速度及衰減規律,作為評價武器系統殺傷力的有效手段[2]。目前,常用的沖擊波場超壓測試方法有引線電測試法和存儲測試法。引線電測法是將壓力傳感器置于爆炸測試現場,信號記錄儀及計算機等設備置于遠離現場的掩體內,測試信號通過電纜傳輸[3]。存在的問題:1)布置電纜引線費時費力;2)電起爆信號和爆炸產生的電磁干擾通過電纜引線耦合進入測試系統,常會造成誤觸發或帶來很大的噪聲[4]。存儲測試法是將由傳感器、適配電路、A/D轉換器、存儲器、控制電路、接口以及電源等組成為一個微型化測試裝置置于爆炸現場,記錄完畢后回收測試裝備。其不足:1)無法監控測試裝置狀態;2)不能第一時間獲取測試數據,回收過程可能存在耗時長、回收困難或意外掉電等風險。因此,本文基于存儲測試、無線傳感器網絡等技術,提出了一種無線控制的沖擊波超壓負延時存儲測試方法。

1 存儲測試與無線控制

1.1 存儲測試

彈藥靜爆試驗時沖擊波場中電磁場干擾、超高壓、環境溫度最高時達2 600℃左右。在這樣惡劣的環境下要想保證測量儀器可靠工作,采用存儲測試技術具有很大的優勢。采用存儲測試技術的測試裝置的工作原理為:將傳感器和全部外圍電路放置在一個耐高溫高強度的保護殼體內,只有傳感器的敏感面露在外面感受被測量壓力,這樣惡劣的工作環境就不會影響到測試電路的正常工作;然后將整個測試裝置直接放入測試環境中,信號被記錄下來并存儲在存儲器內,記錄完畢后回收測試裝備。測試裝置結構框圖如圖1所示。

圖1 存儲測試結構框圖Fig.1 Memory test block diagram

在存儲測試中,存儲器是主要部件之一。常用的存儲器靜態隨機存儲器(SRAM)具有讀寫速度快、數據存儲可靠、讀寫操作簡單、不用擦除的優點,因此被廣泛使用。但是SRAM 存在集成度較低、容量小,數據在存儲器電源切斷后丟失,功耗較大,數據存儲速度慢、易出現存儲無效區等問題。

1.2 無線控制與Zigbee網絡

根據文獻[5]中附錄c超壓場對人體殺傷判據的依據,操作人員控制處的沖擊波超壓應小于0.03 MPa,距爆炸中心的距離一般為幾百米。若使用引線電測試法,需要布設長距離的電纜。由于測試環境的惡劣、沖擊波破壞性大,現場固定和保護要求高,造成布設非常不方便。測試信號通過電纜長距離傳輸必然受到爆炸沖擊波強火光、強沖擊波場和強電離場的干擾,同時沖擊波作用于信號傳輸電纜會因“電纜效應”產生虛假信號疊加在被測信號上引起干擾[3]。

近幾年低功耗無線射頻技術在物流、工業、建筑、醫療、軍事等領域得到越來越廣泛的應用。低功耗射頻技術,最知名的就是藍牙(Bluetooth)和ZigBee技術,其中,藍牙技術推廣較早,已經有了相當廣泛的應用基礎,很多消費電子設備上都有藍牙收發裝置。ZigBee技術則興起得較晚,但是發展速度很快,特別是家電和工業自動化領域。

Zigbee無線傳感器網絡是由大量具有特定功能的傳感器節點通過自組網的無線通信方式,相互傳遞信息,協同地完成特定功能的智能專用網絡[6]。傳感器網絡結構如圖2所示。

圖2 傳感器網絡結構Fig.2 Sensor network architecture

Zigbee網絡技術主要是為自動化控制數據傳輸而建立,每個Zigbee網絡節點可支持多于30個的傳感器,每個傳感器可以有8種不同的接口方式。它是一種新型的應用于短距離范圍內,低速率傳輸的無線通訊技術,與現有的控制網絡標準無縫集成,主要具有功耗低、節點體積小成本低、數據傳輸可靠、網絡容量大、兼容性好等特點。

2 無線控制的沖擊波存儲測試方法

本方法將無線傳感器網絡技術與存儲測試技術融合,在數據采集存儲的基礎上,實現可靠電路同步觸發、參數設置、數據傳輸。采用星型結構組網形式,即一個中心節點與多個無線傳感器從節點相互通信的組網方式。無線控制的沖擊波測試原理框圖如圖3所示,無線通信模塊實現計算機和存儲測試裝置之間指令和數據的傳輸。

圖3 無線控制的沖擊波測試原理框圖Fig.3 Wireless-controlled block diagram of the test shock

無線模塊主節點與計算機連接置于安全距離外的控制室,主要負責對無線傳感器從節點進行參數設置、同步觸發與數據傳輸、數據處理與系統復位等控制。從節點對應連接存儲測試系統,主要完成沖擊波場測量的信號獲取與傳輸,放置于爆炸環境之中。計算機是整個網絡控制平臺,發送各種控制指令,接受主節點數據及狀態指令,并進行數據處理。

數據采集存儲裝置是無線傳感器節點重要一環,任務是捕獲目標信號。本存儲測試裝置使用CPLD結合單片機共同控制兩片閃存,可現場實時采集、量化和存儲記錄沖擊波波形。其原理框圖如圖4。

圖4 數據采集存儲裝置原理框圖Fig.4 Block diagram of data acquisition and storage device

CPLD主要用于需要同時完成的同步信號如地址發生器、時鐘等的數字邏輯。單片機完成判斷、運算和控制。CPLD和單片機共同控制A/D變換器、雙Flash閃存存儲操作。CPLD和單片機的組合實現了邏輯時序高速可靠和控制命令的簡單易行。電源是3.6 Ah/7.4 V可充電電池,由穩壓器轉換為模擬電路和數字電路所需的5 V和3.3 V電壓為各個芯片供電。NAND結構的閃存具有容量大、讀寫速度快、非易失、可擦除與重復性編程等優點,非常適合于數據存儲。CPLD控制將數據傳給無線通信模塊。USB接口用于在測試中天線毀壞時,數據可以由單片機控制通過USB芯片傳輸給計算機。

軟件編程時即為各無線從機分配好地址編號,上電后主機以廣播方式對所有從機發出一組設定好的問詢碼,從機收到后將統一設定好的應答碼和自身編號按順序依次回傳給主機,檢測通信是否正常。

在引爆前計算機通過中斷方式給出同步觸發信號,無線主機接收到中斷信號(保持200 ms)后以廣播方式發送,保證觸發信號的同步性。從機在接收到觸發信號前保持低功耗狀態等待中斷信號,接收到觸發信號后輸出相應指令,進行判斷、執行和設置參數,完成對相應的測試裝置觸發和采集控制。完成后無線從機進入休眠狀態,以防止爆轟區電磁場對測試電路的干擾。

負延時實現原理:兩片閃存存儲總容量分為兩個單元,被測信號未到時,存儲器保持循環記錄在第一個單元,儲存的內容不斷被擦除改寫;當觸發信號到來時,測試電路觸發,負延遲計數器開始計數,數據轉向第二單元開始進行順序記錄。負延遲長度根據設計要求確定。計數結束后地址發生器停止工作,沖擊波超壓壓力信號得以存儲。記錄完畢后進入休眠狀態,等待讀數和擦除。負延時功能可以將觸發前的一段信息有效保存,從而得到完整的超壓測試曲線,以保證數據的完整性。

測試裝置采集存儲完畢,給無線模塊一個喚醒信號,無線模塊回傳給主機一個包含存儲完畢和該機地址編號的信號,主機按編號點名向各從機發出傳回數據的命令碼。從機通過外接I/O口讀取存儲器里的數據,然后通過SPI口發送給無線通信模塊并以一定的時序控制無線模塊對數據進行加密、加自身編號地址校驗碼、壓縮等處理過程,以保證數據在傳輸過程中的安全性。無線主機處理后譯出數據和從機地址編號信息,主控CPU將它們存入按從機編號分配好的計算機存儲器空間里。

3 測試驗證

本方法經實驗室標定和多次模擬試驗后,在靶場對云爆彈進行了沖擊波超壓測試工作:6套超壓存儲測試裝置分布在3個成120°夾角半徑方向上,15 m和20 m位置各方一套裝置。爆心離地面高度為1.5 m,控制室距爆心250 m。其分布圖如圖5所示。

圖5 靜爆沖擊波超壓測點的布置Fig.5 Arrangement of static explosion shock wave overpressure measuring points

本次實驗對6發云爆彈靜爆進行了超壓測試,捕獲有效數據31條,無效數據分析原因為接插件未接觸好引起誤觸發。表1為其中一發超壓數據統計表。

圖6為由數據采集存儲裝置捕獲的20 m處1#測點和15 m處4#測點超壓值數據,通過無線數據傳輸發送到距離爆心200 m處計算機,經過濾波等處理后的曲線。

表1 超壓數據統計表Tab.1 Overpressure data tables

圖6 沖擊波測試曲線Fig.6 Shock test curve

1#測點峰值18.5 kPa,正壓區作用時間6.9 ms,到達峰值時間為5.13 ms;4#測點峰值22.1 kPa,正壓區作用時間8.8 ms,到達峰值時間為5.0 ms.。從表1可以看出相同距離的測點沖擊波到達時間基本一致,由圖5可以看出超壓峰值基本符合沖擊波衰減規律。完好的數據顯示了無線傳感網絡技術在測試中的可靠性和實用性。實驗結果表明無線控制的負延時存儲測試方法可控、同步、數據完整,是十分可行和成功的。

4 結論

本文提出了無線控制的負延時存儲測試方法。該方法用Zigbee無線傳感器網絡技術控制沖擊波場中存儲測試裝置的觸發和采集和數據傳輸,并使用負延時功能完整記錄有效數據。解決了傳統方法中布線難、干擾大、無法實時監測和及時獲取數據等問題。試驗表明:該方法具有操作簡單,穩定可靠,低功耗,抗干擾能力強等優點。在爆炸環境惡劣的環境中能夠完整存儲測量數據,實現遠程監控,快速檢測整個系統,及時獲取測試系統的的運行狀況。因此,在其他爆炸測試系統領域有很好的應用前景和推廣價值。

[1]時志云.近距離高速無線數據傳輸系統研究[D].太原:中北大學,2007.

[2]楊澤望,潘保青,孫鵬舉.基于存儲測試技術的強沖擊波測量系統的設計與應用[J].飛行器測控學報,2005,24(3):84-88.YANG Zewang,PAN Baoqing,SUN Pengju.Design and application of powerful blast wave measurement system based on stored test and measurement technology[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology,2005,24(3):84-88.

[3]張志杰,王代華,王文廉,等.具有無線數據傳輸與控制功能的沖擊波超壓測試系統[J].計測技術,2010(1):22-25.ZHANG Zhijie,WANG Daihua,WANG Wenlian,et al.Shock wave pressure measurement system function with wireless data transmission and control[J].Metrology&Measurement Technology,2010(1):22-25.

[4]馬鐵華,祖靜.沖擊波超壓存儲測試技術研究[J].儀器儀表學報,2004,25(S1):134-135.MA Tiehua,ZU Jing.Shock wave pressure measurement by memorized technique[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2004,25(S1):134-135.

[5]中國人民解放軍第三十二試驗訓練基地.GJB 5212-2004云爆彈定型試驗規程[S].北京:總裝備部軍標出版發行部,2004.

[6]孫利民.無線傳感器網絡[M].北京:清華大學出版社,2006.