沖擊波超壓無線式存儲測試系統的研究

張建偉, 馬鐵華, 杜紅棉, 楊卓靜

（1 中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室 電子測試技術重點實驗室， 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

近十幾年來，國內外科研工作者利用各種測試方法對大威力爆炸沖擊波進行了大量詳細的分析研究。測試方法很多，而存儲測試法較為常用。存儲測試技術具有體積小、低功耗、抗干擾、不易損壞，不需要外引線等特點，比較適合沖擊波場的測試。在實際應用中，要將存儲測試系統預先置入被測環境，等記錄完畢后直接去現場用計算機讀取測試數據。但是現行沖擊波場存儲測試系統存在以下不足：(1)無法實時監測系統狀態：測試系統置入爆炸現場后，就無法確知系統狀態。 (2)超壓沖擊波信號時基不統一，也就是說沒有一個作為沖擊波信號到來的參照時間點。無線通信技術容易實現遠程訪問、診斷，具有互操作性等優點。如果把無線通信技術運用到存儲測試中，將有效的解決傳統測試方法的不足[1]。在分析傳統測試方法的基礎上，我們提出了一種沖擊波超壓無線式存儲測試系統。

1 系統的設計

無線傳感網絡存儲測試系統有兩部分組成：(1)上位機和無線ZigBee模塊組成的檢測中心系統。(2)無線ZigBee模塊、Msp430單片機、光藕、存儲測試裝置組成的測試節點硬件系統。其中存儲測試裝置有沖擊波測試電路和傳感器兩部分組成。無線傳感網絡的組網形式是星形網絡，因此只需要一個中心網絡節點即可。整體設計框圖如下圖1所示[7]。

圖1 無線傳感網絡存儲測試系統整體框圖

無線中心傳感網絡主要負責發送設置參數、無線觸發，以及將接收到的數據顯示在主機界面上。無線終端傳感網絡主要負責無線數據的接收，MSP430單片機主要是為存儲測試裝置設置參數以及讀取測試裝置數據。測試裝置主要是存儲爆炸沖擊波的數據。

2 關鍵技術

2.1 Zigbee無線通信模塊

根據文獻，超壓場對人體殺傷判據的依據 ,無線控制平臺處的沖擊波超壓應小于 0.03MP，無線控制平臺距爆心的距離一般為幾百米[2]。因此我們選用上海順舟科技公司生產的SZ05系列無線數據通信模塊。它集成了符合ZIGBEE協議標準的射頻收發器和微處理器。SZ05系列無線通信模塊分為中心協調器、路由器和終端節點，這三類設備具備不同的網絡功能。設備在硬件結構上完全一致，只是設備嵌入軟件不同，只需通過跳線設置或軟件配置即可實現不同的設備功能。

通過無線ZigBee技術組建星形傳感網絡，利用TI公司生產的MSP430單片機組建中央控制電路。本測試系統主要由單片機控制將裝置RAM中的數據傳送給計算機，另外，試驗前，要接收計算機的編程數據給測試系統編程。為了在計算機、無線模塊以及單片機之間可靠地進行通信，通信協議是必須的。我們采用的通信協議是簡單可靠的握手協議[3]。

2.2 存儲測試模塊

存儲測試系統主要由傳感器、模擬模塊、數字模塊（數據采集存儲）、無線模塊、USB讀數模塊、計算機和安裝裝置(殼體)等組成，測試系統原理框圖見圖2，沖擊波超壓的測試環境相當惡劣，殼體除了具有屏蔽作用之外還要求它具有很強的抗沖擊能力，能夠起到保護殼體內部測試系統的硬件部分的作用，所以殼體采用高強度的剛體結構，最大能夠承受10MPa以上的沖擊波壓力[4]。

圖2 測試系統原理框圖

存儲測試系統工作過程如圖2所示。測試系統上電后、測試實驗開始前用計算機通過USB或者無線模塊對系統進行參數設置，設置完畢后系統進入循環采樣狀態，等待觸發。如果采用無線觸發方式，則計算機通過無線模塊發送觸發命令，系統觸發進入測試數據記錄階段。在整個采樣階段，傳感器將爆炸沖擊波超壓信號轉變為電壓信號，經過濾波放大電路后輸送到A/D進行模數轉換，轉換后的數字信號在FPGA的控制下儲存到閃存中，等待數據記錄完成。測試系統記錄10s后自動下電，數據采集存儲完畢，等待讀取數據。讀數時，系統重新上電，通過USB讀數模塊讀取閃存中的數據，直到數據讀取完為止。此時可擦除測試系統中的數據，下電等待下次實驗[8]。

沖擊波超壓無線式存儲測試系統實物如圖3所示。

圖3 沖擊波超壓無線式存儲測試系統實物圖

2.3 測試系統的軟件設計

測試系統的軟件設計在整個測試系統中至關重要，它主要包括FPGA控制程序設計、USB讀數程序設計和計算機軟件程序設計3部分，它們貫穿于測試系統工作的整個過程。FPGA程序控制A/D轉換器和閃存的各種工作狀態；USB程序主要通過設計GPIF固件的波形圖來控制USB讀數[5]；計算機軟件包括計算機參數設置、數據讀取與數據處理等方面工作。設計內容如圖4所示。

圖4 軟件設計內容

3 實際應用及結果分析

該系統應用于云爆彈的爆炸威力測試，當時氣象條件為0.927標準大氣壓；濕度20%；溫度－13℃ ～－5℃。6套裝置分別布置在距爆心15 m和20 m處，并且規律的布置在3條射線上，3條射線分別成120°夾角。1、2、3號裝置布置在半徑為15 m的圓周上，4，5，6號布置在半徑為20 m的圓周上。無線控制平臺在距爆心200 m土山的掩體內[6]。現場布置圖如圖5所示。

圖5 云爆彈的爆炸威力測試布設圖

現場對多發彈丸進行爆炸實驗，實驗過程比較成功，本文對其中一發彈丸得到的數據進行分析，見表1。

裝置1和裝置4測得的數據，通過無線zigbee模塊回傳到掩體內的計算機上，實現了實時顯示，圖6為經過處理后的數據曲線：

從表1可以看出相同距離的測點沖擊波到達時間一致，超壓峰值基本符合沖擊波衰減規律，數據都較好，基本在無線ZigBee同步算法誤差范圍之內。圖6顯示的曲線完整，證明了裝置無線通信的可靠性。實驗證明，測試節點越多，越能顯示無線ZigBee傳感網絡星形組網的優勢實驗結果頁證明了整個測試系統的實用性和可靠性。

表1 測點情況統計表

圖6 無線模塊傳回的壓力數據曲線圖

4 結論

沖擊波超壓無線式存儲測試系統將通信領域先進的ZigBee無線技術應用到存儲測試中來，并且以完善的軟硬件電路設計，保證了系統工作的穩定性和可靠性，體現了多學科交差互動的優勢。該系統結構相對獨立，同樣適用于其他壓力場的測試，具有很大的推廣價值。

[1]張愛萍.沖擊波的測試[D].太原:華北工學院,1998.

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[4]S.Williams.IrDA:past,present and future[J].IEEE Personal Communications,2000,7(1):11-19.

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[7]余凱凱,杜紅棉,馬鐵華.基于zigbee無線傳感網絡瞬態測溫系統的設計[J].電子測試,2011(3):17-19.

[8]邵學濤,李新娥.振動式微小電容測量電路[J].電子測試2011(1):50-53.