基于FPGA和WSN的TNT爆炸時刻采集及存儲系統

劉雙紅，張海龍，靳 鴻，陳昌鑫，馬鐵華*

(1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051;2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

爆炸過程產生的沖擊波峰值超壓和沖量是火藥能量特性的一項重要參數，也是爆炸戰斗部毀壞效應的一項重要指標，其準確測量值具有重要意義。由于測試過程的特殊性，干擾信號(如電磁波)可能會影響測試數據的真實性［1］。為了驗證測試數據的正確與否，需要利用火藥的爆炸時刻來作為參考量。在靶場試驗中，火藥的爆炸時刻是火藥試驗鑒定的最重要的性能指標之一，只有精確測量出這一數值，才能為脫靶參量的計算、引戰配合性能的評估提供準確的時間數據［2］。本文設計的TNT爆炸時刻采集及存儲系統借助于Zigbee無線傳感網絡監測系統的測試狀態，控制系統數據采集和讀取，具有很高的可靠性。

1 系統總體設計

1.1 測試原理

火藥爆炸時會產生沖擊波和火光。TNT爆炸時刻采集及存儲系統通過測量火光來記錄爆點時刻，主要由光電轉換模塊(數據采集)、數據存儲模塊、USB讀數模塊、無線模塊、計算機和電源管理模塊等組成。光電傳感器采集到信號后送至AD轉換器，AD轉換的數字量在FPGA的控制作用下保存至閃存中，通過USB讀數模塊讀取閃存中的數據也可以通過Zigbee無線傳感網絡讀取裝置中的數據。測試系統的原理圖如圖1。

圖1 測試系統原理圖

在沖擊波參數測試中，考慮到測試的惡劣環境，測試電路裝置在一個殼體內，殼體除了具有屏蔽作用之外還具有很強的抗沖擊能力，起到保護殼體內部測試系統的硬件電路的作用。該設計的爆點時刻記錄裝置殼體采用高強度的剛體結構，最大能夠承受10 MPa以上的沖擊波壓力。

1.2 光電轉換模塊的設計

光電轉換模塊需要選擇合適的光電器件。根據已有文獻，火藥爆炸有兩個發光區，如圖2。T1和T2分別是第一和第二發光區光峰到來的時間，其中較大峰值處即爆炸最亮點，所對應的時間就是爆炸時刻［3］。火藥爆炸時的溫度為2 800 K～5 000 K［4］，根據維恩定律［5］，可得到對應的波長為 0.579 μm～1.035 μm。2DU型硅功率光敏二極管的響應波長為 0.5 μm ～1.11 μm，峰值波長為0.94 μm，靈敏度為0.4 μA/μW，波長分布曲線如圖3。2DU 型硅功率光敏二極管的光通為方形，有效面積為1 mm×1.3 mm，在反向電壓下工作的，沒有光照時，反向電流即暗電流很小(一般小于0.1 μA)，。當有光照時，攜帶能量的光子進入PN結后，把能量傳給共價鍵上的束縛電子，使部分電子掙脫共價鍵，從而產生光生載流子。光生載流子在反向電壓作用下參加漂移運動，使反向電流明顯變大，光的強度越大，反向電流也越大。光敏二極管在一般照度的光線照射下，所產生的電流叫光電流，2DU型硅功率光敏二極管的光電流/正電壓特性曲線如圖4。如果在外電路上接上負載，負載上就獲得了電信號。

圖2 TNT爆炸光輻射波形

圖3 2DU型硅功率光敏二極管波長分布曲線

圖4 2DU型硅功率光敏二極管光電流/正電壓特性曲線

考慮到光電轉換器的供電電壓有限，為避免輸出信號在谷點出現電壓飽和，負載需要采用非線性負載［3］。光電轉換模塊的電路圖如圖5。在實驗室環境下，利用閃光燈對光電轉換器進行了模擬實驗，得到如圖6所示的波形，信號的上升時間為18 μs，噪聲15 bit。

圖5 光電轉換模塊電路圖

圖6 模擬環境下采集的波形圖及波形展開圖

1.3 無線模塊的設計

沖擊波超壓場具有很大的威力，控制人員必須處于超壓小于0.03 MPa的位置，一般距離爆心要幾百米［6］，為了在遠處實現監控測試裝置狀態，并在第一時間獲取測試數據，該系統采用SZ－05系列Zigbee無線傳感網絡。

Zigbee技術是一種新型的低速率傳輸的無線通信技術，利用全球公共頻率2.4 GHz，具有低成本、低耗電、網絡節點多、傳輸距離遠等優勢［7］。Zigbee無線系統可組成星型、網狀以及簇狀機構，該系統采用星型結構。該模塊的主要功能是爆炸前檢測各個裝置(從節點)的狀態以及給出同步觸發的內觸發信號，數據采集記錄完成后，讀取各個裝置的存儲信息。同步觸發的內觸發信號通過中斷的方式給出，主節點接收到中斷信號后以廣播方式發送，保證觸發信號的同步性。從節點在接收到觸發信號前保持低功耗狀態等待中斷信號，接收到內觸發信號后485管腳立即置低控制存儲測試裝置觸發，保持300 ms后恢復高電平，這時停止無線模塊供電，防止爆轟區電離場對測試電路的影響［8］。

1.4 存儲測試設計

爆炸光是一種瞬態量，持續時間很短，為了保證實驗數據的準確性，系統采用1 MHz的采用頻率。存儲器采用基于頁編輯、塊擦除的 flash存儲器K9F1208存儲器，該存儲器的塊擦除的時間為2 ms，頁編程的典型時間為200 μs，最大頁編程時間為500 μs。一頁的數據在寫入flash memory時需要經過至少200 μs的編程等待時間，為了避免這期間送過來的數據流失，系統采用FPGA控制下的兩片flash memory的乒乓存儲方式。

兩片閃存存儲器總容量為兩個單元，系統上電后，計算機通過Zigbee無線網絡對系統進行狀態檢測，完成參數設置進入循環采樣狀態，等待觸發，此時，經AD轉換的數字量數據記錄在第一單元，存儲的內容被不斷的擦除改寫。觸發命令到來時，測試電路觸發，負延遲計數器開始計數，達到負延遲的長度后，數據轉向第二單元開始進行數據記錄。在數據采集完畢后系統進入低功耗狀態，等待主機以點名的方式讀取數據，也可以回收裝置后通過USB讀數模塊讀取閃存中的數據［9］。

在設計中，為了保證實驗的可靠性，系統使用外觸發和內觸發多種觸發方式［10］。外觸發信號是在火藥引爆前，計算機利用Zigbee無線模塊［11］通過中斷以廣播的方式發出，內觸發信號由在光電傳感模塊采集的信號強度大于FPGA設置的觸發電平的情況下產生的。

2 程序設計

系統的程序設計包括計算機軟件程序設計、FPGA設計和USB讀數程序設計［12］。計算機軟件程序設計是借助于labview的人機界面，主要用于通過無線通信對測試系統發送各種操作指令實現對裝置的檢測和參數設置以及對測試數據進行接受、查詢、顯示，系統的數據顯示的軟件界面圖如圖7所示。FPGA設計是用來控制A/D的采樣和完成系統的初始化、中斷優先級以及判斷調用各個模塊，使整個系統具有嚴格的控制時序，保證工作的高速可靠。USB讀數程序主要是通過設計GPIF固件的波形圖來控制USB的讀數。系統軟件設計流程圖如圖8所示。

圖7 系統的數據顯示軟件界面圖

圖8 系統軟件設計流程圖

3 測試驗證及數據分析

爆點時刻波形記錄裝置經實驗室多次模擬試驗后，在靶場對3 kg當量的TNT進行了沖擊波參數測試實驗。由于本測量是通過光學途徑實現的，根據經驗，自然界的非火藥爆光(如太陽光)就會測量構成一定的干擾，導致系統出現“誤測”或者光敏二極管的阻值在強光下，可能已經飽和，在測量爆炸時刻時，有可能發生“漏測”，鑒于上述兩種情況干擾，除了應恰當地選擇觸發電平外，還要對光敏電阻采取必要措施，比如加濾光片，以減小太陽光的干擾。為了保證可靠的數據記錄，將爆點時刻波形記錄裝置置于距爆心0.5 m的距離。圖9為TNT爆炸瞬時閃光波形曲線。圖10為3.5 m處自由場沖擊波超壓曲線。

圖9 TNT爆炸瞬時閃光波形曲線

圖10 3.5 m處自由場沖擊波超壓曲線

從圖9中可以看出，TNT爆炸的時刻在時間軸的7 341處，沖擊波其他參數數據應該在7 341點以后。本文以3.5 m處自由場沖擊波超壓曲線作為驗證曲線，根據相關文獻，爆炸沖擊波傳播的速度為2 000 m/s［13］，沖擊波傳播 3.5 m 的距離應該在1.75 ms左右，即3.5 m處自由場沖擊波超壓峰值應該出現在時間軸的7 342.75處。從圖10看出，3.5 m處自由場沖擊波超壓峰值在7 342.8處，測試誤差小于2%。實驗驗證，該爆炸時刻測試系統具有較高的測試精度。

4 結束語

TNT爆炸時刻采集存儲系統借助Zigbee無線網絡監測數據的采集，實現數據的傳輸，大大提高了系統的可靠性。靶場試驗表明，系統具有較高的測試精度，滿足現代靶場對TNT的爆炸時間測量要求，有著廣泛的應用前景。

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