基于FPGA和無線通信的炮口沖擊波測試系統設計與實現

焦耀晗,徐 鵬,杜紅棉*,劉 帆,梁永燁

(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)

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基于FPGA和無線通信的炮口沖擊波測試系統設計與實現

焦耀晗1,2,徐 鵬1,2,杜紅棉1,2*,劉 帆1,2,梁永燁1,2

(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)

由于炮口沖擊波超壓測試現場環境比較惡劣,為了提高存儲測試系統的可靠性和靈活性,給出了一種基于現場可編程門陣列(FPGA)和無線通信的炮口沖擊波測試系統的設計與實施方案。測試系統的激波管動態校準結果表明,系統符合國軍標對炮口沖擊波超壓測試的基本要求。該系統在多次靶場實爆試驗中進行了測試試驗,都成功捕獲到炮口沖擊波超壓曲線。試驗結果表明所設計的炮口沖擊波測試系統具有體積小,微功耗,靈活性高,測試效率高等優點,在炮口沖擊波測試中具有良好的應用前景。

存儲測試;炮口沖擊波;無線傳輸;FPGA

炮口沖擊波超壓是自行火炮測試中的重要動態參數之一,其精確測量對自動火炮研制和性能檢測十分重要[1]。國內在炮口沖擊流場研究分析上偏重于數值模擬,進而預測炮口沖擊波場各點的壓力值[2]。本文參考國軍標中炮口沖擊波測試的相關標準,設計了一種基于現場可編程門陣列(FPGA)和無線通信技術并結合動態校準、實時存儲技術的炮口沖擊波超壓測試系統,并通過了靶場火炮射擊測試試驗的驗證。

1 系統總體設計及關鍵技術

1.1 系統組成及測試原理

測試系統主要由控制臺及測試電路裝置組成,測試電路裝置包括傳感器、電源管理模塊、FPGA邏輯器、數據存儲模塊、無線模塊等。進行實彈測試時,控制臺放置在安全距離外的掩體中,測試電路裝置按測點要求布設于炮口沖擊波場中?？刂婆_以無線通信方式控制測試電路的工作狀態,根據測試要求進行采樣頻率、放大倍數和觸發方式等相關參數的配置[3]。壓力傳感器采集到信號后送至A/D轉換器,A/D轉換的數字量信號在FPGA的控制下存儲到FLASH芯片中,通過USB接口讀取閃存中的數據至計算機中,再對其進行顯示處理。

測試系統原理框圖如圖1所示。

1.2 關鍵技術

1.2.1 FPGA控制的可編程多重內觸發

FPGA控制閃存進行數據存儲時,存在兩種存儲方式:單次觸發存儲和多重觸發存儲[4]。火炮操作過程具有裝彈換藥的間歇性及射擊動作的連續性,需要測試多個瞬態信號,為了提高測試效率,選擇多重觸發技術[5]。設置多重觸發時需要設置內觸發電平,內觸發又稱為模擬信號自觸發,由于壓力傳感器采集的炮口沖擊波超壓測試信號具有明顯的幅值和脈寬[6],可以通過編程設定不同的觸發閾值電壓,在系統進行循環采樣的同時將采集到的信號通過快速比較器電路不斷的與之比較,為防止誤觸發,當傳感器輸出的模擬信號幅值連續6次達到觸發閾值電壓時,才發出內觸發信號使系統觸發。如圖2所示,為系統內觸發原理圖?；鹋诿堪l射一次,布設的所有裝置分別觸發一次記錄一次,記錄完成后轉為待觸發狀態;當火炮下一次發射時,再一次記錄,直到達到設定的重觸發次數[8],裝置內存儲空間全部利用,達到在有效存儲空間里記錄更多的測試數據的目的,使裝置在火炮進行連發射擊試驗中表現出操作簡單、測量效率高等優勢。

圖2 內觸發原理框圖

1.2.2 無線通信模塊

為了解決傳統引線式炮口沖擊波測試裝置布線費時費力、易引入噪聲、無法快速重新布設的問題,并同時實現遠程監控測試裝置狀態,在第一時間獲得測試數據,該系統采用了基于IEEE802.15.4標準的zigbee無線通信技術。

Zigbee是一種新型的低速率傳輸的無線通信技術,具有成本低、耗電少、遠距離傳輸、多網絡節點等優勢[7]。國軍標規定,超過20個以上數量的傳感器組成點陣才能完整地測量炮口沖擊波[9]。本系統設計中采用了一個中心網絡節點,25個終端無線傳感網絡節點組成的星型傳感網絡。無線模塊中心,終端節點內部設置如下表1所示。中心節點將終端節點編號碼和上電配置碼發送給終端節點,上電配置碼包括采樣頻率、觸發方式等具體的測試參數。終端節點收到后發送反饋碼給中心節點,中心節點收到反饋碼后認為上電成果,否則進行復位操作,重新進行配置。配置完成后中心節點發送無線觸發信號,保證了觸發信號的同步性,終端節點接收觸發信號后,特定觸發管腳保持300 ms的低電平后恢復高電平,此時不再對無線模塊供電,防止爆轟電離場對測試數據的影響。在數據采集存儲完成后,讀取裝置的存儲信息。

表1 無線模塊內部設置

圖3 系統軟件程序流程圖

1.2.3 LabVIEW軟件設計

測試系統軟件設計是基于LabVIEW設計的人機界面,本軟件最大的特點在于數據采集模塊的無線傳輸方式和數據顯示處理,此軟件通過無線可以對裝置進行遠程設置,對系統的放大倍數、采樣頻率、觸發方式等相關參數進行設置,與下位機連接從而控制數據讀取的過程,顯示未經任何處理的模擬量所對應的數字量的數據,可對同一次測試捕獲的數據進行多條對比,選擇多種濾波器對數據進行濾波,對數據進行定標,計算沖量等處理。LabView通過調用動態鏈接庫與USB接口、RS232接口和PCI總線接口進行通信[10]。系統的軟件程序流程圖如圖3所示。

2 激波管動態校準

為準確地記錄炮口沖擊波超壓的整個變化過程,在使用前,必須對傳感器進行測量超壓范圍內的動態校準。本次校準是在激波管中進行的,根據蘭基涅—胡果尼(Rankine-Hugoniot)方程,入射超壓平臺與波前馬赫數的關系為[11]:

(1)

(2)

式中:ΔP2為激波波前的入射超壓,P0為低壓式氣體初始壓力;Ms為激波波前的馬赫數,Vs=s/t為激波波前的傳播速度,s為兩測速傳感器之間的距離,t為激波經過兩測速傳感器的時間間隔,T1為未擾動時低壓室空氣的溫度。所用激波管原理圖如圖4所示。所用激波管低壓室長7 m,內壁直徑100 mm,將被校傳感器置于激波管尾端,感受標準壓力,后接Kistler5011電荷放大器,放電常數設為Long,采樣頻率為20 MHz,研究其輸出特性。

圖4 激波管原理圖

國軍標中規定:炮口沖擊波測試使用傳感器的自振頻率應大于75 kHz,上升時間不大于20 μs,過沖要盡量小[12]。從表2中的校準結果來看,系統所用傳感器滿足國軍標中關于炮口沖擊波超壓測試的要求。

表2 動態校準結果

3 測試驗證及數據分析

由該炮口沖擊波測試系統參與測試的某型號車載炮的炮口沖擊波超壓測試試驗現場如圖5所示,現場風速1.4 m/s,相對濕度35%,氣溫29.5 ℃,測試環境氣象條件滿足要求,設置射擊角度30°,傳感器的敏感面與炮口在同一條直線上,按照國軍標中對炮口沖擊波測試的測點布設要求[13-14]進行布設,布設兩套裝置進行對比實驗,測試裝置分別安裝在炮口的+135°(距炮口5 m,傳感器敏感面距地面距離1.9 m)和-135°(距炮口10 m,傳感器敏感面距地面距離1.58 m)位置。選擇PCB公司中高頻特性良好的113A27型壓力傳感器?；鹋诎l射前,控制臺通過無線配置各測點的增益、采樣頻率、觸發方式等參數。試驗結束后回收裝置讀取數據。

圖5 試驗現場

圖6所示分別為所測得的經過MATLAB處理的10 m、5 m處炮口沖擊波超壓曲線[15],其中10 m超壓曲線是在無線觸發狀態下獲取的,5 m超壓曲線是在重觸發下獲取的。

圖6 實測炮口沖擊波超壓曲線

圖6為10 m和5 m位置測得的單次沖擊波超壓曲線,圖7為5 m位置進行十次炮口沖擊波測試所得未經處理的測試曲線,圖中十個紅色部分為十次重觸發時設置的負延時部分,由試驗所得超壓曲線分析可知,無線觸發和重觸發方式在實彈測試中都準確的測到了試驗數據,性能表現穩定可靠。同一高度時10 m位置的超壓峰值為23.62 kPa,小于5 m位置的48.68 kPa,10 m處超壓曲線的A-持續時間為3.6 ms,大于5 m處超壓曲線1.8 ms的A-持續時間,B-持續時間則隨著測點距離的增加而減小。從試驗測得的炮口沖擊波超壓曲線可以看出存在多個超壓峰值,屬于典型炮口沖擊波超壓曲線,很好的反映了炮口沖擊波的衰減規律。實驗結果證明該炮口沖擊波測試系統可控性強,靈活方便,可靠性高。

圖7 重觸發測得的十次炮口沖擊波曲線

4 結論

炮口沖擊波超壓測試系統借助FPGA和無線通信技術,實現了測試系統的準確可靠,提高了測試效率,實現了遠程監控,系統軟件采用LabVIEW設計,更靈活方便,處理能力強。激波管動態校準技術確保了系統的測量精度;無線觸發和內觸發組合應用,滿足了炮口沖擊波的測試要求。靶場試驗表明在測試領域具有很好的應用前景和推廣價值。

[1] 萬振華. 基于FPGA的多通道同步數據采集系統設計[D]. 西安:西安電子科技大學,2008.

[2]江坤. 炮口制退器優化設計理論及方法研究[D]. 南京:南京理工大學,2007.

[3]董玉冰,杜紅棉,祖靜. 基于無線控制的沖擊波超壓測試系統[J]. 傳感技術學報,2010,23(2):279-281.

[4]張文棟. 存儲測試系統的設計理論及其應用[M]. 北京:高等教育出版社,2002.

[5]胡寶奎,馬鐵華. 一種沖擊波超壓無線式存儲測試系統的研究[D]. 太原:中北大學,2010.

[6]趙巖. 動爆沖擊波超壓測試方法研究[D]. 太原:中北大學大學,2012.

[7]岳瑤,張瑜,劉雙峰. 沖擊波測試中無線同步上電系統的設計[J]. 傳感技術學報,2013,26(7):1030-1033.

[8]劉雙紅,張海龍,靳鴻,等. 基于FPGA和WSN的TNT爆炸時刻采集及存儲系統[J]. 傳感技術學報,2013,26(7):1009-1013.

[9]張文棟,馬寶華,祖靜. 瞬態波形測試系統的狀態設計法[J]. 測試技術學報,1996,3(10):118-123.

[10]張建偉,馬鐵華,杜紅棉,等. 沖擊波超壓無線式存儲測試系統的研究[J]. 電子測試,2012,1(1):66-69.

[11]黃俊欽. 測試系統動力學[M]. 北京:國防工業出版社,1996:18-55.

[12]拉赫馬社林X A,謝苗諾夫C C. 激波管 中冊[M]. 北京:國防工業出版社,1966.

[13]GJB349.28—90常規兵器定型實驗方法炮口沖擊波超壓測試[S]. 中華人民共和國國家軍用標準,1990.

[14]GJB1158—91炮口沖擊波對人員非聽覺器官損傷的安全限值[S]. 中華人民共和國國家軍用標準,1992.

[15]張衍芳. 沖擊波信號處理方法研究[D]. 太原:中北大學,2011.

焦耀晗(1988-),男,河北省石家莊市人,碩士研究生,主要研究方向為動態測試與智能儀器;

徐鵬(1969-)男,教授,中北大學理學院副院長,碩士生導師,研究方向為高沖擊動態測試技術;

杜紅棉(1977-),女,遼寧省錦州市人,中北大學副教授。主要從事爆炸沖擊波測試技術等方面的研究。

DesignandImplementationofMuzzleBlastWaveMeasuringSystemBasedonFPGAandWirelessCommunication

JIAOYaohan1,2,XUPeng1,2,DUHongmian1,2*,LIUFan1,2,LIANGYongye1,2

(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory Instrumentation Science & Dynamic Measurement Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China)

As site environment of the muzzle blast wave overpressure measurement is very harsh,in order to improve the accuracy and flexibility of test system,a design of muzzle blast test system based on field programmable gate array(FPGA)and wireless communications is given in the article. Result of dynamic calibration based on shock tube shows that the system meet the basic requirements of military specifications on the muzzle blast wave overpressure test. The system was tested in several live ammunition tests and all obtained the curves of the muzzle blast wave overpressure successfully. The experimental results indicate that the system has the advantages of small volume,low power consumption,flexibility,etc. And has a good application prospect in the muzzle shock wave test.

storage testing;muzzle blast wave;wireless transmission;FPGA

2014-02-27修改日期:2014-09-30

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.11.026

TM932

:A

:1004-1699(2014)11-1585-04