無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在炮口沖擊波測試中的應(yīng)用

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(1.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030051；2.中國人民解放軍 第四三二八工廠,山西 長治 046000)

0 引 言

隨著信息化戰(zhàn)爭的不斷發(fā)展，炮口沖擊波測試技術(shù)已從傳統(tǒng)的引線電測系統(tǒng)和存儲式測試系統(tǒng)[1]，發(fā)展到基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的測試系統(tǒng)[2，3]。測試的目的和意義也從戰(zhàn)前為火炮的試驗研究、設(shè)計定型、鑒定驗收、炮手防護(hù)等提供統(tǒng)一的技術(shù)措施和規(guī)范化的試驗數(shù)據(jù)[4]，擴(kuò)展到戰(zhàn)時戰(zhàn)場信息獲取進(jìn)行武器識別和反射手狙擊等戰(zhàn)術(shù)高度[5]。傳統(tǒng)的引線電測法[6]存在的問題是:布設(shè)電纜繁瑣且費時費力、測試系統(tǒng)集成度低、不易校準(zhǔn)、現(xiàn)場試驗時機(jī)動性和穩(wěn)定性差。存儲測試法[7]沒有引線，能很好地實現(xiàn)電磁屏蔽，但存在各測試系統(tǒng)之間無統(tǒng)一時基的問題。本文將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與存儲式測試系統(tǒng)結(jié)合起來，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的炮口沖擊波測試系統(tǒng)，在膛口噪聲防治和特種作戰(zhàn)領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

如圖1所示為測試系統(tǒng)原理框圖，系統(tǒng)主要是有主控制臺和多個相同的智能傳感器測點(子系統(tǒng))組成。系統(tǒng)主控制臺通過無線中心傳感器網(wǎng)絡(luò)控制智能傳感器的工作狀態(tài)，并負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸、記錄和處理。無線終端傳感器網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)接收主控制臺的指令和回傳數(shù)據(jù)。MSP430主要是為智能傳感器設(shè)置參數(shù)、控制無線模塊的上下電以及讀取測試裝置的數(shù)據(jù)。

圖1 測試系統(tǒng)原理框圖

智能傳感器完成信號的采集與存儲，是整個測試系統(tǒng)的核心。它包括傳感器、電源管理模塊、信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器、FPGA控制中心、FLASH存儲器、觸發(fā)系統(tǒng)等模塊。信號調(diào)理電路將傳感器輸出的信號進(jìn)行放大、濾波等處理后輸入A/D轉(zhuǎn)換器，F(xiàn)PGA控制A/D轉(zhuǎn)換器和FLASH閃存進(jìn)行存儲操作。智能傳感器原理框圖如圖2所示。

圖2 智能傳感器原理框圖

在靶場實測時，主控制臺放置在安全距離外的掩體中，智能傳感器測點布設(shè)于炮口沖擊波場中，主控制臺通過無線的方式對各智能傳感器測點進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控來完成炮口沖擊波的測試。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 無線模塊電源智能化管理

圖3 無線模塊智能化管理拓?fù)鋱D

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)

2.2.1 無線模塊配置

根據(jù)國軍標(biāo)要求，要完整地測量評價炮口沖擊波，需要數(shù)量超過20只以上的傳感器組成點陣[8]。在本次設(shè)計中采用了一個中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，20多個終端無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組成的星型傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線模塊中心、終端節(jié)點內(nèi)部設(shè)置如表1所示。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用2.4 G DSSS擴(kuò)頻技術(shù)，抗干擾能力強(qiáng)；16個信道可選，65 535個網(wǎng)絡(luò)ID可任意設(shè)置，網(wǎng)絡(luò)容量較大，系統(tǒng)擴(kuò)展性良好。

表1 無線模塊內(nèi)部設(shè)置

2.2.2 無線傳輸協(xié)議

試驗前智能傳感器要接收計算機(jī)的編程數(shù)據(jù)給測試系統(tǒng)編程，試驗后測試系統(tǒng)由單片機(jī)控制將裝置RAM中的數(shù)據(jù)傳送給計算機(jī)。為了在計算機(jī)、無線模塊以及單片機(jī)之間可靠地進(jìn)行通信，設(shè)計穩(wěn)定可靠的通信協(xié)議是必須的[9]，如圖4所示為系統(tǒng)所設(shè)計通信協(xié)議(握手協(xié)議)。

圖4 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信程序流程圖

計算機(jī)通過中心節(jié)點發(fā)送編程數(shù)據(jù)，當(dāng)計算機(jī)準(zhǔn)備好了數(shù)據(jù)，通過無線模塊主動向單片機(jī)系統(tǒng)發(fā)送一個請求接收數(shù)據(jù)信號，如為數(shù)據(jù)0x0A(這個數(shù)不唯一),再緊接著發(fā)送一組數(shù)據(jù)，當(dāng)單片機(jī)收到這組數(shù)據(jù)后，判斷第一個數(shù)據(jù)是否是0x0A，若是，則接收隨后的數(shù)據(jù)，然后向計算機(jī)發(fā)送接收完畢確認(rèn)信號0x0A。如為數(shù)據(jù)0xBB，再緊接著發(fā)送剛收到的數(shù)據(jù)，當(dāng)計算機(jī)收到0x0A信號且為0xBB，并接收其后的數(shù)據(jù)并驗證數(shù)據(jù)正確后，則開始第二次請求發(fā)送數(shù)據(jù)。若計算機(jī)判斷出單片機(jī)收到的數(shù)據(jù)發(fā)生了錯誤，則執(zhí)行重發(fā)操作，單片機(jī)接收正確后再開始下一個數(shù)據(jù)發(fā)送過程。MSP430在此設(shè)計中作為中央控制單元，起到了一個橋梁和紐帶的作用。

2.2.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工況設(shè)計

如圖5所示，系統(tǒng)從斷電態(tài)進(jìn)入到供電態(tài)后，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主、從節(jié)點均進(jìn)行初始化。節(jié)點初始化后主動組網(wǎng)，得到從節(jié)點響應(yīng)信號后確定星型網(wǎng)絡(luò)組建成功。組網(wǎng)成功后系統(tǒng)分為命令給出和測試數(shù)據(jù)傳輸2個階段。

命令給出階段控制信號分為系統(tǒng)初始化信號和同步觸發(fā)信號。測試系統(tǒng)初始化信號包括觸發(fā)方式選擇信號、采樣頻率選擇信號、增益放大選擇信號等。測試系統(tǒng)初始化信號由上位機(jī)給出，經(jīng)過MCU處理后給無線發(fā)射模塊，模塊以點對點傳輸模式發(fā)送給指定節(jié)點完成測試系統(tǒng)初始化操作。同步觸發(fā)信號通過中斷方式給出，主節(jié)點接收到中斷信號(保持200 ms)后以廣播方式發(fā)送，保證觸發(fā)信號的同步性，同步性誤差在10 ms以內(nèi)。

從節(jié)點在命令給出階段始終保持低功耗狀態(tài)等待中斷信號。收到測試系統(tǒng)初始化信號后通過串口送進(jìn)MCU，MCU經(jīng)過轉(zhuǎn)換后送給電路完成初始化操作。接收到同步觸發(fā)信號后觸發(fā)管腳立即變低控制測試電路觸發(fā)，保持600 ms后恢復(fù)高電平，這時停止無線模塊供電，防止火炮射擊時的電磁場對無線通信的影響。30 s后打開無線模塊電源，重新初始化無線模塊并重新組網(wǎng)，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工況狀態(tài)圖

3 試驗驗證

3.1 無線觸發(fā)同步性試驗

測試系統(tǒng)在使用前，必須進(jìn)行測量超壓范圍內(nèi)的動態(tài)校準(zhǔn)[10]。本系統(tǒng)是在激波管中進(jìn)行動態(tài)校準(zhǔn)的，系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后為檢驗系統(tǒng)的無線觸發(fā)同步性，將測試裝置P1,P2,P3的傳感器放于激波管中進(jìn)行相關(guān)試驗，如圖6所示。

圖6 激波管中無線同步性試驗

手動控制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心節(jié)點觸發(fā)按鈕，終端無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接收到信號以后，使存儲測試系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)，然后給激波管充壓壓縮氣體，獲得一個水平的沖擊波作用在低壓室。這時P1,P2,P3受到的水平?jīng)_擊波是同時的。因此，如果觸發(fā)是同步，那么，獲得的時基基本上是一致的，誤差在μs數(shù)量級。水平?jīng)_擊波作用在測試裝置P1,P2,P3的曲線圖如圖7所示。

圖7 3套裝置的響應(yīng)曲線

從圖中可以看出:垂直于時間軸的3條曲線基本上重合，時間點顯示在20.53 ms左右，誤差為μs數(shù)量級。因此,證明了無線觸發(fā)的同步性。

3.2 現(xiàn)場試驗

為了評估該炮口沖擊波測試系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)行了某型號車載炮的炮口沖擊波超壓測試試驗，如圖8所示。參考國軍標(biāo)對炮口沖擊波測試的測點布設(shè)要求[4,10]，選取了2套測試裝置進(jìn)行了對比試驗，傳感器的敏感面均朝上，安裝距地高度為2 m，距離炮口徑向距離均為7.5 m。火炮射擊前，主控制臺通過無線給各測點進(jìn)行增益、采樣頻率、觸發(fā)方式等參數(shù)的配置，并在射擊前采用無線觸發(fā)方式觸發(fā)系統(tǒng)，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)采集存儲狀態(tài)；射擊結(jié)束后回收裝置讀取數(shù)據(jù)。

圖8 測試現(xiàn)場

試驗數(shù)據(jù)通過Matlab整理如圖9所示，7.5 m處2個測點的超壓峰值和到達(dá)時間分別是50.29 kPa，28.37 ms和54.53 kPa，28.59 ms。同一位置2測點的時間同步性較好，無線觸發(fā)的同步性在實彈測試中表現(xiàn)穩(wěn)定可靠。此外，同一測點處所測炮口沖擊波均有多個超壓峰值，屬于典型炮口沖擊波超壓曲線，很好地反映了炮口沖擊波的衰減規(guī)律，對火炮動力學(xué)研究具有一定參考意義。

圖9 典型測量曲線

4 結(jié) 論

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和存儲測試技術(shù)結(jié)合進(jìn)行集成創(chuàng)新，本文開發(fā)了一種新型的炮口沖擊波測試系統(tǒng)，經(jīng)過現(xiàn)場試驗證明：該系統(tǒng)操作簡單、測試效率高，擴(kuò)展性好。這種新的炮口沖擊波測試方法在膛口噪聲評估和火炮動力學(xué)研究等方面有較好的應(yīng)用前景。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步研究和相關(guān)算法的開發(fā)，該炮口沖擊波測試系統(tǒng)還可應(yīng)用于戰(zhàn)場武器識別和射手定位反狙擊等特種作戰(zhàn)領(lǐng)域。

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