基于ARM的彈丸姿態(tài)測(cè)量及數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)*

朱平安 張曉龍

(1.陸軍軍官學(xué)院兵器工程教研室 合肥 230031)(2.陸軍軍官學(xué)院高過(guò)載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室 合肥 230031)

?

基于ARM的彈丸姿態(tài)測(cè)量及數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)*

朱平安1張曉龍2

(1.陸軍軍官學(xué)院兵器工程教研室 合肥 230031)(2.陸軍軍官學(xué)院高過(guò)載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室 合肥 230031)

彈載記錄儀作為彈丸飛行試驗(yàn)中獲取彈丸飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的測(cè)量手段之一,近年來(lái)越來(lái)越受到重視和普遍使用。論文以測(cè)量彈丸轉(zhuǎn)速、方位角和高度為目的設(shè)計(jì)的彈載記錄儀,主要由微控制器、電源模塊、采集單元、存儲(chǔ)單元等組成,具有體積小、功耗低、精度高及抗高過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。試驗(yàn)證明,該彈載記錄儀完全滿足高精度測(cè)量、抗高過(guò)載的要求。

記錄儀; ARM; BMP085; HMC5883L

Class Number TJ410.6

1 引言

近年來(lái),隨著信息化彈藥的發(fā)展,對(duì)炮彈精確制導(dǎo)控制要求越來(lái)越高,為此,通常在研發(fā)時(shí)需要獲取彈丸在飛行過(guò)程中各種測(cè)試數(shù)據(jù),然后對(duì)數(shù)據(jù)分析、改進(jìn)設(shè)計(jì)參量使炮彈性能達(dá)到戰(zhàn)技指標(biāo)要求。對(duì)比以前采用統(tǒng)計(jì)分析大量設(shè)計(jì)試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估炮彈性能的方法,遙測(cè)和彈載記錄儀作為兩種各具特色的測(cè)試手段,以試驗(yàn)次數(shù)少、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)更能勝任獲取彈丸在飛行試驗(yàn)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。然而遙測(cè)相對(duì)比較復(fù)雜,且試驗(yàn)成本較高和易干擾,一般情況下很少采用[1]。彈載記錄儀是搭載在彈丸上的數(shù)據(jù)采集和記錄設(shè)備,能實(shí)時(shí)存儲(chǔ)記錄彈丸的飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)并可靠回收數(shù)據(jù),因其成本低、抗過(guò)載、采集率高、容量大等優(yōu)點(diǎn)而普遍使用。

本文設(shè)計(jì)的彈載數(shù)據(jù)記錄儀主要用于測(cè)試彈丸在飛行過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、方位角和高度,最后彈丸回收后在上位機(jī)上對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快及抗高過(guò)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì),主要由微控制器、電源模塊、采集單元(包括用于測(cè)轉(zhuǎn)速的線圈電路、測(cè)方位角的磁傳感器和測(cè)高度的氣壓傳感器)、存儲(chǔ)單元以及為在上位機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理所需的RS-232接口電路組成[2],其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 工作過(guò)程

炮彈發(fā)射后,由彈上電源供電,系統(tǒng)開(kāi)始工作:微控制器ARM首先判斷預(yù)先設(shè)置的引腳18(PB0)為高電平有效,以此來(lái)區(qū)分系統(tǒng)是進(jìn)行數(shù)據(jù)采集還是讀取存數(shù)芯片數(shù)據(jù),默認(rèn)高電平采集數(shù)據(jù),低電平讀取數(shù)據(jù);然后ARM發(fā)出采集指令,線圈隨炮彈旋轉(zhuǎn)而切割地磁線,產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)差分放大后輸入至ARM,同時(shí)磁傳感器得到指令實(shí)時(shí)測(cè)量彈丸在地球磁場(chǎng)中的相關(guān)數(shù)據(jù)(用于解算實(shí)時(shí)方位角),氣壓傳感器采集彈丸飛行的氣壓、溫度參數(shù)(用于解算彈丸實(shí)時(shí)高度);幾個(gè)采集單元獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)ARM處理后存入外部存儲(chǔ)單元,等到系統(tǒng)回收后在上位機(jī)上進(jìn)行處理分析。

2.3 抗過(guò)載設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)在彈丸飛行過(guò)程中要經(jīng)歷高速、高過(guò)載、高沖擊等惡劣環(huán)境。因此,為提高系統(tǒng)的抗過(guò)載能力,對(duì)PCB電路板采用雙層設(shè)計(jì),所有電子元器件選用小封裝、貼片式,并在系統(tǒng)裝配時(shí)對(duì)PCB電路板進(jìn)行固體灌封處理[3]。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 器件選型

設(shè)計(jì)要求在彈丸飛行全軌跡中,以2分鐘總時(shí)存儲(chǔ)采集的彈丸姿態(tài)量,由于時(shí)間短、采集的參量較多,要求微控制器的運(yùn)算性能要高,本系統(tǒng)選用意法公司基于ARM cortex-M3系列的32位芯片STM32F101C8T6[4]作為微控制器(MCU),主頻為36MHz,工作電壓為2.0V～3.6V,內(nèi)嵌一個(gè)10通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,2個(gè)I2C總線接口,2個(gè)SPI接口,3個(gè)USART接口和3個(gè)16位的通用定時(shí)器以及一個(gè)串行線JTAG調(diào)試口(SWJ-DP),并有64KB FLASH ROM和10KB RAM。該芯片滿足實(shí)現(xiàn)MCU需要的低成本、低功耗、高速計(jì)算性能和先進(jìn)中斷系統(tǒng)響應(yīng)的平臺(tái)要求[5～6]。

為滿足彈上器件小體積、高精度以及抗過(guò)載的要求,結(jié)合ARM固件屬性,對(duì)所需量進(jìn)行采集的芯片選型如下: 1) 磁傳感器選用的是霍尼韋爾公司一種表面貼裝的高集成芯片HMC5883L[7～8]三軸磁傳感器,內(nèi)部包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器等集成電路。相比其他磁傳感器,HMC5883L采用的各向異性磁阻(AMR)技術(shù),能使羅盤(pán)方位角精度達(dá)到1°～2°。 2) 氣壓傳感器選用德國(guó)BOSCH公司的一款高精度、超低功耗數(shù)字氣壓傳感器BMP085[9～11],其壓力測(cè)量范圍為30～110kPa(相當(dāng)于海拔-500m～9000m),絕對(duì)精度可以達(dá)到0.03hPa(0.25m),滿足彈丸飛行的最大高度值,而且體積小、穩(wěn)定性好,具有抗高過(guò)載性能。 3) 存儲(chǔ)芯片采用WINBOND公司的四線制spi FLASH芯片W25Q64BVSSI對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)作非易失實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。W25Q64BVSSI共有64Mbit的存儲(chǔ)容量,具有讀寫(xiě)速度快、電可擦除、容量大、價(jià)格低等特點(diǎn)。 4) 線圈產(chǎn)生的信號(hào)用一片軌到軌儀表運(yùn)放器來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大濾波功能,且該運(yùn)放具有低偏置輸入電流和低偏置電壓特點(diǎn)。

3.2 電源電路設(shè)計(jì)

考慮到為方便電源供電,系統(tǒng)在滿足各模塊電路對(duì)電源電壓要求的范圍內(nèi)采用3.3V電源供電。如圖2所示,先將彈上+5V直流電源通過(guò)一個(gè)低壓差線性調(diào)節(jié)器LM117IMP-3.3[12]降壓到3.3V,然后通過(guò)3.3V電源為RAM、磁傳感器、氣壓傳感器、存儲(chǔ)芯片和RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片提供能量。LM117IMP-3.3具有電流限制和熱保護(hù)功能,輸出電流可達(dá)800mA,溫度范圍為-40℃～125℃,其輸出端使用兩個(gè)并聯(lián)鉭電容(10nF和100nF)來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

圖2 電源電路

3.3 接口電路設(shè)計(jì)

由于HMC5883L與BMP085采用I2C接口通信,W25Q64BVSSI采用SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,使得各芯片與ARM的連接電路變得簡(jiǎn)潔方便。而ARM的內(nèi)置ADC可供線圈電路的模擬輸入信號(hào)實(shí)現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換,因此ADC電路無(wú)需再設(shè)計(jì),只需將模擬信號(hào)輸入AD引腳。

4 主要部分軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件從總體上以模塊化設(shè)計(jì)思路,將整個(gè)程序按功能分為幾個(gè)模塊,在KEIL ARM MDK 4.7開(kāi)發(fā)環(huán)境下采用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。系統(tǒng)在上電后進(jìn)入復(fù)位狀態(tài),然后進(jìn)行程序初始化,包括初始狀態(tài)、引腳功能選擇、中斷初始化以及各接口初始化。在進(jìn)入采集工作流程之前,先確定ARM的18引腳為高電平,然后分別轉(zhuǎn)入不同的采樣程序,并將采集好的數(shù)據(jù)打包實(shí)時(shí)存入到外置FLASH中,工作120s后自動(dòng)停機(jī),回收后的系統(tǒng)通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行處理,給出數(shù)據(jù)列表或波形曲線。主流程如圖3所示。

圖3 主流程框圖

4.1 線圈模擬信號(hào)AD轉(zhuǎn)換

線圈產(chǎn)生的模擬信號(hào)經(jīng)放大濾波后從10引腳(PA0_WKUP)輸入,這個(gè)引腳復(fù)選功能為ADC的0通道,因此ADC采用單通道多次轉(zhuǎn)換模式進(jìn)行采樣。初始化前對(duì)ADC進(jìn)行配置如下:

ADC_ScanConvMode = DISABLE(ADC只用一個(gè)通道);

ADC_ContinuousConvNode = ENABLE(連續(xù)轉(zhuǎn)換模式);

ADC_Externa(TrigConv_None) (外部觸發(fā)為軟件觸發(fā),設(shè)置好后還要調(diào)用庫(kù)函數(shù)ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE)。

由MCU時(shí)鐘控制器提供ADCCLK時(shí)鐘和PCLK(APB2時(shí)鐘)同步,一般情況下PCLK2時(shí)鐘設(shè)為與MCU時(shí)鐘形同。ADC使用若干個(gè)ADCCLK周期對(duì)輸入電壓采樣,采樣周期數(shù)目可以通過(guò)ADC_SMPR1和ADC_SMPR2寄存器中的SMP[2:0]位而更改。每個(gè)通道可以以不同的時(shí)間采樣。總轉(zhuǎn)換時(shí)間如下計(jì)算:

TCONV=采樣時(shí)間+12.5個(gè)周期

例如:

當(dāng)ADCCLK=14MHz和1.5周期的采樣時(shí)間

TCONV=1.5+12.5=14周期=1μs

采樣流程如圖4所示。

圖4 線圈信號(hào)采樣

4.2 HMC5883L I2C讀操作

磁傳感器HMC5883L由于內(nèi)部高度集成處理功能,輸出的三個(gè)軸上的磁數(shù)據(jù)以數(shù)字信號(hào)可以直接輸入MCU中,并通過(guò)MCU轉(zhuǎn)換為角度值存入FLASH芯片中,只要開(kāi)始設(shè)置好測(cè)量模式,然后按照I2C總線協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊。如圖5所示為連續(xù)讀出HMC5883L采集內(nèi)部數(shù)據(jù)流程。

圖5 HMC5883L I2C接口驅(qū)動(dòng)流程圖

4.3 BMP085采集流程

圖6 BMP085測(cè)量流程圖

BMP085在出廠時(shí)都儲(chǔ)存有11個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(AC1～AC6、B1、B2、MB、MC、MD),微控制器初始化以后,從BMP085的E2PROM中讀出這11個(gè)校準(zhǔn)數(shù)據(jù),然后循環(huán)讀取未補(bǔ)償?shù)臏囟戎礥T和壓力值UP,再以UT和UP為參量計(jì)算出實(shí)際溫度T和補(bǔ)償后的壓力P。最后,將得到的實(shí)際溫度和壓力數(shù)據(jù)打包處理,并以BCD碼格式存入FLASH存儲(chǔ)器中。圖6為BMP內(nèi)部測(cè)溫度、壓力的驅(qū)動(dòng)程序流程圖。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以ARM為基礎(chǔ),搭載磁傳感器和氣壓傳感器,設(shè)計(jì)了一種具有體積小、精度高、功耗低、抗高過(guò)載和接口方便等特點(diǎn)的彈載數(shù)據(jù)記錄儀,通過(guò)某型號(hào)彈載實(shí)驗(yàn)證明,本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)可行性好、正確性高,對(duì)彈丸在飛行過(guò)程中的轉(zhuǎn)速、方位角和高度的測(cè)量結(jié)果符合預(yù)期要求。

[1] 仲海東.彈載記錄裝置的研究[D].南京:南京理工大學(xué),2007:30-41.

[2] 劉科余.滑翔航彈彈載數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)[D].成都:電子科技大學(xué),2010:17-43.

[3] 呂彩琴,翟成瑞.高過(guò)載測(cè)試中的電子線路灌封技術(shù)研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2009(5):91-94.

[4] STM32F101x數(shù)據(jù)手[EB/OL].http://www.st.com/stonline/products/literature/ds/13586.pdf

[5] 王冬星,程書(shū)偉,張麗華.基于ARM的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),2012.12(33):4526-4530.

[6] 劉松江,陶翼,陳敏.一種基于ARM9的多路差分信號(hào)采集系統(tǒng)[J].艦船電子工程,2009(8):104-109.

[7] HMC5883L用戶手冊(cè)[EB/OL].http://www.honeywell-sensor.com.cn

[8] 胡寧博,李劍,趙櫸云.基于HMC5883的電子羅盤(pán)設(shè)計(jì)[J].傳感器世界,2011(6):35-38.

[9] Bosch.BMP085用戶手冊(cè)[EB/OL].http://www.bosch-sensortec.com

[10] 張金燕,劉高平,楊如祥.基于氣壓傳感器BMP085的高度測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2014(6):64-68.

[11] 王俊彩,王福平,侯瑞峰等.基于BMP085的一種便攜式海拔高度測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2011(12):123-125.

[12] LM117數(shù)據(jù)手冊(cè)[EB/OL].http://www.docin.com/p-2536047.html.

Design of Recorder for Projectile Attitude Measurement and Date Based on ARM

ZHU Ping’an1ZHANG Xiaolong2

(1.Weapon Engineering Teaching and Research Section,Army Officer Academy,Hefei 230031)(2.The High Overload Ammunition Guidance and Information Awareness Lab,Army Officer Academy,Hefei 230031)

As a measuring method which can be used to gain projectile flight state data during a projectile flight test.missileborne data recorder has been paid increasing attention and has been generally used.The missileborne data recorder is composed of MCU,power module,acquisition unite and storage unite which aims at measuring the speed,azimuth,and height of projectile.Small size,lowpower consumption,high precision and strong anti high overload capacity are the mainly features.The test shows that the requirements of high precision measurement and anti high overload capacity can be met.

record,ARM,BMP085,HMC5883L

2014年8月11日,

2014年9月29日

朱平安,男,副教授,研究方向:信息化彈藥技術(shù)。張曉龍,男,碩士,研究方向:信息化彈藥技術(shù)。

TJ410.6

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.039