WLAN技術(shù)在靜爆威力測(cè)試中的應(yīng)用

夏永樂(lè),張志杰*,劉子健,王代華

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;3.北方置業(yè)集團(tuán),北京 100089)

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WLAN技術(shù)在靜爆威力測(cè)試中的應(yīng)用

夏永樂(lè)1,2,張志杰1,2*,劉子健3,王代華1,2

(1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;2.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原 030051;3.北方置業(yè)集團(tuán),北京 100089)

沖擊波測(cè)試中測(cè)點(diǎn)分布數(shù)量較多,難以集中管理以及監(jiān)測(cè)各測(cè)點(diǎn)的狀態(tài)存在困難,并且測(cè)試參數(shù)一旦設(shè)置好在現(xiàn)場(chǎng)難以更改。針對(duì)以上問(wèn)題,設(shè)計(jì)了基于WLAN技術(shù)的沖擊波測(cè)試系統(tǒng)。建立了能有效覆蓋各測(cè)試節(jié)點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了所有測(cè)點(diǎn)遠(yuǎn)程集中管理、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸,并且可現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)測(cè)試參數(shù),以適應(yīng)測(cè)試環(huán)境的變化,提高了系統(tǒng)的靈活性。設(shè)計(jì)了硬件電路和軟件時(shí)序相結(jié)合的方法智能管理節(jié)點(diǎn)無(wú)線模塊,有效降低了系統(tǒng)功耗并實(shí)現(xiàn)了可循環(huán)進(jìn)行多次不同的測(cè)試。采用多參數(shù)組合的負(fù)延遲分區(qū)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方法,有效獲取了完整的沖擊波信號(hào)并減少了隨機(jī)觸發(fā)前的冗余數(shù)據(jù)。系統(tǒng)參加了多次彈藥測(cè)試實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。

存儲(chǔ)測(cè)試;WLAN;沖擊波;超壓;ICP傳感器

爆炸沖擊波是衡量彈箭毀傷效應(yīng)的重要組成部分,準(zhǔn)確測(cè)量沖擊波超壓可以為武器威力評(píng)價(jià)、毀傷效能以及地面防護(hù)提供可靠依據(jù)[1-2]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外沖擊波超壓測(cè)試主要有2種途徑:引線電測(cè)法和存儲(chǔ)測(cè)試法[3-4]。存儲(chǔ)法解決了引線法中布線繁雜、抗干擾能力差以及給信號(hào)疊加噪聲等問(wèn)題[5-6],可分布于測(cè)試場(chǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)試,但存儲(chǔ)法的缺點(diǎn)是無(wú)法監(jiān)測(cè)測(cè)試系統(tǒng)工作狀態(tài)[7],并且每次試驗(yàn)后需要回收測(cè)試裝置讀取數(shù)據(jù),很大程度上影響測(cè)試效率。隨著無(wú)線的發(fā)展,無(wú)線技術(shù)在沖擊波測(cè)試中也得到了應(yīng)用[8-10],但測(cè)點(diǎn)數(shù)量較多時(shí)則難以集中管理與統(tǒng)一控制。沖擊波超壓峰值和持續(xù)時(shí)間隨著彈藥的當(dāng)量和測(cè)點(diǎn)到爆心距離的變化十分顯著[11],傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)在測(cè)試前設(shè)置好參數(shù),一旦測(cè)試環(huán)境發(fā)生變化或者參數(shù)設(shè)置不當(dāng)則造成測(cè)試失敗,并且難以現(xiàn)場(chǎng)更改參數(shù),靈活性較差。另外,傳統(tǒng)測(cè)試采用的連續(xù)采樣存在大量冗余數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和系統(tǒng)存儲(chǔ)容量不足的矛盾[12]。

本文通過(guò)研究沖擊波存儲(chǔ)測(cè)試原理并結(jié)合WLAN技術(shù),建立了能有效覆蓋所有測(cè)試節(jié)點(diǎn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了所有測(cè)試節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)程集中管理和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),以及測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸。另外,無(wú)線傳感器采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高了節(jié)點(diǎn)的便捷性、存活率。節(jié)點(diǎn)的無(wú)線模塊采用智能化控制,并且其天線采用外置PCB貼片天線,避免了常規(guī)天線對(duì)測(cè)試信號(hào)造成干擾。系統(tǒng)的可靠性、優(yōu)越性在多次彈藥?kù)o爆試驗(yàn)得到了驗(yàn)證,并有效測(cè)得了沖擊波超壓。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用了由一個(gè)中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),多個(gè)終端無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖l所示。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò),系統(tǒng)中央控制臺(tái)可遠(yuǎn)程控制所有無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)。控制臺(tái)發(fā)送相應(yīng)的控制指令,實(shí)現(xiàn)設(shè)置各節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)、控制數(shù)據(jù)傳輸、融合處理與顯示的功能。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)主控制臺(tái)的指令和回傳數(shù)據(jù)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn),根據(jù)測(cè)試需求按一定規(guī)律布置于爆炸場(chǎng)中,完成沖擊波場(chǎng)測(cè)量的信號(hào)獲取與傳輸?shù)墓ぷ鳌Ａ硗?無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)還設(shè)有USB接口,當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)可通過(guò)USB接口有線讀取數(shù)據(jù),確保數(shù)據(jù)不丟失,進(jìn)一步提高系統(tǒng)可靠性。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心,主要完成信號(hào)的采集與存儲(chǔ),并根據(jù)接收的指令將數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸至控制臺(tái)。節(jié)點(diǎn)主要由數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊、無(wú)線通信模塊和電源智能管理模塊組成。

2.1 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊是無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊主要由ICP傳感器、程控放大器、運(yùn)算放大器、低通濾波器、AD轉(zhuǎn)換器、FPGA、單片機(jī)、存儲(chǔ)器及USB芯片等組成,模塊框圖如圖2所示。爆炸沖擊波具有初值高、衰減快、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn),其測(cè)試是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程,這就要求傳感器的響應(yīng)時(shí)間很快,往往要求在數(shù)us以?xún)?nèi)。因此傳感器選用PCB公司的ICP壓電傳感器,其響應(yīng)時(shí)間小于1 μs,非線性小于l%FS,十分適用于沖擊波壓力信號(hào)的測(cè)試。AD轉(zhuǎn)換器選用14 bit低功耗、逐次逼近型的AD7484,其最高采樣頻率可達(dá)3 MHz。另外,存儲(chǔ)器選用了具有存儲(chǔ)量大、掉電數(shù)據(jù)不丟失特點(diǎn)的閃存,避免因掉電導(dǎo)致的數(shù)據(jù)丟失。

圖2 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)模塊框圖

由于觸發(fā)具有隨機(jī)性,等待時(shí)長(zhǎng)難以預(yù)料,為了獲得完整的沖擊波信號(hào)和降低觸發(fā)前的冗余數(shù)據(jù),采用了多參數(shù)組合的負(fù)延遲分區(qū)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的方法。其中可編程的組合參數(shù)包括:AD采樣頻率、負(fù)延遲長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大小。首先按地址把閃存分為兩個(gè)存儲(chǔ)區(qū),第1區(qū)為負(fù)延遲區(qū),第2區(qū)為測(cè)試信號(hào)存儲(chǔ)區(qū);實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí),測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)入循環(huán)采樣狀態(tài)(數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在負(fù)延遲區(qū)),負(fù)延遲計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù),存儲(chǔ)器先按塊擦除數(shù)據(jù),然后按頁(yè)往里寫(xiě)數(shù)據(jù),寫(xiě)滿一塊之后,擦除下一塊地址繼續(xù)寫(xiě)數(shù)據(jù),直到將已設(shè)定容量的第1區(qū)寫(xiě)滿為止,期間若信號(hào)未到來(lái),則寫(xiě)滿后跳回到該區(qū)首地址,繼續(xù)以先擦除后寫(xiě)數(shù)據(jù)的方式循環(huán);如果期間信號(hào)到來(lái)電路觸發(fā)(Tr=1時(shí)),則負(fù)延遲計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù),數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向第2區(qū)開(kāi)始進(jìn)行順序記錄。當(dāng)記錄數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定容量之后,停止采集數(shù)據(jù),進(jìn)入休眠狀態(tài)等待讀數(shù)和擦除,負(fù)延遲分區(qū)存儲(chǔ)寫(xiě)入示意圖如圖3所示。

圖3 負(fù)延遲分區(qū)寫(xiě)數(shù)據(jù)示意圖

圖4負(fù)延遲分區(qū)讀數(shù)據(jù)示意圖

正確讀取存儲(chǔ)數(shù)據(jù)是再現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。讀取數(shù)據(jù)示意圖如圖4所示,ac段為第1區(qū),cd段為第2區(qū),b點(diǎn)為具有隨機(jī)性的觸發(fā)點(diǎn)。先讀取觸發(fā)點(diǎn)(b點(diǎn))的地址,讀之前需要判斷其與c點(diǎn)的地址是否相等。若相等,則從a點(diǎn)開(kāi)始順序讀取第1區(qū)和第2區(qū)的數(shù)據(jù);若不等,則按箭頭的方向先讀bc段數(shù)據(jù),然后跳到首地址,讀取ab段數(shù)據(jù),這樣就完成第1區(qū)的讀數(shù)。再跳到第2區(qū),從c點(diǎn)按順序讀取cd段的數(shù)據(jù)。這樣負(fù)延遲功能可有效保存觸發(fā)前的一段信息,進(jìn)而得到完整的超壓測(cè)試曲線。系統(tǒng)設(shè)置可編程的AD采樣頻率為500 kHz、1 MHz、2 MHz和3 MHz。另外,負(fù)延遲長(zhǎng)度可設(shè)為64 kWord、128 kWord、256 kWord、512 kWord,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)大小可設(shè)512 kWord、1 MWord、2 MWord、4 MWord,8 MWord。根據(jù)不同的測(cè)試對(duì)象和實(shí)驗(yàn)環(huán)境,通過(guò)上位機(jī)對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行合理的組合配置并且在現(xiàn)場(chǎng)可進(jìn)行更改,這大大提高了系統(tǒng)的靈活性和適應(yīng)環(huán)境的能力。采集的數(shù)據(jù)可通過(guò)單片機(jī)控制USB芯片傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中,也可以通過(guò)FPGA控制無(wú)線通信模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 WLAN無(wú)線通信模塊

由于沖擊波超壓測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較惡劣,每次測(cè)試的間隔比較短,人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)不方便,也不便于回收裝置來(lái)讀數(shù),無(wú)線通信模塊的任務(wù)就是完成計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)測(cè)試模塊之間指令和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。無(wú)線通信模塊是構(gòu)建有效可靠的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵,節(jié)點(diǎn)WLAN通信模塊選用了新力維公司的支持串口透?jìng)鞯臒o(wú)線模塊。該模塊支持802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)、內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧和WiFi通訊模塊驅(qū)動(dòng),該模塊具有以下特點(diǎn):①提供標(biāo)準(zhǔn)UART、I2C和SPI等3種接口方式,天線可外置;②WiFi斷線檢測(cè)并在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)之后自動(dòng)重新連接;③支持可靠數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TCP,可設(shè)為T(mén)CP服務(wù)器或者客戶(hù)端;④支持以AP為中心的星型網(wǎng)絡(luò)和Ad-Hoc模式的對(duì)等網(wǎng)絡(luò),以及支持IEEE 802.11 b/g無(wú)線MAC標(biāo)準(zhǔn),能夠?qū)鬏斔俾首詣?dòng)調(diào)節(jié)。

串口傳輸具有使用簡(jiǎn)單、控制方便、占用引腳少優(yōu)點(diǎn),故選用UART作為FPGA控制器與無(wú)線模塊之間的通信接口。無(wú)線通信模塊與FPGA的接口如圖5所示,通過(guò)TXD、RXD、CTS和RTS 4個(gè)引腳實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā),為保證數(shù)據(jù)的可靠傳輸,采用硬件流控的方式對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行控制,在高速模式下實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。無(wú)線模塊在使用之前,需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。搭建好WLAN網(wǎng)絡(luò)后,測(cè)試節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線鏈路接入到WLAN網(wǎng)。控制臺(tái)通過(guò)網(wǎng)線將指令發(fā)到AP中而后通過(guò)無(wú)線鏈路傳到各測(cè)試節(jié)點(diǎn),節(jié)點(diǎn)接收到指令后由其內(nèi)部的控制器根據(jù)自身狀態(tài)和預(yù)設(shè)的指令集完成相應(yīng)操作。

圖5 FPGA與無(wú)線模塊接口電路圖

2.3 電源智能管理模塊

電源智能管理模塊主要給傳感器和相關(guān)芯片供電。ICP傳感器要求20 V～30 V且為恒流源供電,而系統(tǒng)使用8 V鋰電池組供電,電源管理模塊中專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了DC-DC升壓變換及恒壓-恒流變換電路,將8V的電源升壓到24V,再通過(guò)恒流管變換成電流輸出,以滿足ICP傳感器的供電要求。另外,還為模擬電路提供5V電壓,給數(shù)字電路提供3.3 V和1.2 V電壓。為了盡可能降低節(jié)點(diǎn)功耗,采用硬件電路和軟件時(shí)序相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)智能化管理無(wú)線模塊。傳感器節(jié)點(diǎn)的控制面板上設(shè)有無(wú)線開(kāi)關(guān),可手動(dòng)控制開(kāi)啟。測(cè)試開(kāi)始前手動(dòng)打開(kāi)無(wú)線開(kāi)關(guān),建立好無(wú)線鏈路后,通過(guò)控制臺(tái)遠(yuǎn)程設(shè)置好節(jié)點(diǎn)參數(shù)并回讀狀態(tài),以確保節(jié)點(diǎn)處于設(shè)定的正確工作狀態(tài),確認(rèn)好后軟件關(guān)閉無(wú)線,等待節(jié)點(diǎn)觸發(fā)。節(jié)點(diǎn)一旦觸發(fā),單片機(jī)立刻檢測(cè)到該中斷信號(hào)并在60 s后控制無(wú)線模塊開(kāi)啟,而不是立即開(kāi)啟。這樣是為了避免炸藥爆炸時(shí)造成的惡劣環(huán)境干擾無(wú)線通信,影響測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的傳輸。無(wú)線模塊具有上電自動(dòng)重新連接的功能,恢復(fù)通信后通過(guò)控制臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取等工作,完成后再通過(guò)軟件關(guān)閉無(wú)線模塊,以準(zhǔn)備進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。這一獨(dú)特的設(shè)計(jì)不僅使無(wú)線模塊智能工作并有效降低功耗,而且可循環(huán)進(jìn)行多次測(cè)試、大大提高了測(cè)試效率。

3 無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建

無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)主要實(shí)現(xiàn)控制臺(tái)與各傳感器節(jié)點(diǎn)的通信,負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)主控制臺(tái)的指令和回傳數(shù)據(jù),由各節(jié)點(diǎn)的無(wú)線模塊,無(wú)線AP和控制臺(tái)(計(jì)算機(jī))組成。傳感器節(jié)點(diǎn)和控制臺(tái)采用主從架構(gòu),即C/S結(jié)構(gòu),使用socket連接進(jìn)行通信。為了提高兩者連接的成功率和實(shí)時(shí)性,防止因連接超時(shí)造成無(wú)法建立通信,將傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)為服務(wù)器模式,控制臺(tái)設(shè)為客戶(hù)端模式。通信時(shí)由控制臺(tái)發(fā)起請(qǐng)求,節(jié)點(diǎn)的無(wú)線模塊能實(shí)時(shí)對(duì)端口進(jìn)行掃描,及時(shí)響應(yīng)控制臺(tái)發(fā)來(lái)的請(qǐng)求并建立通信。根據(jù)相應(yīng)規(guī)范給網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)、AP、和控制臺(tái)分配相應(yīng)的IP地址,并對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào),不同的節(jié)點(diǎn)其地址分配策略不同。但必須要保證所有的裝置都處于同一頻段,這里將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)IP統(tǒng)一使用192.168.1.1XX,其中XX是2～99以?xún)?nèi)的任意整數(shù),就是實(shí)際的傳感器節(jié)點(diǎn)編號(hào)。例如,編號(hào)為13號(hào)的節(jié)點(diǎn),其無(wú)線模塊IP設(shè)為192.168.1.113,同時(shí)在上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)中將設(shè)備號(hào)和IP進(jìn)行綁定,就可直接顯示設(shè)備號(hào),簡(jiǎn)潔明了,方便測(cè)試。各設(shè)備相關(guān)參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1,其中無(wú)線AP與控制臺(tái)采用網(wǎng)線連接。

表1 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)參數(shù)設(shè)置

圖6 主控制程序流程圖

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)的主控制程序設(shè)計(jì)

測(cè)試前需要根據(jù)爆炸當(dāng)量及測(cè)試距離確定相關(guān)參數(shù),可以通過(guò)控制臺(tái)對(duì)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行工作狀態(tài)設(shè)定,包括:觸發(fā)電平、系統(tǒng)增益編程、A/D采樣頻率、存儲(chǔ)長(zhǎng)度等操作。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)執(zhí)行完畢后,向控制臺(tái)反饋狀態(tài)信息。若存在異常,實(shí)驗(yàn)人員應(yīng)立即采取相應(yīng)措施,以確保對(duì)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。待所有設(shè)定完成后,通過(guò)軟件將節(jié)點(diǎn)的無(wú)線模塊關(guān)閉以降低系統(tǒng)功耗,等待節(jié)點(diǎn)觸發(fā)。爆炸完成后,節(jié)點(diǎn)觸發(fā)同時(shí)其無(wú)線模塊自動(dòng)上電,以準(zhǔn)備傳輸測(cè)試數(shù)據(jù)。基于以上分析,系統(tǒng)的主控制程序設(shè)計(jì)流程如圖6所示。

4.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件是系統(tǒng)控制中心,用戶(hù)可通上位機(jī)即可控制整個(gè)系統(tǒng)。上位機(jī)主要完成:發(fā)出相應(yīng)的控制命令,將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與顯示等。上位機(jī)軟件采用LabVIEW設(shè)計(jì),具有很好的人機(jī)交互界面。

整個(gè)程序以事件結(jié)構(gòu)為核心框架編寫(xiě),一個(gè)事件去完成一項(xiàng)功能,具體實(shí)現(xiàn)功能如下:USB或WIFI通信方式選擇,參數(shù)設(shè)置與回讀,系統(tǒng)狀態(tài)掃描與監(jiān)測(cè),節(jié)點(diǎn)無(wú)線模塊開(kāi)啟與關(guān)閉,采集數(shù)據(jù)讀取與顯示、系統(tǒng)休眠及復(fù)位。上位機(jī)控制界面如圖7所示。

圖7 上位機(jī)控制界面

5 電路標(biāo)定與實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后,完成了電路調(diào)試及標(biāo)定工作。標(biāo)定方法:選用Agilent公司的33521A信號(hào)發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),由測(cè)試系統(tǒng)采集幅值為0.25 V的100 kHz正弦波信號(hào)。采樣完畢后,將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī),利用上位機(jī)讀取信號(hào)幅值的數(shù)字量。僅改變正弦信號(hào)的幅值,每次以0.25 V為步長(zhǎng)遞增,按上述步驟進(jìn)行10次實(shí)驗(yàn),測(cè)得10組標(biāo)定數(shù)據(jù)。然后將數(shù)據(jù)利用最小二乘法進(jìn)行線性擬合。設(shè)電壓量為,對(duì)應(yīng)的數(shù)字量為,則滿足如下回歸方程:

Yi=axi+b+εi

(1)

式中:ε表示其他隨機(jī)因素對(duì)數(shù)字量Y的影響,服從正態(tài)分布N(0,δ),表2為12套電路系統(tǒng)的擬合結(jié)果。為了便于讀值,按照所擬合的結(jié)果,將上位機(jī)設(shè)計(jì)為顯示相應(yīng)的電壓值。

表2 12套電路系統(tǒng)的擬合結(jié)果

為了提高系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下的可靠性及野外工作能力,將無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)各模塊集成一體并巧妙裝配于耐沖擊的鋼體外殼中。并選用不易被擊中高存活率的,且滿足無(wú)線通信要求的外置PCB無(wú)線。裝配好的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)如圖8所示。ICP傳感器和PCB天線安裝在上表面,并且使傳感器敏感面和PCB天線與外殼的上表面齊平,這樣保證有效的獲取沖擊波信號(hào),同時(shí)避免天線對(duì)信號(hào)造成干擾。上表面設(shè)計(jì)了用螺紋固定的保護(hù)蓋,用來(lái)保護(hù)其下方的系統(tǒng)控制面板,并設(shè)有固定孔用于測(cè)試時(shí)的加固。控制面板包括:電源和無(wú)線開(kāi)關(guān)、充電接口、USB接口及狀態(tài)指示燈。可根據(jù)指示燈狀態(tài)直觀的獲知測(cè)試系統(tǒng)的狀態(tài)。測(cè)試前,打開(kāi)電源和無(wú)線開(kāi)關(guān),測(cè)試節(jié)點(diǎn)則自動(dòng)加載之前設(shè)定的工作參數(shù),隨即進(jìn)人待觸發(fā)狀態(tài)。若需要修改工作參數(shù),可利用上位機(jī)通過(guò)無(wú)線或USB設(shè)置參數(shù)。另外可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)掃描,在遠(yuǎn)端即可獲悉系統(tǒng)工作狀態(tài),若不在設(shè)定的狀態(tài)可重新設(shè)定,以確保測(cè)試節(jié)點(diǎn)處在正確的工作狀態(tài)。

圖8 無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物照片

圖11 沖擊波超壓測(cè)試曲線

實(shí)測(cè)試驗(yàn):被測(cè)某型號(hào)彈藥由木質(zhì)支架架高0.8 m,以彈藥在地面的投影為爆心。測(cè)試節(jié)點(diǎn)以爆心為圓心在地面上按夾角為120°的2個(gè)方向布設(shè),布設(shè)半徑(測(cè)點(diǎn)到爆心的距離)分別是2 m、3 m和4 m,并且使各測(cè)試節(jié)點(diǎn)天線的主瓣方向朝向無(wú)線AP,無(wú)線AP距離爆心100 m,而控制臺(tái)置于安全的掩體處。圖9是現(xiàn)場(chǎng)布置示意圖,圖10是測(cè)試現(xiàn)場(chǎng),圖11是爆炸后方向1上所記錄的沖擊波超壓測(cè)試曲線。表3給出了該發(fā)彈藥2個(gè)方向上各節(jié)點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。從測(cè)試結(jié)果可以得出,隨著測(cè)點(diǎn)離爆心距離增大,沖擊波超壓峰值呈遞減的規(guī)律[13],這充分體現(xiàn)了爆炸沖擊波的傳播特性。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)布置圖

圖10 彈藥?kù)o爆試驗(yàn)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

表3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

半徑/m節(jié)點(diǎn)編號(hào)超壓值/MPa持續(xù)時(shí)間/ms沖量/(Pa·s)210.2132.8315220.2453.1308230.2372.9329240.2162.8296350.1564.1152360.1763.7161370.1644.3159380.1834.4168490.0785.91124100.0816.41214110.0676.21094120.0715.7102

5 結(jié)語(yǔ)

本文在傳統(tǒng)存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)上,結(jié)合WLAN技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新,開(kāi)發(fā)了一種新型的靜爆威力測(cè)試系統(tǒng)。其測(cè)點(diǎn)不僅具有數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)的功能,而且自身為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)的組建,同時(shí)各測(cè)點(diǎn)能獨(dú)立的工作并及時(shí)響應(yīng)控制中心的命令發(fā)送狀態(tài)信息和測(cè)試數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn):構(gòu)建了組網(wǎng)簡(jiǎn)單、可靠的無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)了對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的集中管理、遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控以及測(cè)試數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。通過(guò)無(wú)線實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置靈活多變的參數(shù),以適應(yīng)測(cè)試環(huán)境的變化,提高了系統(tǒng)的靈活性。測(cè)試節(jié)點(diǎn)采用集成一體以及獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),提高了測(cè)試系統(tǒng)的智能化和可靠性。智能管理無(wú)線模塊,可循壞進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn),提高了測(cè)試效率。另外,可以通過(guò)增加中繼AP的方法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的無(wú)線傳輸及控制。系統(tǒng)在多次實(shí)彈測(cè)試實(shí)驗(yàn)中得到了很好的應(yīng)用。該系統(tǒng)為沖擊波超壓測(cè)試提供了可靠有效的測(cè)試手段,可為各類(lèi)彈藥的實(shí)驗(yàn)和威力評(píng)價(jià)等提供可靠的實(shí)測(cè)依據(jù)。

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Application of WLAN Technology in Static Burst Power Test

XIAYongle1,2,ZHANGZhijie1,2*,LIUZijian3,WANGDaihua1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory for Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China;3.North Zhiye Group,Beijing 100089,China)

Aimed at the problem that large numbers of measuring points can not be managed centrally and monitored entirely and the test parameters can not be amended on the scene in the shock wave overpressure measurement,the testing system based on the WLAN technology is designed. It has the function of controlling and monitoring all test nodes centrally,transmiting the test data by the wireless network,also setting the test parameters of nodes on site to adapt to different environments and increase system flexibility. The wireless module of node which is controlled intelligently by the hardware circuit and software time can reduce the power consumption effectively and complete multiple different tests circularly. The method of divided part data storage with the multiparameter’s negative delay can record the complete data and reduce the redundant data before the random trigger effectively. The validity and superiority of the proposed system are further verified by applying it to actual measurement experiments.

memory testing;WLAN;shock wave;overpressure;ICP(Integrated Circuit Piegoelectric)sensor

夏永樂(lè)(1990-),男,江西上饒人。碩士研究生,研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器、沖擊波超壓測(cè)試,nucxyl@163.com;

張志杰(1965-),男,山西五臺(tái)人。現(xiàn)任中北大學(xué)教授、博導(dǎo),儀器科學(xué)與技術(shù)學(xué)科帶頭人之一,主要從事動(dòng)態(tài)測(cè)試?yán)碚摗⒓夹g(shù)與應(yīng)用,信號(hào)處理理論與技術(shù)的研究。擔(dān)任中國(guó)計(jì)量測(cè)試協(xié)會(huì)壓力專(zhuān)業(yè)委員會(huì)委員;中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)儀器科學(xué)與技術(shù)教學(xué)委員會(huì)委員;教育部?jī)x器科學(xué)與技術(shù)教學(xué)指導(dǎo)委員會(huì)協(xié)作委員,zhangzhijie@nuc.edu.cn。

2014-10-28 修改日期:2014-12-18

C:7210G;7320V

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.026

TJ410.6

A

1004-1699(2015)03-0449-06