基于多傳感器的機載導彈環境應力監測裝置

段鵬程，王學奇，霍建成，楊 召，姚 鵬

(1.空軍工程大學航空航天工程學院，陜西西安710038;2.空軍95920部隊，河北 衡水053000)

0 引言

機載導彈是航空兵戰斗力的直接體現，是一種造價昂貴、長期存儲、一次使用的產品。實現全壽命周期的質量控制與管理對于確保其作戰效能的發揮具有重要意義。

導彈所處環境嚴重影響導彈壽命和性能。其中，溫度和濕度是最主要的兩個環境影響因子［1］，震動或碰撞也可能會造成硬件損傷或器件損壞，上述三種原因可能導致導彈故障，降低其使用壽命。而目前貯存過程中環境對導彈的壽命影響還主要依靠對庫房進行人工測試和人工經驗判斷［2］。而對庫房進行人工測試所得數據不準確，耗時長且工作量較大［3］，難以最直接反映導彈存儲箱內環境情況。

為更加精確地實現機載導彈數據分析和性能評價，需要一種全程跟隨導彈貯存過程的環境應力監測裝置，從而有效記錄導彈存儲壽命全周期的環境應力。本文針對導彈存儲周期長的特點，以高集成度傳感器模塊為基礎，設計了一種機載導彈環境應力監測裝置。該裝置可長期監測導彈所處的環境應力，為綜合評價導彈狀態提供多維、詳實的外界環境應力數據。

1 需求分析與總體設計

1.1 需求分析

硬件設計過程中要圍繞以下需求進行器件選型與結構定位:

1)降低系統復雜度，提升可靠性;

2)關鍵器件采用模塊化設計，提升維修的便捷性;

3)考慮系統功耗與電源模塊的容量，保證裝置在導彈存儲周期內正常長期工作;

4)存儲系統與計算機傳輸數據的便利性。

1.2 系統結構與工作流程

系統主要由傳感器系統、ARM微處理器系統、存儲系統、電源系統以及功能鍵組成。其中，傳感器系統分為溫度、濕度以及加速度三個部分，存儲系統包含外接 SPI FLASH卡和外接SD卡，電源系統包括鋰電池和電量監控系統。系統整體結構框圖如圖1所示。

傳感器模塊將外部環境應力轉換為數字信號進行輸出;ARM微處理器系統提供DMA通道以方便傳感器與存儲單元的信息傳遞;存儲系統接收信號并進行存儲;電源系統采用多蓄電池并聯方式保證其對整體系統的長時間供電。

加入電源電量監控單元，當電池剩余電量大于20%時傳感器模塊正常工作，當電池剩余電量小于等于20%，則通過模擬開關控制溫度和濕度傳感器間歇性進行數據采集，并改變定時器使ARM讀取時間間隔加長，從而進一步降低系統耗電量，保證下一次充電前導彈狀態監測不中斷。具體流程如圖2所示。

圖2 裝置工作流程圖Fig 2 Working flowchart of device

2 硬件設計

裝置采用環帶結構，扣于彈體上跟隨導彈存儲全周期，如圖3所示。加速度傳感器固定在與彈簧連接的壓塊1上，達到緊貼導彈的目的。溫度、濕度傳感器處于絕熱層所包圍的槽2，3內，充分接觸導彈存儲環境，且減少裝置自身影響。4為主要電路板，含有ARM芯片、外置SPI FLASH、外置SD卡以及功能按鍵，固定于可開的裝置底板上，方便更換相關器件和讀取數據。裝置殼體內層添加絕熱層用以減少裝置本身對導彈的影響。各器件電路連接如圖4所示。

圖4 系統主要電路Fig 4 Main circuit of system

2.1 傳感器模塊

本文選用的傳感器模塊均為高集成度器件，省去了外部濾波、放大、A/D轉換電路的設計。使用過程中遇到裝置故障，只需要更換相應功能的傳感器模塊，簡化了裝置的檢測與維修過程。

2.1.1 溫度傳感器

溫度傳感器采用窄體SOCI封裝高精度ADT7310溫度傳感器。其片上溫度傳感器采集溫度并轉換為與絕對溫度呈正比的電壓，然后將其與內部基準電壓進行比較并輸入到數字調制器［4］進行數字化，最終結果通過SPI兼容接口輸出。在滿足高精度且能自動校準的同時工作電流僅需要210μA。

2.1.2 濕度傳感器

濕度傳感器采用插針型封裝的SHT71，整個芯片包括校準的傳感器和14位A/D轉換器，此外還具有一個I2C總線串行接口電路，輸出完全標定的數字信號，傳感器可以完全互換。另外，該傳感器模塊在滿足濕度全范圍測量精度為±3.0%RH的情況下功耗僅為30μW，在鋰電池供電的情況下可長時間工作。

2.1.3 加速度傳感器

BMA250為Bosch公司推出的高集成度三軸加速度傳感器模塊，加速度使器件內部介質發生變形以產生相應電壓，然后將電壓經過A/D轉換等內部電路后以數字量的形式輸出，該芯片集成I2C總線串行接口，量程可選±2，±4，±8，±16 gn，精度較高且性能穩定，滿足導彈貯存過程中的震動和碰撞測量范圍，工作電流小于139μA。

2.2 ARM處理器與存儲系統

本系統選用STM32F101型ARM芯片，支持DMA數據傳輸方式，在數據傳輸過程中不需要CPU工作，對于系統降低功耗具有極大幫助。此外，ARM芯片對數據進行一些簡單運算，壓縮數據總量以便于存儲。

傳感器模塊輸出數據通過ARM芯片的DMA存入外接AT45DB041B型SPI FLASH中等待求解平均值［5］，在此過程中CPU處于低功耗狀態。每過一段時間通過內置定時器喚醒一次CPU讀取外接FLASH數據并求平均值，然后將平均值通過SPI方式［6］存入外接16GB容量的SD卡，同時清除外接FLASH開始下一輪數據采集與存儲。

2.3 電源系統

考慮到導彈貯存特點，本系統采用鋰電池通過電壓轉換電路為系統供電。在鋰電池與電壓轉換電路之間加入功能鍵作為開關。通過計算，系統整體工作一天的消耗為mAh量級，采用12BQ483—02型鋰電池(輸出11.1 V，容量10 Ah)理論上可支撐系統正常工作110天以上，因此，裝置并聯兩塊該型鋰電池，通過電壓轉換電路給各個子系統供電。

此外，為防止電源在導彈存儲過程中電量不足導致監測周期不完整。系統加入電源監控模塊，器件DS2780通過單總線與ARM芯片連接，如圖5所示。當電源監測模塊獲知電池剩余電量不足20%時輸出有效信號給ARM，觸發器CD4011保持高電平輸出，模擬開關CH440斷開，傳感器供電中斷，停止工作。周期性開關模擬開關，以降低系統整體耗能。

圖5 電源監控電路圖Fig 5 Circuit of power monitoring

3 實驗

裝置在某型空空導彈上進行了為期1個月的跟蹤測試，同一導彈包裝箱內放置溫度與濕度監測儀，外接計算機進行記錄，將1個月(5月)的記錄與本監測裝置SD卡內所記錄數據進行比對，結果如圖6、圖7所示。

圖6 氣溫監測結果Fig 6 Air temperature monitoring results

圖7 濕度監測結果Fig 7 Humidity monitoring results

由圖6、圖7可知，溫度監測結果誤差較小，濕度監測結果雖然存在一定誤差，但在可接受范圍內，由濕度傳感器自身誤差導致。

由于本裝置所跟蹤導彈長期處于靜態存儲狀態，為測試裝置可靠性，在存儲過程中進行了2次搬運，加速度測試結果如表1所示。

表1 加速度監測結果Tab 1 Acceleration monitoring results

表1中，5月6日第14時27分和5月15日15時34分分別為抬出導彈時刻，另兩個時刻為放回導彈時刻。放回導彈時瞬間加速度可達到1.59，2.11 gn，取出瞬間加速度為23，25 m gn，時間和范圍符合真實情況。

經過檢測電源剩余89%，可以滿足至少9個月的連續工作，且輸出穩定可靠。理論工作時間可以達到1年。

4 結論

針對導彈長時間封閉式存儲的特點，本文設計了一種全周期跟隨導彈貯存過程的環境應力監測裝置，整個裝置圍繞低功耗、易維修為核心進行了硬件布局、器件造型和電路設計。整體使用SPI和I2C進行數據傳輸，并設計加入了電源監控模塊。對影響導彈性能的溫度、濕度和震動三種因素進行監測和記錄。實驗表明:裝置整體功耗較低，可在密閉空間內獨立工作9個月以上，滿足長期跟隨并監測導彈貯存環境的要求，且工作穩定，維修方便。

［1］王 凱.導彈武器系統貯存環境監測及貯存可靠性評定方法研究［D］.哈爾濱:哈爾濱理工大學，2012.

［2］李兵尚，吳 非，張 磊，等.存儲環境監測與數據記錄系統設計［J］.測控技術與儀器儀表，2011，39(1):76-78.

［3］張韓飛，陳 明，池 濤，等.多傳感器信息融合在溫室濕度檢測中的應用［J］.傳感器與微系統，2011，30(6):129-134.

［4］李 洋，黎曉林，吳 健，等.基于數字電路的二階調制微加速度計［J］.傳感器與微系統，2015，34(1):91-93.

［5］蔣敦斌，李文英，劉元紅.閃速存儲器AT45D系列芯片的應力［J］.天津師范大學學報:自然科學版，2003，23(3):61-65.

［6］Raghupathy A P，Shen J.Thermal analysis of optoelectronic packages the Delphi-based compact thermal model and other modeling practices in the industry［C］∥Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium，2010:264-270.