基于C8051F380的彈丸表面壓力數據采集系統

寧潤果，吳國東，王志軍，劉　凱

(中北大學 機電工程學院，太原　030051)

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基于C8051F380的彈丸表面壓力數據采集系統

寧潤果，吳國東，王志軍，劉凱

(中北大學 機電工程學院，太原030051)

摘要：介紹了一種由傳感器、信號調理電路、數據采集、存儲器及通訊接口等部分組成的微型氣壓數據采集系統，它能夠在不破壞彈體的情況下進行彈丸表面壓力的采集，具有體積小、安裝方便、能放置到被測體內等特點；以單兵火箭彈為例并進行相關試驗；實驗結果表明：該系統能夠準確有效地進行火箭彈彈體表面壓力信號的采集，并且采集數據與理論數據比較吻合。

關鍵詞：火箭彈；數據采集；壓力傳感器；C8051F380

本文引用格式：寧潤果，吳國東，王志軍，等.基于C8051F380的彈丸表面壓力數據采集系統[J].兵器裝備工程學報，2016(1):113-116.

Citation format:NING Run-guo, WU Guo-dong, WANG Zhi-jun, et al.Design of Projectile Surface Pressure Data Acquisition System Based on C8051F380[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(1):113-116.

由于不同型號的彈丸能夠滿足各種不同復雜環境的作戰需求，彈丸在大氣中飛行時，其射程、飛行穩定性等參數直接受其空氣動力大小的影響，而彈丸的外形結構、飛行姿勢以及大氣環境條件直接決定其所受空氣動力的大小。近幾年，國內外對彈丸的侵徹、毀傷等相關研究很多，而專門針對彈丸空氣動力學相關的研究卻不太多，因此對彈丸飛行時作用在其上的空氣動力大小進行測試顯得十分必要。

研究彈丸空氣動力學的方法主要有理論計算法、數值模擬法、風洞試驗法、飛行試驗法。目前，通常采用的研究方法有數值模擬法與風洞試驗法[1-2]。采用數值模擬法可以獲得理論的氣動力參數，采用各種類型各種尺寸的風洞試驗可以獲得彈丸在實驗條件下彈丸的空氣動力數據，這些理論數據與實驗數據在彈丸總體結構設計時可以作為重要依據。彈丸表面的氣壓測量是空氣動力學實驗中一項基本測量，目前所用測壓裝置主要是壓力探頭，該壓力探頭在測定物體表面某一點的壓力時，需要在該點處開一個小孔，破壞了物體的結構[9]。因此，文中針對此問題設計了一套以片狀微型壓力傳感器為感壓部分的瞬態壓力測試系統。該壓力傳感器具有結構簡單、安裝方便、微型化、靈敏度高等特點。由于該傳感器厚度小，將該傳感器安裝在彈丸表面，對彈丸表面氣流流場影響小。因此，可以比較準確的測量彈丸表面的氣壓大小。

本文介紹了一種以C8051F380單片機為主控制器的氣壓數據采集與存儲系統。該系統具有結構簡單、抗過載能力高等特點，可以直接安裝在彈丸上進行數據采集并存儲。

1總體方案設計

在氣壓數據的采集過程中，由于測試系統要與彈丸一起運動，所以要求測試系統具有體積小、功耗低、抗高過載、靈敏度高等特點。系統采用C8051F380作為主控制器，設計相應的電路模塊，邏輯相對簡單，減少電路體積。

系統主要由壓力傳感器、信號調理電路、C8051F380主控制器、數據存儲模塊、電源模塊、按鍵、以及LCD液晶顯示電路等組成。系統結構組成如圖1所示。

圖1　系統結構框圖

傳感器信號經過放大、濾波、AD轉換后，主控制器控制采集數據，采集數據通過SPI總線接口寫入到存儲芯片，并且采集數據可以通過LCD顯示出來，通過RS232接口可以將存儲芯片上的數據直接拷貝到上位機上并進行后續處理。

2硬件設計

2.1傳感器的選擇

系統采用的是Endevco公司8515C-50壓力傳感器，該壓力傳感器內部為全橋結構，具有高的靈敏度和寬的頻率響應，傳感器中包含了所有的溫度補償電路和零位平衡電路。該傳感器的直徑只有6.3 mm,厚度只有0.76 mm,對流場的影響小。該傳感器安裝方便，可以使用RTV硅膠或膠帶粘貼在被測物體的表面。因此滿足該系統的測試要求。在供電電壓為10 V時，滿量程輸出電壓為200 mV,為了使其靈敏度不變，供電電壓必須為精密電源提供，供電電壓通常為10 V，該傳感器如圖2所示[4]。

圖2　 Endevco 8515C-50壓力傳感器

2.2信號調理電路

該壓力傳感器輸出的模擬電壓信號為mv級，AD轉換器可以進行轉換的電壓輸入范圍為0～2 V，因此，該壓力傳感器輸出的模擬電壓信號需要經過相應放大后才能夠被采集。經計算可知，需放大倍數大約為25～30倍，調理電路如圖3所示。壓力傳感器輸出的模擬電壓信號BG1經過AD623集成單電源儀表放大器進行差分放大[11]。在單電源(+3～+12 V)下，該放大器能夠提供滿電源幅度的輸出，它允許使用單個增益設置電阻進行增益編程，在圖3中通過改變可調電阻器VR7的阻值，可以改變該儀表放大器的放大倍數，使傳感器輸出的模擬電壓信號放大到一個合適的倍數。放大后的信號通過電容C23與電阻R16組成的RC低通濾波器進行濾波，該系統的采樣頻率為50～100 kHz。

圖3　信號調理電路

2.3AD轉換模塊

系統采用C8051F380單片機為主控制芯片，C8051F380單片機是采用美國Silabs公司的CIP-51為內核而制作的一款高速單片機，其內部具有10位AD轉換器和USB控制器/收發器。AD轉換器的轉換速率可達200 ksp，INL為±1 LSB,基準電壓VREF可以選擇外部VREF或內部VREF，單片機的20個I/O引腳可以作為ADC的輸入[5]。為了使整個數據采集系統的結構簡單，系統穩定，因此可以選擇該主控制器C8051F380內部的AD轉換器進行模數轉換。在圖3中，通過信號調理電路調理后的模擬電壓信號AD1傳輸到C8051F380單片機，利用C8051F380單片機內部的AD轉換器對從信號調理電路傳輸過來的模擬電壓信號AD1進行AD轉換。本系統是具有4個通道的表壓測試系統，因此輸入模擬信號具有4路，分別是AD1、AD2、AD3、AD4。信號調理電路輸出的4路模擬電壓信號經過模擬多路選擇器(AMUX)選擇AD轉換器的正輸入與負輸入并進行AD轉換，通過C語言的邏輯控制，將轉換后的數據輸出。如圖4所示是C8051F380單片機與信號調理電路調理后的模擬電壓信號的接口電路。

圖4　信號輸入電路

2.4數據采集電路

由于C8051F380單片機內部具有64K的閃存，不能夠滿足系統的存儲要求，因此需要外擴數據存儲器空間。由10位ADC可知，存儲一個采樣值需要占用兩個字節的空間，本系統采樣頻率為50～100 kHz,采樣時間為10～20 s，通過計算可得出外擴1 MB的容量即可滿足該測試系統的要求。系統選用具有50 MHz SPI總線接口的串行閃存M25P128作為外擴存儲器。M25P128是具有128 Mbit，低電壓，滿足設計要求，可以通過SPI串行外設接口將AD轉換后的數據從主控制器傳輸到該閃存上[6]，如圖5所示。

圖5　M25P128引腳及外接電路

本系統中，上位機的串行外設接口為RS232串口，RS232接口的電平為RS232電平，C8051F380單片機所使用的電平為TTL電平。為了使上位機與單片機C8051F380通過串口能夠實現通信功能，必須將兩者之間的電平進行換。MAX3232在3.0～5.5 V電源供電時，利用雙電荷泵即可實現RS232電平與TTL電平之間的轉換，轉換后可以將AD轉換后的數據利用RS232串口傳輸到上位機上并進行后續處理[7]。

C8051F380單片機集成了一個完整的全速/低速USB功能控制器，USB功能控制器和收發器符合通用串口總線規范2.0版，其具有全速(12 Mbps)和低速(1.5 Mbps)USB通信功能,并且該USB具有集成收發器的功能，使用時無需外接電阻器件。具有結構簡單，傳輸速率高等特點。該系統中，在單片機的控制下，同樣可以將AD轉換后的數據通過單片機的USB控制器傳到上位機上并進行后續處理。

本系統利用以上兩種方式都可以將采集到的數據傳輸到上位機上并在上位機上進行后續處理，保證了整個系統數據傳輸的可靠性。

2.5電源電路

在該系統中，有3種供電方式：5 V EXT、5 V JATG、5 V USB供電。通過三端線性穩壓電路ASM1117-3.3獲得3.3 V電壓，供電給單片機、存書芯片等大部分器件使用。本系統中，由于AD623放大器需要12 V供電，8515C-50傳感器需要10 V供電。在該系統中，5 V電壓通過12 V或可調升壓型DC-DC控制器MAX1771芯片升壓獲得12 V電壓，或者直接由外部12 V電源給整個供電[8]。升壓芯片MAX1771具有高效率、低功耗等優點。該12 V電壓一方面給AD623儀表放大器供電，另一方面再由AD584精密基準電壓源獲得10 V基準電壓和2.5 V基準電壓。AD623提供引腳可編程的四種常用電壓，分別為10 V、7.5 V、5.0 V、2.5 V。該10 V精密基準電壓給壓力傳感器供電，2.5 V精密基準電壓可以作為單片機C8051F380內部AD轉換器的基準電壓。

2.6LCD液晶顯示器接口電路

本系統選用LCD12864液晶顯示模塊作為系統數據顯示器件。12864液晶顯示器具有4位/8位并行、2線/3線串行多種接口方式；內置8 192個漢字字庫和128個點陣字符，既可以顯示漢字，也可以將圖形顯示出來；顯示內置DC-DC轉換電路，無需片選信號，低電壓、低功耗、高頻率。該液晶顯示器與同類型的點陣顯示器相比，其外圍電路及顯示程序都比較簡單，且價格也相對便宜[10]。LCD12864液晶顯示器與主控制器C8051F380的接口電路如圖6所示。

圖6　LCD12864與C8051F380接口電路

3軟件設計原理

以C語言設計主控制器C8051F380的控制邏輯，邏輯流程圖如圖7所示。為了使整個系統結構簡單，穩定性強，系統只設計了一個按鍵，當控制邏輯程序下載到主控器上后，通過這個按鍵可以控制整個系統的運行。整個系統的邏輯可以分為兩大部分，第一部分為數據傳輸模式，第二部分為預采集模式。

系統上電后，第一次判斷按鍵是否按下，假如按鍵按下，系統進入數據傳輸模式，當單片機接收到上位機指令后，單片機將執行寫存儲器等指令；假如按鍵沒有按下，系統進入預采集模式，接著第二次判斷按鍵是否按下，假如按鍵按下，則系統進行數據采集，數據采集完成，將按鍵抬起，采集結束。

圖7　彈丸表面氣壓數據采集系統軟件流程

4實驗結果與分析

為了驗證系統能否準確、高效的實現預期目標，將該數據采集系統安裝在單兵火箭彈上進行相關的數值模擬試驗，以驗證該采集系統的可靠性與仿真數據的準確性。分別在該單兵火箭彈的頭部、肩部、彈身、尾翼安裝了該壓力傳感器，在不同的來流攻角和飛行速度下，通過多次試驗，將采集到的數據與數值仿真的數據相比較，兩者采集到的氣壓數據基本相近，較滿足實際要求。

5結論

本文所設計的彈體表面壓力測試系統電路，實現了彈丸表面氣壓數據的實時采集。該系統具有電路尺寸小，抗過載能力強，結構簡單，系統穩定等優點，經過試驗驗證，該設計能夠比較準確的測量彈丸表面氣壓的大小，滿足系統的應用要求。設計的該數據采集系統通用性較強，針對飛機飛行時的表面氣壓、高速列車行駛時表面的氣壓等類似情況，可通過改變系統相應的邏輯參數來滿足系統數據采集的要求。

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(責任編輯楊繼森)

【信息科學與控制工程】

Design of Projectile Surface Pressure Data Acquisition System

Based on C8051F380

NING Run-guo, WU Guo-dong, WANG Zhi-jun, LIU Kai

(College of Mechatronics Engineering，North University of China, Taiyuan 030051, China)

Abstract:This paper introduced a kind of the micro air pressure data acquisition system that include sensors，signal conditioning circuit，data acquisition，storage, communication interface and other components. It can collect the projectile pressure on the surface without breaking the projectile. The system has some characteristics, such as small volume，convenient installation, that can be put into the tested body and so on. Taking the individual rocket as an example and some relevant tests were carried out. The result shows that the system can accurately and effectively acquire the rocket projectile surface pressure data when it flying and the acquisition of data is in accordance with the theory data in comparison.

Key words:rocket projectile; DAQ; pressure sensor; C8051F380

文章編號：1006-0707(2016)01-0113-04

中圖分類號：TP274

文獻標識碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.01.027

作者簡介：寧潤果(1989—)，女，碩士，主要從事火炮、自動武器與彈藥工程技術研究。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(11402027)；中北大學第十屆研究生科技 (20131020)

收稿日期：2015-06-27；修回日期：2015-07-30