基于三軸加速度傳感器的彈載存儲測試裝置

張　亮,張振海,李科杰,李治清

(北京理工大學機電學院，北京 100081)

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基于三軸加速度傳感器的彈載存儲測試裝置

張亮,張振海,李科杰,李治清

(北京理工大學機電學院，北京 100081)

摘要:針對目前國內彈載存儲測試裝置以單通道為主，且現有的三軸測試裝置也是基于單軸測試裝置通過多路復用開關實現，采樣同步性差、精度和速率低、存儲容量小等缺點，提出了基于三軸加速度傳感器的彈載存儲測試裝置。該裝置采用AD8421芯片實現了三軸微弱信號的放大，以F28335作為主控器，控制模數轉換芯片ADS8556進行數據采集和轉換，并將轉換的數據存儲至FLASH中，采樣精度為16 bit，三通道同步采樣速率為800 ksps，存儲容量為2 M×16 bit。對三軸彈載存儲測試裝置進行了地面模擬測試，測試結果表明：該存儲測試裝置三軸同步采樣速率和采樣精度高、數據存儲容量大，可滿足高沖擊三軸加速度信號彈載存儲測試要求。這為各類鉆地彈和超聲速巡航彈藥的精確炸點控制奠定技術基礎，具有重要實際工程使用價值。

關鍵詞:存儲測試；裝置；高沖擊；三軸加速度信號

0引言

高沖擊三軸加速度傳感器可以感受硬目標侵徹過程中彈丸所受的三軸向高沖擊過載信號，是各類鉆地彈和超聲速巡航彈藥實施精確炸點控制的前提和基礎。彈載存儲測試裝置是高速采集和存儲侵徹過程中三軸加速度信號的重要方法[1-3]。為了準確全面地記錄整個侵徹歷程的三軸加速度傳感器的過載信息，對彈載存儲測試裝置的采集精度、采集速率和存儲容量提出更高的要求。國內成熟的彈載存儲測試裝置主要針對單軸高沖擊加速度信號研發，以單通道測試為主，基于三軸加速度傳感器的三通道存儲測試裝置極少，這主要受限于高沖擊三軸加速度傳感器的研發。現有的三軸測試裝置也是基于單軸測試裝置通過多路復用開關實現，三通道采樣無法保持同步性，此外其采樣精度低，采樣速率低、存儲容量小也是其缺點，例如中北大學研制的三通道同步采樣彈載存儲測試裝置采樣頻率為200 kHz，采樣精度為16 bit，存儲容量為200 KB，這種存儲測試裝置很難完整有效地記錄頻響較高傳感器的高沖擊信號。本文針對上述問題，提出了基于三軸加速度傳感器的彈載存儲測試裝置。

1彈載存儲測試技術

存儲測試技術是指通過微處理器的控制，將某過程所產生的信號按照一定的要求實時采集并存儲至存儲器中，待采集完畢后，再將存儲的數據回讀至計算機中進行再現的一種動態測試技術。彈載存儲測試技術特指實時獲取存儲置于彈體上高沖擊加速度傳感器信號的技術。傳統上的彈載存儲測試裝置由三部分組成：加速度傳感器、存儲測試電路模塊、供電模塊。其中存儲測試電路模塊又由信號調理模塊、AD轉換模塊、主控器模塊、存儲器模塊等組成。依據其實際使用環境，會增加其他相關模塊。圖1所示為某型壓電式單軸加速度傳感器彈載存儲測試裝置原理框圖[4]。

圖1　彈載存儲測試裝置原理框圖Fig.1　The onboard storage testing device schematic diagram

1.1觸發存儲方式

彈載存儲測試裝置的能源和存儲容量是有限的，而在侵徹過程中不僅僅需要記錄觸發之后的侵徹信號，還需要記錄觸發前的部分信號，因此觸發點的選擇和彈載存儲測試裝置存儲方式的選擇是獲取有效侵徹過載信號的關鍵，觸發方式有單次觸發、多次觸發等方式，存儲方式有正延遲存儲和負延遲存儲[5]。

1.2可變采樣率和增益

對于彈丸侵徹硬目標，彈丸在出膛階段、飛行階段、侵徹階段這三個過程的持續時間相差上千倍，承受的過載的幅值相差上萬倍[5-6]，因此針對這一信號特性，彈載存儲測試裝置需要能根據信號的特征自動的改變采樣率和信號增益使得采得信號更具有特征[7]。

1.3存儲測試裝置設計依據

存儲測試裝置硬件電路的主要設計指標有：采樣精度、放大倍數、采樣頻率、存儲容量[8]，這些指標的確定均與所選用的傳感器有關。如表1所示為選用的高沖擊三軸加速度傳感器的部分性能參數。

表1　傳感器部分參數

1.3.1采樣精度

存儲測試裝置的精度由 AD 器件的字長、基準電源的精度和傳感器的精度共同決定。對于引信的高沖擊過載信號測試，8 bit字長的 AD 器件能夠滿足要求。本實驗室研制的三軸高沖擊傳感器抗過載能力強、量程程大，導致傳感器靈敏度較低，為了提高對信號的分辨率，選用字長為16 bit的AD芯片。對于基準電源為5 V，字長為16 bit的AD芯片，其分辨率為76.29 μV/bit。

1.3.2放大倍數

當選用的AD芯片分辨率為76.29 μV/bit時，傳感器分辨率為0.03 μV/g時，為了使系統分辨率達到最高，放大倍數至少為2 550倍。基于小信號在放大倍數過大時信號帶寬的減小和實際侵徹環境下的大多數場合只需記錄整個曲線的變化趨勢，整個系統需滿足：放大倍數達到1 000倍時，仍滿足1 MHz帶寬。

1.3.3采樣頻率

依據采樣定律，為了能夠不失真的復現原信號，測試系統的采樣頻率fs應高于原信號的最高頻率fm的兩倍，即fs≥2fm，一般取fs≥(8～10)fm，因此針對選用的傳感器系統采樣頻率應該不小于160kHz。但考慮到實際侵徹環境和后期傳感器性能的提升，在存儲容量滿足的前提下采樣頻率越高越好[8-9]。

1.3.4存儲容量

為了全面記錄過載信號的特性，對不同過載信號進行檢測時，應根據信號的特點確定需要記錄的時間Ts。由于所設計的系統主要針對高低過載、瞬態沖擊信號，一般此類信號全部持續在幾百毫秒內。假設Ts=500 ms，三通道16 bitAD以采樣800 ksps采樣時，則存儲容量至少應為1.2 M×16 bit。

綜上所述，所設計的三通道彈載存儲測試裝置性能指標如表2所示。

表2　性能指標

2三通道彈載存儲測試裝置

2.1功能概述

1)上電后能夠自動將三軸加速度傳感器電橋電路的失調電壓調節至設定范圍。

2)在滿足帶寬、精度、噪聲等的要求下，能夠根據信號特征進行放大和采樣。

3)采集精度為16 bit，三通道同步采集速率最高可達800 ksps，存儲容量為2 M×16 bit。

2.2硬件系統設計

三通道彈載存儲測試裝置硬件電路由六部分組成：電源模塊、自動調零模塊、放大模塊、A/D轉換模塊、數據存儲模塊和串口通信模塊，如圖2所示。系統功能如下：彈載存儲測試電路在接收到外部觸發信號后，整個系統上電運行，首先對三軸加速度傳感器失調電壓自動檢測并自動調零，然后加速度傳感器三路輸出信號經過兩級放大電路后傳送至A/D芯片，在微處理器的控制下按照負延遲存儲原理高速采集并存儲至SRAM中，待采集完畢后將數據慢速轉存至非易失性存儲器FLASH中。試驗彈回收后，將FLASH中的數據傳送至計算機中進行顯示、處理和分析。整個系統如何實現傳感器失調電壓調節、微弱信號檢測放大、高速采集、大容量存儲是關鍵，因此著重于對以上模塊的設計。

圖2　系統框圖Fig.2　System diagram

2.2.1自動調零模塊設計

采用的傳感器是北京理工大學研制的三軸高沖擊壓阻式加速度傳感器。六寸晶圓加工一致性、MEMS壓阻器件的溫度效應和封裝后殘余應力的影響，導致傳感器存在一定失調電壓。通過并聯數字電位器調理三軸加速度傳感器失調電壓在一定的范圍內。Z軸的自動調零原理如圖3所示，X軸和Y軸與Z軸原理圖相同。壓阻力敏電阻R1、R2、R3、R4構成Z軸向加速度信號測試電橋電路，根據加速度傳感器的初始失調電壓和橋臂阻值，通過Matlab仿真確定并聯到惠斯特電橋電路中數字電位器RW1的阻值為10 kΩ，RW2的阻值為100 kΩ，型號為Xicor公司的X9C102(10 kΩ)和X9C104(100 kΩ)。

圖3　自動調零原理圖Fig. 3　Automatic zero setting schematic diagram

2.2.2信號放大模塊

高沖擊三軸加速度傳感器量程高、沖擊靈敏度小，輸出信號為微伏級。為了準確獲取被測加速度信號的特征，需要進行信號的放大。信號放大電路由儀表放大器和數字電位器組成。選用AD8421儀表放大器實現信號的放大。該放大器是一款低成本、低功耗、極低噪聲、超低偏置電流的高速儀表放大器，非常適合微弱信號的放大，只需一個電阻即可實現所需的放大倍數調節。為了滿足高帶寬的要求，采用兩級放大電路實現信號的放大。第一級放大倍數為固定值(20倍)，第二級放大倍數根據實際使用環境通過改變并聯在其上數字電位器的阻值實現放大倍數可調。該模塊放大倍數在1～1 000倍時可調，當放大倍數為1 000倍時，帶寬可達1 MHz。

2.2.3模數轉換模塊

選用TI 公司的ADS8556實現放大信號的采集與轉換。ADS8556是一款高速、低功耗、六通道同步采樣的16位模數轉換器，支持單端、差分模擬輸入，輸入信號范圍可達±4Vref或者±2Vref，其中Vref為內部參考電壓，可取2.5 V或3.0 V。ADS8556在軟件模式下，六通道同步采樣速率可以隨時改變，最高采樣速率可達800 ksps。放大信號Vi經過OPA2211運放跟隨后，驅動能力得以增強。輸出端并聯RC一階濾波電路，限制了運放的噪聲帶寬，減少了噪聲干擾。

2.2.4數據存儲模塊

SRAM存儲器具有數據讀寫速度快的優點，但掉電后數據無法保存，FLASH存儲器數據讀寫速度慢但掉電后數據不丟失。數據存儲模塊既要求彈載存儲測試系統具備快速數據存儲功能又要求采樣數據在掉電后依然保存，因此將實際侵徹過程的傳感器數據快速存儲到SRAM中，侵徹過程結束后再將SRAM中的數據慢速存儲到FLASH中。TMS320F28335的外部接口(XINTF)接口區域6和區域7存儲空間均為1 M×16 bit。分別擴展一塊IS61WV1024BLL的SRAM，從而使得該裝置具備2 M×16 bit的存儲容量。選擇型號為W25Q32的串行FLASH在采樣完畢后將數據轉存，然后讀取FLASH數據進行分析。

2.3軟件系統設計

為了有效利用彈載存儲測試電路的硬件資源，基于UCOSII操作系統進行軟件系統的設計。由于UCOSII良好的任務設計性能，將彈載存儲測試系統的軟件系統劃分為五個任務：調零放大任務、采樣任務、存儲任務和串口通信任務。

2.3.1調零放大任務

調零放大任務主要是利用編程方式分別改變儀表放大器AD8421上的數字電位器和并聯在惠斯特電橋上的阻值，實現信號放大倍數可調，減小或消除三軸加速度傳感器的失調電壓。依據設計要求確定放大倍數后，再通過自動調零的方式確定數字電位器對應的阻值。自動調零的基本思想是運用循環遍歷的方式采集數字電位器阻值每種組合方式下的電壓值，以對應最小輸出電壓時電位器的阻值作為調零的最終結果。調零流程圖如圖4所示。

圖4　自動調零流程圖Fig.4　Automatic zero setting flow chart

2.3.2采樣存儲任務

依據負延遲存儲方式存儲時，為了節約數據采樣和轉換的時間，在CPU不干預的情況下，采樣數據以DMA直接數據存儲的方式快速存儲至SRAM中，待采集完畢后再將數據慢速轉移至FLASH中。

2.3.3串口通信任務

串口通信任務主要是負責彈載存儲測試裝置與上位機之間的數據交換。試驗開始前，將所需的代碼通過串口下載至彈載存儲測試裝置中。試驗結束后，通過串口將彈載存儲測試裝置存儲的數據回讀至計算機上位機軟件中，以便進行數據分析和處理。

2.3.4多任務之間的協調

為了使彈載存儲測試裝置完成其指定功能，在設計完各個任務后，各個分任務通過信號量、消息隊列有效的通信，實現多任務的有效協調工作，完成侵徹過程中高沖擊信號的記錄。

3系統測試分析

在對整個彈載存儲測試裝置硬件和軟件設計、調試、軟件仿真完成后，進行地面模擬試驗，分別驗證自動調零的功能和信號放大采集存儲回讀的功能。

3.1自動調零功能驗證

將三軸加速度傳感器與彈載存儲測試裝置，放大倍數設置為500倍，采樣頻率設置為200 ksps，上電后執行自動調零程序，驗證其自動調零功能。經測試，該電路能滿足三軸加速度傳感器的電橋的調零的實際使用需求。部分測試結果如表3所示。

表3　自動調零部分測試結果

3.2信號放大采集存儲回讀功能驗證

彈載存儲測試裝置的放大倍數分別設置為500倍、800倍、1 000倍時，采樣頻率設置為200 ksps、400 ksps、600 ksps，800 ksps輸入信號為峰峰值和頻率不同的正弦激勵信號，外部中斷觸發其采樣、存儲，最后將信號回讀至計算機，通過MATLAB軟件編程在上位機中顯示，測試結果表明該系統的微弱信號放大、采集、存儲傳輸的功能滿足設計要求，測試指標與設計指標相符。最高采樣率下的測試結果如表4和圖5所示。

表4　彈載存儲測試部分測試結果

圖5　正弦信號測試結果Fig.5　Test results of sine signal

通過上述試驗結果可知，設計的存儲測試電路實際測試指標與設計指標相符，滿足三軸加速度傳感器調零要求，三軸向數據采樣有很好的同步性、采樣速率和精度高，存儲容量大，滿足彈載三軸存儲測試要求。但在多次試驗中，該裝置抗電磁環境干擾能力不強，因此可靠性和抗干擾性能力亟待進一步提高。

4結論

本文提出了基于高沖擊三軸加速度傳感器的彈載存儲測試裝置。該裝置采用AD8421芯片實現了三軸微弱信號的放大，以F28335作為主控器，控制模數轉換芯片ADS8556進行數據采集和轉換，并將轉換的數據存儲至FLASH中，采樣精度為16 bit，三通道同步采樣速率為800 ksps，存儲容量為2 M×16 bit。地面模擬測試結果表明該存儲測試裝置采樣速率高、存儲容量大、通用性較強，為各類鉆地彈和超聲速巡航彈藥的精確炸點控制奠定技術基礎，具有重要實際工程使用價值。該裝置針對高頻響加速度傳感器仍有一定局限性，系統抗干擾性有待提高，下一步將提高其采樣率增加抗干擾性，從而提高整個系統的通用性和實用性。

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Onboard Storage Testing Device Based on High Impact Tri-axial Accelerometer

ZHANG Liang，ZHANG Zhenhai，LI Kejie，LI Zhiqing

(School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology, Beijing 100081，China)

Abstract:Aiming at the shortcomings of low precision of high-speed acquisition and high-capacity storage onboard storage testing device used to record the tri-axial accelerometer’s high impact output signal in the hard target penetration projectile process, a high impact tri-axial accelerometer onboard storage testing device was designed. The device used AD8421 to implement signal amplification, used digital potentiometers to realize auto-balancing and amplification adjustable of the bridge. As the main controller, F28335 controlled the ADS8556 data acquisition and conversion and save the data to FLASH. The designed onboard storage device’s sample accuracy ups to 16 bit, three-channel simultaneous sample rate ups to 800ksps and storage capacity ups to 2M × 16 bit. Ground simulation tests were conducted for the tri-axial onboard storage device. Test results showed that the onboard storage device has high precision and high simultaneous sampling sample rate and high-capacity storage. The design fully met the onboard storage requirements, which provided a basis for accurate burst point control of the earth penetration bomb and supersonic cruise missile and is of significance in engineer.

Key words:storage testing; device；high impact; tri-axial accelerometer signal

中圖分類號:TJ430.6

文獻標志碼:A

文章編號：1008-1194(2016)02-0013-05

作者簡介:張亮(1989—)，男，寧夏隆德人，碩士研究生，研究方向：高g值加速度傳感器信號識別、獲取。E-mail：bigbird1997@126.com。

基金項目:國防基礎科研項目資助(CXX2011XX03、AXX2013XX10)；國家自然科學基金面上項目資助(61273346)；基礎研究基金項目資助(2015CX02034)

*收稿日期:2015-11-08