引信過載數據的無線傳輸系統研究*

楊　茹，王　利，連云飛，張　志（　中北大學機電工程學院，太原　03005；　中國航天科工集團第六研究院60所，呼和浩特　00076）

引信過載數據的無線傳輸系統研究*

楊茹1，王利1，連云飛1，張志2
（1中北大學機電工程學院，太原030051；2中國航天科工集團第六研究院601所，呼和浩特010076）

針對現有的彈載存儲系統具有操作不便、回收過程復雜危險等問題，設計了數據采集無線傳輸系統，系統利用壓電傳感器，以C8051F340為主控芯片，結合FRAM芯片，以nRF24L01作為無線收發芯片，并設計天線及匹配電路。經實驗驗證，數據傳輸速率可達450 kbps，空曠距離為90 m時，數據仍能可靠傳輸，對一定厚度的混凝土及鋁等非屏蔽介質下具有一定的穿透性，穿透混凝土的最大厚度為3 m。通過動態模擬實驗，系統可準確接收加速度數據，誤差在1.5%以下，符合實際要求。

C8051F；壓電加速度；侵徹；無線傳輸

0　引言

彈丸侵徹硬目標時的過載數據是設計引信的重要參考數據［1］。現有的測試方法中彈載測試存儲技術是較為普遍的技術，它能夠獲得彈丸從膛內發射到侵徹目標整個過載中的過載變化規律。美國sandia國家實驗室設計了小型侵徹加速度記錄儀。瑞士武器系統與彈藥試驗中心設計了高g值的彈道飛行數據記錄儀。國內劉立軍等人利用彈載存儲系統獲得動能子彈侵徹硬目標時加速度峰值18 000 g，加速度信號主脈寬為168 μs［2］。一般彈載存儲測試系統隨彈丸侵徹，彈丸侵徹結束進入到回收場地，回收場地內多為土壤，需要人工對其進行挖掘，對彈載系統回收。但在常規的武器靶場實驗中，回收場地內常存在危險性的物體如未起爆的彈丸、有毒物質等，挖掘回收過程復雜危險，針對此問題設計了彈載加速度數據采集無線傳輸系統，系統隨彈丸侵徹進入回收場地內，不需要對其進行挖掘回收，通過無線的方式獲得采集的數據。

系統以C8051F340高速單片機為主控制器，將FLASH與SRAM集成一體化，防止數據的丟失，采用nRF24l01作為無線傳輸芯片，系統具有數據傳輸率高，測試精度高，對回收場地內的非屏蔽作用的物體具有一定的穿透性等特點。

1　系統的整體設計方案

彈載加速度數據采集無線傳輸系統由信號處理模塊、信號采集模塊、數據存儲模塊以及無線發送模塊四部分組成，系統設計原理見圖1所示。

系統工作原理如下：首先給恒流源上電，為信號處理電路提供恒定電流，將加速度傳感器感知到的信號進行處理，成為能夠被采集的模擬信號，給信號處理模塊上電，開始對信號循環采集，判斷采集到的值是否滿足觸發值。當滿足觸發條件時，開始對采集到的數據進行存儲。通過初步計算彈丸飛行的時間，設置采集時長，待采集時長計滿后，停止采集，等待無線接收設備的自動應答，收到接收模塊的應答后，將采集到的數據無線發送出去，從而獲得整個過程的過載曲線。

圖1　系統設計原理圖

2　系統硬件電路構成

2.1信號處理模塊

系統選用壓電式加速度傳感器，其量程達104g，體積較小，其電荷靈敏度為0.072 pC/g。此加速度傳感器經過信號調理電路的作用，將感受到的信號變為可以采集的模擬信號。信號調理電路選用增益為0.5 mV/pC的微型阻抗變換器。此阻抗變換器需要提供0.5～10 mA的恒定電流才能正常工作，采用三端可調恒流源LM334芯片來為其提供電流為恒定電流。

2.2數據采集存儲電路設計

因導彈速度高、參數變化快，傳感器輸入單片機的數據速度高、容量大，主控芯片選用C8051F340高速單片機，程序運行速度最高可達48 MHz，具有增強性的SPI串行接口，片內具有多通道AD采樣系統，采樣頻率高達200 ksps。采用其內部自帶的AD采集系統，將單片機與AD轉換器集成于一體，提高系統的集成度，滿足系統對采樣頻率和采樣精度的要求［3］。

在數據存儲部分，一般數據存儲采用EEPROM 與SRAM。EEPROM技術雖成熟，但是其存儲速度較慢，對于變化較快的信息存儲不適合。SRAM功耗低，寫入速度快，但其掉電后數據會丟失，對電源有較高的要求。基于這兩種存儲的優缺點，采用FM21L16鐵電存儲器作為數據存儲芯片。FM21L16可存儲2 Mbit的數據，它的讀寫功能類似于普通的SRAM，操作簡單。此芯片為并行數據存儲器，其存儲數據的速度很快，存取時間可達60 ns。其供電電壓為2.7～ 3.6 V，屬于低功耗、低電壓工作芯片。其與單片機的電路連接見圖2所示。

單片機的P2接口通過鎖存器接FM21L16的低8位地址線，P3口接FM21L16的A8-A15地址線，P4.0接芯片的 A16地址線。與普通 SRAM不同的是，FM21L16在芯片使能端CE的下降沿鎖存地址，利用單片機引腳P1.2與ALE經過或門后產生具有下降沿的信號，通過與復位信號經過與門，其作用是為了封鎖FM21L16的片選。控制UB與LB來選擇存儲數據占用存儲器的高低8位。

圖2　FRAM與C8051F340的電路連接

2.3無線數據發送模塊

無線數據發送采用nRF24l01無線收發芯片，其工作頻段在 2.4～2.5 GHz頻段，與主控芯片C8051F340通過SPI總線連接。其工作電壓在1.9～3.6 V，低功耗，滿足本系統要求［4-5］。系統采用點對點的通訊方式，包括發射模塊和接收模塊兩部分，發射模塊置于彈丸內部。為使數據傳輸的距離達到最優，天線的設計至關重要。在彈載測試中，要求系統具有微體積、微功耗的特點，故天線的設計需具有微小型、方便安裝等特點。本系統中設計采用可彎曲折疊的軟PCB板天線，其具有重量輕、體積小、剖面薄等特點。設計天線的參數如下：諧振頻率達到2.4GHz，頻帶寬度小于5%，駐波比系數小于1.5。無線天線設計的阻抗為50 Ω，線寬為0.5 mm，基本尺寸為20 mm×12 mm，并設計相應的天線匹配電路。經過調試，當傳輸速率達到250 kbps時，在空曠環境中無線傳輸的距離可達90 m，傳輸速率可達450 kbps。

3　系統軟件設計

程序的設計主要包括AD采集模塊，數據讀寫模塊、無線發送模塊三大部分內容。1）AD采集模塊主要包括AD初始化，采樣頻率的設置，采集時長的設置。系統上電之后，經過初始化，系統開始對信號進行采樣，當采集到的數據大于設定的閾值，打開定時器0計時，當采集的時長達到所設定的時間t1時，停止存入數據。2）數據讀寫模塊，主要針對FM21L16芯片的數據存儲與讀取，系統上電復位后將P1.2拉低，P1.2經過與ALE或門，再經過與復位信號與門后產生具有下降沿的信號，使得FM21L16芯片能夠在下降沿的時候鎖存地址，通過控制FM21L16芯片的CE與WE將采集到的數據存儲到芯片內部［6］。通過控制P1.4與P1.5，控制數據存儲占用芯片的高低8位。由于單片機C8051F340外部可擴展64KB的數據存儲器，而FM21L16具有17根地址線，將P4.0作為地址線的最高位，數據存儲的地址可通過軟件設置。3）無線數據傳輸模塊，首先使能芯片，將芯片設置為發送模式，將TX_ADDR（接收節點地址）與有效數據通過SPI寫入TX_FIFO中，并啟動自動應答模式，設置工作頻段，設置等待重新發送功能，將CE拉高，將數據以數據包的形式打包發送出去。發送完成，通過判斷IRQ與TX_DS，以及MAX_RT的電平來判斷數據發送是否完成。軟件流程見圖3所示。

圖3　系統軟件設計流程圖

4　系統穩定傳輸實驗

為了驗證系統的可靠性，必須要對系統進行測試。采用靜態測試與動態測試兩種方式。利用信號發生器模擬信號，分別輸出正弦波、方波、三角波3種波形，系統分別對其進行采集，采樣頻率為300 kHz，并在一定距離下進行數據的收發，實驗得出當距離為90 m時，無線接收到的數據與存儲在FM21L16芯片中的數據相同。采用KCL沖擊試驗機模擬彈丸侵徹硬目標實驗，并對無線信號穿透能力進行測試，將模擬輸入端的信號連到示波器上，將示波器獲得的曲線與系統所得到的過載曲線進行對比。在實驗中，對非屏蔽介質（混凝土、鋁）進行穿透測試實驗。圖4是實驗示意圖。在混凝土厚度為1 m、2 m、3 m、3.5 m等不同的情況下進行系統采集以及穿透性能的試驗。實驗驗證，無線信號穿透不同厚度的混凝土后接收到的數據曲線與實際加速度曲線一致。當混凝土厚度達到3.5 m時，無線接收的數據有丟失現象。圖5和圖6是當混凝土厚度為3m時，實際加速度曲線與無線接收的數據曲線的對比。圖7和圖8是將無線傳輸的信號穿透鋁制物品時，實際加速度曲線與無線接收的數據的對比。

圖4　實驗示意圖

圖5　無線信號穿透3 m的混凝土實際加速度曲線

兩次實驗的采樣頻率為200 kHz，采樣時長達到397 ms。從圖中可以看出實測曲線與系統無線接收的數據曲線相吻合。圖5中，實際測得的峰值為0.956 V，約為26 555 g，圖6中，系統測得的電壓峰值為0.97 V，約為26 944 g，脈寬為105 μs，誤差約為1%。圖7中，實際測得的峰值為1.35 V，約為37 500 g。圖8中系統測得的電壓峰值為1.392 2 V，約為38 000 g，脈寬為90 μs，誤差約為1.3%。

在后續實測實驗中，針對彈丸侵徹結束后進入回收場地內的土堆，通過軟件仿真得到當初速為400 m/s時，其進入的深度最大為2.8 m。本系統在混凝土厚度為3 m的情況下可穩定工作。系統中采樣頻率可調，最高可設置300 kHz的采樣頻率，系統誤差小于1.5%。數據傳輸率可達450 kbps。初步判斷系統的采集頻率，以及對混凝土的穿透性滿足后續動態實驗的要求。

圖6　無線信號穿透3 m的混凝土系統所得加速度曲線

圖7　無線信號穿透鋁制體實際加速度曲線

圖8　無線信號穿透鋁制體時系統所得的加速度曲線

5　結論

通過實驗，得出在空氣介質下無線傳輸的距離最遠可達90 m。針對3 m的混凝土和非屏蔽金屬物質（鋁）等，無線信號具有良好的穿透性，能夠可靠的傳輸數據。在后續動態試驗中，將鋁作為引信殼體的制作材料，避免安裝時對信號屏蔽性的考慮，既可保證彈丸的封閉性，又能保證無線數據能夠可靠的傳輸。通過測試，系統無線數據傳輸率可達450 kbps，系統采樣率最高可達300 kHz，其采樣頻率、無線數據傳輸率對回收場地內一定厚度土壤的穿透性等滿足實驗的要求。

無線彈載測試系統具有微體積，微功耗，傳輸距離遠，數據傳輸率高，對非屏蔽作用的物質具有一定穿透性等特點。本系統可廣泛應用于采集有害環境中的溫度、氣壓等參數，只需在信號輸入端接入相應的傳感器，具有一定的實際應用價值。

［1］張清爽.彈丸侵徹裝甲鋼板過載特性數值模擬［J］.彈箭與制導學報，2009，29（4）：133-135.

［2］劉立軍，祖靜，范錦彪，等.動能子彈侵徹鋼板加速度測試與分析［J］.傳感器與微系統，2010，29（6）：15-17.

［3］SILICON Laboratories.C8051F34x數據手冊［OL］.http：∥www.silabs.corn.

［4］李文仲，段朝玉.C8051F系列單片機與短距離無線數據通信［M］.北京：北京航空航大學出版社，2007：183-184.

［5］2.4G無線射頻收發芯片Nrf24l01手冊［OL］.bbs. gonkong，com/D/201204/430766-1.shtml

［6］李敏，孟晨.并行接口鐵電存儲器FM1808及其應用［J］.國外電子元器件，2004（3）：36-39.

Wireless Transmission Technology Research Based on Fuze Acceleration Data

YANG Ru1，WANG Li1，LIAN Yunfei1，ZHANG Zhi2
（1School of Mechatronics Engineering，North University of China，Taiyuan 030051，China；2The 601st Institute of the 6th Academg，CASIC，Huhhot 010076，China）

Data collection wireless transmission system was designed for solving the problem of inconvenient operation and complex recycling process of onboard storage test system.The C8051F340-based system uses piezoelectric acceleration sensor with combination of FRAM chip，taking nRF24L01 as a wireless transceiver chip for antenna design and circuit matching.According to experimental verification，data transfer rate is up to 450 kbps.When open distance is as far as 90 m，data can still be transmitted reliably.It can penetrate well in unshielded objects such as concrete and aluminum products with certain thickness.The maximum thickness for concrete penetration is 3 m. Accurate data was received by the dynamic simulation system with measurement error less than 1.5%.It meets the requirements.

C8051F；piezoelectric acceleration sensor；penetration；wireless transmission

TJ01

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.019

2015-02-08

楊茹（1991-），女，山西運城人，碩士研究生，研究方向：機電控制系統。