引信加速度信號測試儀設計

馬強，沈大偉*，馬鐵華，馮衛國

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；3.遼沈工業集團有限公司，沈陽110045）

引信加速度信號測試儀設計

馬強1，2，沈大偉1，2*，馬鐵華1，2，馮衛國3

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原030051；2.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051；3.遼沈工業集團有限公司，沈陽110045）

為了準確獲得引信在彈丸運動各個階段的加速度信號，設計了一種可置于彈丸引信處的加速度測試儀，使用單片機和CPLD作為控制器，基于乒乓存儲原理和負延遲理論，使得測試儀性能得到很大提高。通過靶場實驗實測數據表明，測試儀能夠成功獲取引信發射及飛行過程的三軸加速度曲線，對于引信、彈丸和火炮的設計和研究具有重要意義。

存儲測試；彈載測試儀；乒乓存儲；負延遲；引信加速度

武器系統的發展，要求能夠更加準確地獲取各種動態參數，其中引信在彈丸運動各個階段的加速度信號便是一個重要的被測值，是引信設計、研制、故障分析的重要依據。引信作為重要的彈載機構，其測試環境具有高溫、高壓、高沖擊和強電磁干擾等特點［1］，這些特點使得引線測試和遙測等測試手段無法正常工作，因此設計了基于存儲測試技術的彈載測試儀［2］，其無需引線且具有良好的電磁兼容性，能夠置于彈丸內部，隨彈丸一起運動，記錄引信在彈丸運動的各個過程的加速度信號［3］。

以往的測試，我們選用專用的集成芯片，例如HB0202等，在試驗中也獲取了相應的加速度信號［4］，但也暴露出專用集成芯片的不足，如性能不穩定、不易調試、生產成本高等缺點，因此本文提出了基于低功耗、高集成度的CPLD芯片和AVR單片機的彈載測試儀，測試儀還采用了乒乓存儲和負延遲技術以提高其性能。

1　總體設計

火炮發射過程中，膛內環境比較惡劣，膛內溫度可高達幾百度（℃），發射藥所產生的高膛壓可達到300 MPa左右，產生的彈丸加速度峰值可達到10 000 gn以上，脈寬十幾毫秒，要在如此惡劣的測試環境中獲得有效信號，就必須對測試儀進行有效防護，采用環氧樹脂對電路模塊進行灌封，設計高強度殼體，并在殼體與電路模塊間加入緩沖材料，可提高測試儀存活性。

查閱相關資料可知火炮膛內被測有效信號的最高頻率為幾kHz量級，因此擬采用總采樣頻率為400 kHz，分4個通道對引信加速度信號進行采集，彈丸從發射到落地運動時間大約在1 min左右，使用兩片容量為128 Mbyte的NAND Flash進行存儲可滿足數據容量要求。

測試儀系統由電路模塊、傳感器、電池、灌封結構和金屬外殼等組成［5-7］，其原理圖如圖1所示：其中傳感器陣列為相互垂直安裝的3個加速度傳感器，高強度殼體及灌封材料用于保護電路模塊。

系統的工作原理為系統上電后為循環采樣狀態，加速度信號經模擬電路調理后進入A/D進行轉換，并與設置的觸發閾值比較，達到觸發條件電路觸發，保存負延遲區域數據，并記錄觸發后數據，直到記錄完成，進入低功耗狀態，等待回收。電路模塊與計算機之間采用USB通信，回收后可將采集到的數據通過USB傳輸到上位機。

圖1　系統原理框圖

2　設計原理

2.1乒乓存儲原理

為提高采樣頻率和存儲容量，本系統使用兩片K9F1G08U0B實現乒乓存儲，主控制器、從控制器、A/D及兩片Flash的連接框圖，如圖2所示。

AVR單片機是使用RISC指令集并且具有哈佛結構的高速單片機，主要的功能為控制從處理器的工作狀態、實現NAND Flash的讀寫和擦除等操作、控制A/D采集等；CPLD具有功耗低、體積小、可靠性高等特點，且具有強大的邏輯處理能力，在本系統主要用于地址產生、時鐘分頻和數據轉換等，并作為AVR單片機與NAND Flash之間雙向通信的接口。

NAND Flash的乒乓存儲原理如圖3所示。

圖3　乒乓存儲原理

由圖3可知，在其中一片NAND Flash寫數據的過程中，另一片在進行塊擦除和頁編程，這樣兩片NAND Flash交替存儲，能夠提高系統工作效率和采樣頻率。要求采集到的數據不丟點，即能夠全部存進Flash中，則數據寫入Flash數據寄存器的時間tW需大于頁編程時間tPROG和塊擦除時間tBERS的和，

其中C為Flash數據寄存器容量，fs為采樣頻率。

查閱K9F1G08U0B芯片資料可得tPROG的典型值為0.2 ms，tBERS的典型值為1.5 ms，C為2 kbyte則可計算出理論最大采樣頻率為602 kHz，要采集三軸加速度曲線，可分為4個通道采集，則每個通道理論最大采樣頻率為150.5 kHz，可以滿足本設計每通道100 kHz，四通道的采集要求。

2.2負延遲技術

為了能夠獲取完整的加速度曲線，要求測試儀不僅僅能夠記錄觸發后的數據，還要記錄觸發前的數據，因此采用了負延遲技術，即將整個存儲空間分成兩個區域，負延遲區域和觸發后存儲區域［8-9］，系統上電沒觸發前，在負延遲區域循環采樣，寫滿負延遲區域后擦除閃存，再重新寫入，當達到觸發閾值后，從觸發點地址開始寫入，直到寫滿Flash，進入低功耗狀態，等待讀數，負延遲原理如圖4所示。

圖4　負延遲原理

2.3主控制器程序設計

AVR單片機作為系統的主控制器，上電后初始化整個系統，進入負延遲循環采樣狀態，等待軸向加速度信號達到觸發閾值，開始從觸發地址依次寫入數據，寫滿存儲器則進入低功耗狀態，等待計算機讀數，單片機程序流程圖如圖5所示。

圖5　單片機程序流程圖

3　微體積和低功耗設計

彈載測試儀要裝在彈丸引信處，由于引信處空間狹小，則要對測試儀進行微體積設計。加速度傳感器選用體積為5 mm×8 mm×10 mm的壓阻式加速度傳感器，3個傳感器相互垂直安裝在Φ24×20 mm的圓柱空間內，以高強度鋁合金作為底座；電路的控制器為AVR單片機和CPLD芯片配合使用，具有集成度高、體積小、功耗低、可靠性高等特點；為了減小系統體積，采用數字電路、模擬電路、電源管理電路分開設計在不同電路板上的方法，各個電路板之間使用柔性導線相連，各個電路板之間加絕緣材料相互疊加在一起可以實現三維空間的微體積。

由于受到體積的限制，測試儀的電池容量就不可能太大，因此對體積要求較嚴格的彈載測試儀進行低功耗設計能夠延長記錄儀工作時間，確保數據安全有效。

首先，記錄儀選用低功耗的CPLD芯片和AVR單片機作為處理器，其次，在各個不同工作狀態中僅必要模塊供電，其他模塊不供電，以減小功耗，系統在各個狀態電源管理情況如圖6所示。

圖6　系統電源管理

在電源接通未上電狀態，數字電源VDD和模擬電源VSS都不供電，只有上電開關供電，功耗很低；當上電開關ON端檢測到高電平，整個系統上電，進入采樣狀態，此時系統的各個模塊都在工作，功耗最大；當檢測Flash存滿后，單片機發送TC信號，使整個系統進入低功耗狀態，此時只有Flash、CPLD、單片機在供電，晶振、模擬電路、傳感器等都已下電，減小功耗，等待回收；回收后，使上電開關OFF=1，則系統下電。

此系統使用40 mAh和80 mAh兩組電池供電，互為備份，增加電源可靠性，理論上在采樣狀態可以工作2 h，而系統從觸發到存儲器存滿時間最長為6 min，因此可以安全有效的工作，進入低功耗狀態可以堅持10 h，等待回收讀數。

4　試驗及結果

將加速度測試儀裝在彈丸引信處，進行靶場射擊試驗，最后回收彈丸，拆下測試儀，回收的測試儀如圖7所示，從圖中可以看出，測試儀頂部有很大磨損，為落地與土壤摩擦所致，但整個測試儀完好，測試儀獲取了引信在彈丸運動各個階段的加速度信號，由于篇幅所限，這里僅截取膛內及出炮口處的加速度信號如圖8所示。

圖7　回收的加速度測試儀

圖8　膛內及炮口處引信加速度信號

從軸向加速度曲線看（軸向加速度定義為彈軸方向），膛內部分加速度信號最大峰值為12 110 gn，脈寬大約為14.5 ms，在炮口處，出現了比較大的高頻振蕩，正向峰值超過30 000 gn，負向峰值在20 000 gn左右，此時彈丸剛飛出炮口，火藥氣體壓力突變，引起彈丸-引信-加速度傳感器系統的自激振蕩［10-13］，出現比較大的振蕩加速度，很可能引起引信的失效。

從兩個徑向加速度加速度曲線看，膛內部分，兩個徑向加速度的正負峰值在2 000 gn左右，在炮口處也出現了比較大的震蕩，正向峰值在7 000 gn左右，負向峰值在4 000 gn左右，此沖擊加速度也很有可能引起引信內部機構的誤動作。

對軸向加速度曲線進行積分，可以得到速度曲線，如圖9所示，從曲線上看最大速度為922 m/s，出現在彈丸處炮口處，而從靶場處得到的雷達測得的彈丸炮口速度為931 m/s，可見兩者吻合的較好。

圖9　軸向加速度積分曲線

5　結論

本文設計了基于AVR單片機和CPLD芯片的引信加速度信號測試儀，具有體積小、功耗低、可靠性高等特點，靶場實驗數據表明，測試儀能夠在彈丸發射高溫、高壓、高沖擊和強電磁干擾惡劣環境下獲取引信的加速度信號，對膛內及炮口處的軸向加速度信號積分能夠比較好的與炮口速度相吻合，測得的數據對于引信的設計、研究和故障分析具有重要意義。

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馬強（1990-），男，漢族，黑龍江泰來縣人，中北大學碩士研究生，研究方向為動態測控與智能儀器，527933346@qq.com；

沈大偉（1979-），男，山西太原人，講師，漢族，中北大學博士研究生，研究方向為動態測控與智能儀器設計，bensdw@ sina.com；

馬鐵華（1964-），男，漢族，山西交城人，中北大學教授，博士生導師，主要研究方向為動態測試與傳感技術，matiehua@nuc. edu.cn。

Design of Fuse Acceleration Tester

MA Qiang1，2，SHEN Dawei1，2*，MA Tiehua1，2，FENG Weiguo3
（1.Science and technology on Electric Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China；3.Liaoshen Industries Group Co.Ltd.，Shenyang 110045，China）

In order to obtain the acceleration curve in each movement of the projectile accurately，an acceleration re?corder placed inside the projectile was designed；it used MCU and CPLD as controller and based on negative delay technique and the principle of ping-pong storage to improve its performance dramatically.The experimental testing data in shooting range showed that the tester can successfully obtain three-axis acceleration curve of fuse on projec?tile launch and flight process which had important significance for design and research of fuse，projectile and gun.

memory testing；missile tester；ping-pong storage；negative delay；fuse acceleration

TJ43；TN206

A

1005-9490（2016）02-0383-05

EEACC：7320E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.028

2015-05-21修改日期：2015-07-09