爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測(cè)模塊

解 煜，孫發(fā)魚(yú)，白瑞青，駱海濤

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測(cè)模塊

解 煜，孫發(fā)魚(yú)，白瑞青，駱海濤

(西安機(jī)電信息技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

針對(duì)新型武器彈藥在研制試驗(yàn)和演習(xí)訓(xùn)練中爆炸瞬間的強(qiáng)電磁干擾導(dǎo)致遙測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)發(fā)出問(wèn)題，設(shè)計(jì)了爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測(cè)模塊。該模塊遠(yuǎn)程無(wú)線發(fā)送指令控制采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，避開(kāi)爆炸產(chǎn)生的電磁干擾后，以“快記慢發(fā)”的方式將測(cè)試數(shù)據(jù)送回接收站。仿真實(shí)驗(yàn)表明，該模塊具有抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低、靈活性高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足對(duì)爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試提出的特殊需求。

爆炸威力場(chǎng)；測(cè)試；遙測(cè)；記憶重發(fā)；快記慢發(fā)

0 引言

在新型武器彈藥研制試驗(yàn)和演習(xí)訓(xùn)練中，其爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)具有多樣性、大范圍、不可重復(fù)、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)投入大、危險(xiǎn)大、節(jié)點(diǎn)的瞬時(shí)采樣數(shù)據(jù)量大和實(shí)時(shí)性高等特點(diǎn)。爆炸場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)在爆炸發(fā)生時(shí)要受到瞬態(tài)強(qiáng)光、瞬態(tài)高溫、強(qiáng)電磁場(chǎng)破片引起的強(qiáng)沖擊波、強(qiáng)烈振動(dòng)等影響，因此對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性、實(shí)戰(zhàn)性、快速性、靈活性及機(jī)動(dòng)性提出了特殊需求。而現(xiàn)有的引線電測(cè)法[1]存在電纜布線麻煩，爆炸產(chǎn)生的電磁干擾會(huì)給信號(hào)疊加很大的噪聲等問(wèn)題；存貯測(cè)試法[2]存在無(wú)法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)效率低，事后回收裝置麻煩等問(wèn)題；現(xiàn)有的無(wú)線傳輸(如Zigbee無(wú)線通信模塊[3])雖然具有體積小，成本低及功耗小等優(yōu)點(diǎn)，但在高沖擊、高溫、高壓等惡劣環(huán)境下，傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的信號(hào)幅度衰減和誤碼率，當(dāng)采用數(shù)據(jù)包傳輸協(xié)議時(shí)會(huì)導(dǎo)致各測(cè)點(diǎn)存在測(cè)試時(shí)間不確定性等缺點(diǎn)。遙測(cè)方法在靶場(chǎng)試驗(yàn)中廣泛應(yīng)用，具有實(shí)時(shí)性、采集數(shù)據(jù)量大等特點(diǎn)，但爆炸瞬間的強(qiáng)電磁干擾導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)發(fā)出。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測(cè)模塊。

1 記憶重發(fā)和快記慢發(fā)

1.1 記憶重發(fā)技術(shù)和快記慢發(fā)

記憶重發(fā)技術(shù)是測(cè)試過(guò)程中將測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，經(jīng)延遲后重新將數(shù)據(jù)發(fā)送出來(lái)。例如將處于黑障區(qū)內(nèi)的遙測(cè)數(shù)據(jù)暫時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)，待飛行體出了黑障區(qū)之后再將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)向地面站傳送。中北大學(xué)的閆鑫應(yīng)用記憶重發(fā)技術(shù)在飛行器飛行試驗(yàn)過(guò)程中，采用記憶重發(fā)裝置，在黑障區(qū)內(nèi)記錄重要的參數(shù)，當(dāng)飛行器離開(kāi)黑障區(qū)后，將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)按一定的速度比快速重發(fā)，系統(tǒng)采用CPLD與鐵電存儲(chǔ)器[4]。西安機(jī)電信息技術(shù)研究所的白瑞青基于FPGA設(shè)計(jì)的彈載遙測(cè)記憶重發(fā)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用FPGA內(nèi)部的FIFO存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)，該記憶重發(fā)器的重發(fā)方式采用的是記滿(mǎn)重發(fā)方式，不需要系統(tǒng)提供重發(fā)命令[5]。還有為了避免炮膛屏蔽、炮口電離干擾等記憶重發(fā)技術(shù)的應(yīng)用。

在記憶重發(fā)過(guò)程中有時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)速率和重發(fā)數(shù)據(jù)速率不同，重發(fā)數(shù)據(jù)速率小于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)速率，這種記憶重發(fā)方式叫做“快記慢發(fā)”[6]。

1.2 爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)特征

爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)具有多樣性，如溫度、振動(dòng)、壓力等參數(shù)，根據(jù)新型武器彈藥的動(dòng)態(tài)參數(shù)特征和前人的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)沖擊波頻率響應(yīng)為100 kHz，振動(dòng)頻響為10 kHz，溫度頻響為1 kHz，采樣率是頻率響應(yīng)的3～5倍可完整還原信號(hào)，根據(jù)存儲(chǔ)公式計(jì)算實(shí)時(shí)存儲(chǔ)量。新型武器彈藥研制試驗(yàn)和演習(xí)訓(xùn)練時(shí)爆炸范圍大、試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)投入大、危險(xiǎn)性大，利用遠(yuǎn)程無(wú)線控制來(lái)降低試驗(yàn)危險(xiǎn)性和試驗(yàn)成本。爆炸煙霧干擾時(shí)間不定，延遲時(shí)間可由地面控制。爆炸結(jié)束后，發(fā)送速率過(guò)高會(huì)造成較大的誤碼率影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也增加了系統(tǒng)成本。

1.3 控制器、存儲(chǔ)器和無(wú)線收發(fā)芯片

器件的發(fā)展為記憶重發(fā)技術(shù)的提高創(chuàng)造了條件。目前廣泛應(yīng)用的單片機(jī)處理器有51單片機(jī)、DSP和ARM。51單片機(jī)其價(jià)格低廉、開(kāi)發(fā)技術(shù)成熟，但是其不足在于功能過(guò)于簡(jiǎn)單，計(jì)算能力有限。DSP器件偏重高端應(yīng)用領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)功能設(shè)計(jì)側(cè)重于有大量數(shù)字信號(hào)處理的場(chǎng)合，如雷達(dá)、多媒體等領(lǐng)域，不適合在數(shù)據(jù)處理量不大的小型系統(tǒng)使用。而且目前其價(jià)格較高，開(kāi)發(fā)技術(shù)難度大。ARM芯片具有體積小、功耗低和高性能的特點(diǎn)，但成本較高，也不適用于小型系統(tǒng)。AVR Atmega128單片機(jī)是增強(qiáng)型RISC內(nèi)載Flash的單片機(jī)，其采用了流水線操作和等長(zhǎng)指令的體系結(jié)構(gòu)，這種MCU對(duì)SRAM和FLASH存儲(chǔ)器分別進(jìn)行尋址的哈佛結(jié)構(gòu)極大地提高了MCU工作速度。與傳統(tǒng)的微控制器相比高10倍的數(shù)據(jù)吞吐率，豐富的中斷源極大地方便了對(duì)外設(shè)的快速配置。該單片機(jī)應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)中具有很多優(yōu)勢(shì)。

SAMSUNG公司的NAND FLASH存儲(chǔ)器由block(塊)構(gòu)成，block的基本單元是page(頁(yè))。NAND FLASH的讀取和燒錄以頁(yè)為基礎(chǔ)，基本的操作：讀取一個(gè)頁(yè)，燒錄一個(gè)頁(yè)和擦除一個(gè)塊。存儲(chǔ)和擦除速度非?？?，容量大，價(jià)格便宜。根據(jù)爆炸場(chǎng)參數(shù)特征以及采樣率，經(jīng)過(guò)理論計(jì)算數(shù)據(jù)量小于100 M Words，選擇容量512 M的FLASH足夠用。

成都億佰特公司的E34-TTL-100芯片是一款基于nRF24L01芯片的無(wú)線收發(fā)芯片，工作在2.4～2.518 GHz頻段，使用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)，功率密度高，傳輸距離遠(yuǎn)，具有自動(dòng)調(diào)頻功能，抗干擾能力強(qiáng)。

2 爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測(cè)

爆炸威力場(chǎng)遙測(cè)的關(guān)鍵在于采用記憶重發(fā)技術(shù)，避開(kāi)爆炸時(shí)產(chǎn)生的電磁干擾。針對(duì)爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)數(shù)量多、頻響高、采樣率高等特征，為降低系統(tǒng)成本、降低誤碼率，采用快記慢發(fā)方式。

本文設(shè)計(jì)的爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測(cè)模塊主要由AVR單片機(jī)、存儲(chǔ)器和無(wú)線收發(fā)模塊組成。記憶重發(fā)遙測(cè)模塊的串并接口轉(zhuǎn)換和計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)使采集編碼所得數(shù)據(jù)PCM碼流快速存入大容量存儲(chǔ)器中，計(jì)數(shù)器記滿(mǎn)8個(gè)數(shù)后發(fā)出一個(gè)指令，此時(shí)恰好將PCM 8位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換并行通過(guò)單片機(jī)I/O寫(xiě)入存儲(chǔ)器內(nèi)。無(wú)線收發(fā)模塊用來(lái)主控機(jī)命令的收發(fā)和測(cè)試數(shù)據(jù)收發(fā)，測(cè)試數(shù)據(jù)送回主控機(jī)時(shí)，單片機(jī)讀取存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)由串口將數(shù)據(jù)寫(xiě)入無(wú)線收發(fā)模塊，無(wú)線收發(fā)模塊接收到數(shù)據(jù)，模塊發(fā)射無(wú)線數(shù)據(jù)包長(zhǎng)度為29字節(jié)，當(dāng)輸入數(shù)據(jù)量達(dá)到29字節(jié)時(shí)，模塊將啟動(dòng)無(wú)線發(fā)射。主控機(jī)端發(fā)送控制指令時(shí)，控制指令長(zhǎng)度不足29字節(jié)，模塊等待3字節(jié)時(shí)間若無(wú)數(shù)據(jù)則將指令數(shù)據(jù)發(fā)出，無(wú)線收發(fā)模塊無(wú)線接收功能一直打開(kāi)。記憶重發(fā)遙測(cè)模塊如圖1所示。

本文提出的記憶重發(fā)遙測(cè)模塊與過(guò)去的彈上記憶重發(fā)器的主要區(qū)別是與主控機(jī)半雙工通信，可接收主控機(jī)的指令進(jìn)行多種操作，在傳統(tǒng)遙測(cè)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了遙控功能。當(dāng)模塊上電工作時(shí)，主控機(jī)要與從控單元互相通信，雙方進(jìn)行握手；然后主控機(jī)將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，從控單元在收到該數(shù)據(jù)后，需要立即向主控機(jī)應(yīng)答，表示已成功接收；當(dāng)主控機(jī)收到此應(yīng)答信號(hào)時(shí)，方可進(jìn)行下一步操作。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)主控機(jī)沒(méi)有收到應(yīng)答，則認(rèn)為通信失敗，則會(huì)重發(fā)此數(shù)據(jù)包直至收到應(yīng)答信號(hào)。主從單元握手通信協(xié)議如圖2所示。

該模塊設(shè)計(jì)多種操作指令：準(zhǔn)備、記錄、讀數(shù)、停止和擦除命令等，在完成一次試驗(yàn)后可遠(yuǎn)程無(wú)線控制遙測(cè)記憶重發(fā)模塊擦除存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)，擦除后等待操作指令又可以進(jìn)行下一次試驗(yàn)，有限的時(shí)間內(nèi)利用現(xiàn)有的資源可進(jìn)行多次試驗(yàn)。主控機(jī)通過(guò)無(wú)線發(fā)送控制命令遠(yuǎn)程操控從控單元，從控單元首先判斷主控機(jī)是否發(fā)來(lái)準(zhǔn)備指令，每次進(jìn)行其他操作之前都要進(jìn)行預(yù)先準(zhǔn)備過(guò)程。設(shè)計(jì)的多級(jí)指令方式使得真實(shí)信號(hào)才能可靠地啟動(dòng)存儲(chǔ)程序，一定程度上避免了誤操作給整個(gè)從控單元帶來(lái)的影響。具體的存儲(chǔ)控制單元工作流程如圖3所示。

該記憶重發(fā)遙測(cè)模塊與以往遙測(cè)模塊的另一區(qū)別是采用新器件。一、采用的AVR系列單片機(jī)是一種高性能成本低廉的微控制器；二、存儲(chǔ)器采用NAND FLASH，具有容量大，改寫(xiě)速度快等優(yōu)點(diǎn)。存儲(chǔ)芯片容量遠(yuǎn)大于所需存儲(chǔ)的測(cè)試數(shù)據(jù)量，避免數(shù)據(jù)溢出，保證了存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性。

針對(duì)傳輸距離較近的特點(diǎn)，采用無(wú)線收發(fā)模塊替代傳統(tǒng)遙測(cè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)實(shí)現(xiàn)雙向傳輸，具有成本低廉、操作方便、研發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。

3 仿真試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)記憶重發(fā)遙測(cè)模塊進(jìn)行了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)傳輸試驗(yàn)。在空曠的場(chǎng)地，主控機(jī)和從控單片機(jī)以及采集存儲(chǔ)設(shè)備相距300 m以上。為了比較，無(wú)線收發(fā)模塊采用三種空中傳輸速率，分別是0.25 Mbps、1 Mbps和2 Mbps。模塊開(kāi)始工作時(shí)先進(jìn)行上電自檢，并將存儲(chǔ)器初始化信息反饋給主控機(jī)，存儲(chǔ)器存儲(chǔ)有數(shù)據(jù)或者存儲(chǔ)器空。主控機(jī)收到狀態(tài)信號(hào)之后回饋0x11給單片機(jī)，從控模塊收到0x11進(jìn)入工作狀態(tài)，表示雙方收發(fā)正常；若經(jīng)過(guò)一段時(shí)間未收到則單片機(jī)復(fù)位初始化再次進(jìn)行握手。主從兩個(gè)單元通過(guò)握手建立穩(wěn)定可靠的聯(lián)系，雙方收發(fā)正常。爆炸前開(kāi)始工作記錄數(shù)據(jù)和爆炸后的延遲一段時(shí)間以及發(fā)送命令傳輸時(shí)間都需要留有余量，存儲(chǔ)時(shí)間長(zhǎng)短是可控的。

實(shí)驗(yàn)采用信號(hào)發(fā)生器模擬沖擊波、振動(dòng)和溫度在爆炸時(shí)的產(chǎn)生的模擬信號(hào)，在爆炸前約5 s的時(shí)間記錄數(shù)據(jù)信號(hào)由遠(yuǎn)程主控機(jī)發(fā)出，主控機(jī)發(fā)出存儲(chǔ)指令給從控單片機(jī)開(kāi)始工作，對(duì)沖擊波、振動(dòng)和溫度多路信號(hào)同時(shí)采集，記錄時(shí)間大于實(shí)際爆炸時(shí)間以保證爆炸數(shù)據(jù)的完整性，分別記錄不同的時(shí)間后主控機(jī)發(fā)送停止命令，存儲(chǔ)器停止工作進(jìn)入單片機(jī)睡眠狀態(tài)，以降低功耗。等待一段時(shí)間(實(shí)際爆炸時(shí)煙霧散去時(shí)間)，主控機(jī)發(fā)送讀取數(shù)據(jù)命令喚醒單片機(jī)將存儲(chǔ)數(shù)據(jù)送回主控機(jī)。進(jìn)行一次存儲(chǔ)數(shù)據(jù)后，在無(wú)線收發(fā)芯片三個(gè)空中速率下進(jìn)行了多次傳輸試驗(yàn)，數(shù)據(jù)平均接收誤碼率如表1所示。

表1 不同空中速率下的接收情況

由上表可看出距離300 m時(shí)傳輸速率0.25 Mbps、1 Mbps和2 Mbps時(shí)傳輸誤碼率均在遙測(cè)指標(biāo)10-3要求內(nèi)。第四組標(biāo)星號(hào)數(shù)據(jù)是在增大傳輸距離為500 m時(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，此時(shí)誤碼率明顯增大，傳輸速率過(guò)高會(huì)影響接收數(shù)據(jù)誤碼率。無(wú)線收發(fā)芯片的傳輸距離和傳輸速率是有一定的聯(lián)系，選擇傳輸速率為0.25 Mbps時(shí)傳輸時(shí)間已滿(mǎn)足測(cè)試要求，同時(shí)傳輸距離也會(huì)增加。

模塊實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，準(zhǔn)實(shí)時(shí)性的將數(shù)據(jù)送回地面，滿(mǎn)足爆炸場(chǎng)瞬間采樣數(shù)據(jù)量大和實(shí)時(shí)性高的要求，“快記慢發(fā)”的方式避開(kāi)了爆炸時(shí)延誤產(chǎn)生的電磁干擾，很好地保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。通過(guò)單片機(jī)、閃存和無(wú)線收發(fā)芯片的組合設(shè)計(jì)符合爆炸威力場(chǎng)的特殊環(huán)境，滿(mǎn)足了動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試要求，實(shí)現(xiàn)記憶重發(fā)遙測(cè)功能，并具有成本低廉、研制容易、設(shè)計(jì)靈活簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)和命令方便靈活，避免了布線和事后回收測(cè)試設(shè)備等操作。

4 結(jié)論

本文提出了爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)記憶重發(fā)遙測(cè)模塊，該模塊遠(yuǎn)程無(wú)線發(fā)送指令控制采集存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，避開(kāi)爆炸產(chǎn)生的電磁干擾后，以“快記慢發(fā)”的方式將測(cè)試數(shù)據(jù)送回接收站，針對(duì)傳輸距離較近的特點(diǎn)，采用無(wú)線收發(fā)芯片替代傳統(tǒng)遙測(cè)發(fā)射機(jī)、接收機(jī)。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該模塊具有抗干擾能力強(qiáng)、誤碼率低、靈活性高、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，可以滿(mǎn)足對(duì)爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試提出的特殊需求，可應(yīng)用到爆炸威力場(chǎng)動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試中。但該模塊仍存在著不足，如真實(shí)爆炸場(chǎng)環(huán)境下遠(yuǎn)距離傳輸問(wèn)題和天線防護(hù)問(wèn)題，擬進(jìn)一步研究試驗(yàn)解決存在的問(wèn)題。

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A Dynamic Parameters Memory Retransmission Telemetry Module for Explosive Power Field Measuring

XIE Yu，SUN Fayu，BAI Ruiqing，LUO Haitao

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi'an 710065, China)

The explosion of a new type of weapon ammunition caused a strong electromagnetic interference to the real-time transmission of telemetry data. An explosive power field dynamic parameter memory retransmission telemetry module was designed to solve the problem. The module wirelessly sent commands to control the acquisition of stored data remotely to avoid the explosion caused by electromagnetic interference. Than, the test data was sent back to the receiving station by the way of “quickly store and slowly send”. The practice showed that the module had the advantages of strong anti-interference ability, low bit error rate, high flexibility and low cost, which could satisfy the special requirements of the dynamic parameter test of the explosive power field.

explosive power field; test; telemetry; memory retransmission; quickly store and slowly send

2017-02-17

解煜(1992—)，男，陜西西安人，碩士研究生，研究方向：遙測(cè)遙控技術(shù)。E-mail：554239261@qq.com。

TJ430

A

1008-1194(2017)03-0066-04