可回收彈載記錄儀系統的設計與實現

王 彪，李永紅，岳鳳英，王恩懷

（1.中北大學儀器與電子學院，山西太原 030051；2.中北大學電氣與控制工程學院，山西太原 030051；3.山西科泰航天防務技術股份有限公司北京分公司，北京 100085）

彈載記錄儀作為導彈武器系統研制中必需的測試設備之一，其主要作用是采集、存儲和復現導彈各部件在發射和飛行過程中的各種信息參數[1]，為后續工作的開展提供依據。

隨著武器系統的不斷升級，針對導彈的測試環境、測試要素和測試數據的回讀分析提出了越來越多的要求。而傳統的記錄儀往往會因為功耗大、存儲小、采集通道少等問題無法滿足武器研制周期中多次測量的要求[2-6]。又由于彈體工作環境惡劣、沖擊強等特點，彈載記錄儀還經常暴露出回收成功率低的問題[7-12]。而且記錄儀回讀到的采集數據往往還需要依靠第三方軟件分析，很難得到大范圍的推廣。

針對以上問題，文中提出一種通用彈載數據記錄儀設計。ARM 芯片作為系統的控制芯片，FPGA芯片負責對信號的采集與存儲。其具有12 路模擬信號和8 路數字信號的采集通道，可自定義采集時長，斷電自動保存信息，待機時間長，可擦除重復使用存儲體，可抗高過載，記錄儀回收后可與上位機建立通信，能有效復現導彈系統的工作過程，利于發現問題、診斷故障，減少研制周期與成本[13]。

1 系統功能模塊設計

系統的硬件功能結構如圖1所示。整個系統主要由數據采集模塊、記錄儀控制模塊、數據采集與存儲控制模塊和存儲模塊組成。記錄儀控制模塊負責電源管理、通過USB 接口實現與上位機的信息交互。數據采集模塊負責將輸入信號分壓、濾波、補償成便于采集存儲的穩定信號。數據采集與存儲控制模塊負責驅動管理數據采集模塊，最終將調理好的輸入信號轉變為數字信號以便于存儲。存儲模塊為一塊非易失閃存存儲器，存儲采集到的有效數據。

圖1 系統的硬件功能結構

1.1 采集原理

采集工作主要由數據采集模塊完成，FPGA 作為數據采集與存儲控制模塊的主芯片，控制采集工作的進行。采集電路由RS422 總線數據采集電路和模擬數據采集電路組成，其中9 路模擬輸入通道在輸入端采用分壓限幅設計，以保護后端器件，最大可輸入40 V 的電壓。后經過多路復用器和電壓跟隨器輸出0～2.5 V 的信號，以提高輸入阻抗和匹配ADC的輸入。后3 路模擬量是由微加速度傳感器輸出的X、Y、Z軸加速度信號，經過溫度補償和信號放大電路后，輸出0～2.5 V 的信號，后端可根據AD 值計算得出侵徹過載信號。上述模擬量經RC 濾波電路輸入至四通道的12 位模數轉換器，如圖2 所示，系統輪詢轉換4 路ADC 通道，將其轉化為數字量，當結束一路模擬通道ADC 采集之后就立馬控制多路復用器切換到下一通道，使整個采集時序不會產生沖突。RS422 數字信號經防護后由RS422 收發器轉換為數字電平，并由FPGA 完成串并轉換。最后模擬和數字數據經FPGA 緩存后被存儲到存儲模塊中。

圖2 模擬信號處理電路

系統的數據來源有9 路的模擬量，3 路的侵徹過載信號和8 路數字總線數據。其中模擬量的采樣頻率固定為1 ksps，可將用不到的模擬通道接地。侵徹信號為系統內侵徹傳感器輸出的模擬量，固定采集頻率為50 ksps。數字量的波特率可根據需要在上位機上選擇8 種不同的波特率。典型數據量統計如表1 所示。

表1 數據量統計

以典型數據負載620 kB/s 來計算，單次200 s 的采集時長，產生的數據約為122 MB，為滿足記錄儀能完成8 次采集，存儲空間不能低于976 MB，另外有校驗數據、數據幀的標識數據和用于功能執行所開辟的寄存器和緩存空間，該方案選用了16 Gbit 容量的NAND Flash 存儲器，寫入速度2～3 MB/s，讀取速度11 MB/s 左右。在數據采集傳輸和數據存儲的速度上不存在瓶頸，滿足了存儲容量和速度要求。

1.2 運行時序

采用低功耗的ARM 芯片STM32L052 作為記錄儀控制模塊，來控制整個系統的工作，負責數據記錄儀在聯調、總裝、飛行測試過程中的功能運行與狀態轉換。整個系統有3 種工作狀態：調試狀態、工作狀態、待機狀態。初上電時，系統首先檢測電源來源，由USB 5 V 接口接入時，系統進入調試狀態與上位機完成信息的交互；在電池(4.2 V)或24 V 供電下，為實現低功耗，系統會進入待機狀態，只有控制模塊工作，降低系統的整體功耗；一旦檢測到觸發信號的接入，控制模塊為數據采集模塊、數據采集控制模塊及存儲模塊上電，完成采集存儲任務，當達到用戶規定的采集時長時，系統自動停止工作并重新進入待機狀態。系統運行時序圖如圖3 所示。

圖3 運行時序圖

在調試模式下，記錄儀由上位機供電，不需要考慮功耗問題，在待機和工作狀態下的功耗如表2所示。

表2 各狀態下的功耗

為保證記錄儀進入待機狀態96 h 后，啟動工作后應能正常記錄至少8 次數據，每次不低于200 s，在預估電源效率72%的基礎上，選取電池電壓為4.2 V，容量為2 000 mAh。

考慮到系統在運行狀態下遇到高沖擊的環境時可能會造成供電電源不穩或斷電的情況，為能采集到斷電后的20 ms 的高過載數據，續航電源采用了耐壓值為5 V，0.1 F 的法拉電容，經驗證續航電容可讓斷電后記錄儀繼續工作1.6 s。

2 結構設計

考慮到彈載記錄儀在使用中承受上萬個重力加速度的沖擊，為確保回收后記錄儀功能的完整性，其防護結構必須優良，其也是記錄儀可回收性的重要保證[14]。整個記錄儀采用雙層殼體防護設計，外層為特種鋼，能保證記錄儀在落地瞬間受外部沖擊時內部電路不受到損壞。內層為高強度鋁殼，既能減輕工裝重量，又能緩沖外層結構所帶來的沖擊力。內層中電路和存儲體填充高強度的環氧樹脂，保證記錄儀在使用過程中不會因結構因素而引起故障。沖擊過載傳感器置于外層殼體內部頂端，用于感知彈體在發射和前進過程的沖擊過載，傳感器和內部電路通過導線相連，中間使用環氧樹脂加固固定。外層殼體開出兩個窗口，可將內部電路的甩線引出來，其中數據下載窗口引出USB 線和調試線，用于下載數據和調試工作。數據輸入窗口作為外部的模擬數據和數字數據的輸入窗口。

為驗證記錄儀結構的抗高過載性，對記錄儀的內層殼體和灌封后記錄儀整體分別做了沖擊過載試驗。在前期將記錄儀內殼和內部電路使用環氧樹脂灌封后進行馬歇特錘擊試驗，來模擬彈體在落地瞬間的高沖擊。試驗裝置如圖4 所示。

圖4 馬歇特錘擊試驗裝置

整個試驗使用標準加速度傳感器對記錄儀3 個方向的沖擊值進行檢測，每個方向從3 000 g 開始，依次增加5 000 g，累計增加至33 000 g，并每次錘擊試驗之后，對記錄儀其進行測試和檢查，確保記錄儀無機械損傷且采集、存儲、讀取和調試工作正常。

后期對記錄儀整體進行炮射實驗，使用加農炮炮射記錄儀打靶，讓其穿過12 cm 厚的鋼筋混凝土墻壁，出膛速度在340 m/s 左右[15]，撞擊墻壁的沖擊在30 000 g 以上。得到的記錄儀飛行方向，即X軸的波形數據如圖5 所示。由圖可知，記錄儀在65 265 ms左右的時間，開始發火出膛，經過2～3 ms 之后，記錄儀遇到墻壁，整個彈體的飛行速度瞬間大幅減少，沖擊過載峰值達到30 000 g。

圖5 記錄儀X軸過載數據

通過錘擊和打靶試驗表明，采用雙層殼體防護和環氧樹脂灌封設計，能有效提高記錄儀的抗高沖擊過載能力，在面臨30 000 g 的高沖擊時也能正常穩定工作且數據完整不失真。即使回收后記錄儀USB 接口因沖擊導致功能喪失。設計中預留了備用的數據回讀方案，可將彈體切開，取出單獨防護的內部存儲體，通過專用的讀數盒連接存儲體的芯級接口，實現數據的回讀。提高了記錄儀的回收成功率。

3 系統軟件設計

系統架構基于ARM+FPGA，微控制ARM 芯片負責控制系統工作狀態切換以及通信，FPAG 芯片負責數據的采集與存儲。整個系統工作的流程框圖如圖6 所示。

圖6 系統流程框圖

整個系統根據不同電源的在位狀態和觸發信號來切換系統的工作狀態，若電池供電則進入低功耗狀態等待觸發信號的到來，若USB 5 V 供電，系統配置USB 接口，準備接收上位機發送的命令。有觸發信號時，系統會為所有功能模塊上電，首先從Flash 存放參數配置區域中讀取工作參數，配置數字量的波特率、當前溫度所對應的補償值，以及根據當前Flash 中壞塊地址、已用地址和剩余地址計算出本次采集數據所要存放的區域。系統在初始化工作完成之后，由FPAG 生成數據采集時序。FPAG 具有高速并行的特點，可實現數模采集通道同時執行。在FPAG 內部開辟出兩塊緩存區域，緩存一是將獲取到的數據在FPAG 器件內采用FIFO 和雙端口RAM 進行臨時存儲，其中9 路模擬量共用一個深度為4 096字節的FIFO，3 路侵徹信號和8 路數字量各有一個深度為4 096 字節的FIFO，FIFO 讀控制均采用半滿讀取策略，每一FIFO 數據編幀后以地址遞增順序將2 048 字節為單位寫入雙端口RAM；待雙端口RAM有效數據達到4 096 字節后，以頁為單位寫入Flash中。緩存二采用深度為4 096 的雙端口RAM，主要用于調試狀態下，上位機軟件執行配置參數寫入和讀取、Flash 數據塊目錄讀取、數據塊讀取的過程，相關數據均由緩存二暫存，以與Flash 頁大小匹配。

3.1 通信協議

為保證記錄儀在調試階段以及回收前后信息傳遞的完整性和正確性，制定了上位機軟件和記錄儀之間的通信協議，規定信息的傳遞以幀為單位，在通信路徑上所有的指令和數據的傳輸都嚴格遵循此幀格式。

如圖7 所示，幀格式包括幀頭、數據長度、幀ID、幀計數、本幀數據和檢驗和。幀ID 來區分數據幀和指令幀，依次遞增的幀計數表示數據幀的個數，數據域為指令和數據的實際內容，是幀格式中最重要的內容，校驗和為本幀數據16 位數據相加之和。其中幀頭、幀ID、幀計數和校驗和的存在保障了整個數據的確定性、完整性和正確性。

圖7 通信幀格式

上位機發送來的指令，記錄儀將幀格式中數據域的指令解析成一條條接口命令字，按照順序執行命令。記錄儀中開辟了17 個寄存器內存，對應接口命令字中的尋址目標，記錄儀通過命令字改變各個寄存器值，各功能模塊通過讀取寄存器值來實現不同的操作。記錄儀在執行命令完成之后會返回用戶所需要的數據，若出現指令執行失敗的情況，記錄儀反饋執行失敗的接口命令字，便于用戶和調試人員方便定位問題所在。讀取回來的部分數據如圖8所示。

圖8 讀取回來的原始數據

3.2 上位機軟件

上位機軟件實現的功能包括擦除Flash，獲取Flash 壞塊數目、數據塊目錄、工作參數和采集到的數據，記錄儀工作參數的配置，工作時長的定義，記錄儀電池容量的讀取等。上位機軟件可完成對Flash數據的處理分析、數據二維曲線顯示功能，數據也可導出為TXT、EXCEL 格式的文件，便于利用第三方軟件進行數據分析。

在調試階段，使用記錄儀采集導彈引信工作過程中所產生的模擬量，上位機讀取解析數據，顯示出部分模擬量波形如圖9 所示。其中曲線1 為引信的供電電壓28 V。曲線2 為解保電容充電和放電的工作過程。曲線3 為發火電容充電過程。曲線4 的下降沿表示隔爆機構解除隔爆，爆炸序列對正。曲線5為發火指令的給出[16]。為方便進一步分析數據，該顯示界面可任意放大或縮小波形，也可任意取點坐標，方便計算周期和幅值大小，也可以劃區域取區間數據的最值和均值。

圖9 波形顯示

利用軟件計算部分模擬通道中的均值與實際引信信號對比精度如表3 所示。相對誤差均穩定在2%以內，數據的波動噪聲在40 mV 以內，可滿足記錄儀對采集數據高精度的要求。

表3 實際值和測量值對比表

4 結束語

系統基于ARM+FPGA 進行總體方案設計，對系統功能進行合理劃分，發揮出ARM 芯片的靈活控制和FPGA 的高速采集的優勢，能同時滿足低功耗和高精度采集的要求；采用有效的結構防護，抗高過載能力可達三萬重力加速度；完善的通信協議以及上位機軟件，保證了數據準確可靠的回收。該記錄儀操作簡單，性能穩定可靠，能夠滿足實際工程的需要。