枪弹供输弹机构加速度测试系统设计

袁月华，裴东兴，张 瑜

（中北大学 电子测试技术国家重点实验室；仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051）

转管武器的供弹方式有弹链供弹和无链供弹两种方式，其供输弹过程是一个复杂的动态系统。在此过程中枪弹运动的轨迹是一条变化的三维空间曲线。转管武器在射击过程中，若是供弹过程中出现故障，就有可能导致供弹的不及时，降低武器的工作可靠性。可见，测试转管武器在不同射速下供输弹过程中枪弹的加速度变化规律，能够为供弹阻力矩的分析、弹路线及结构优化设计提供试验数据，可以考核弹链抱弹可靠性以及改进弹链结构等。因此，准确测量转管武器供输弹过程中枪弹的空间运动参数对高射速武器的研制有着重要的意义［1］。在测试冲击加速度时，常用的是引线电测法，但这种方法操作不便，应用受到限制。本文研究的加速度测试系统具有体积小、无引出线，被安装在枪弹内，随枪弹一起运动，使用方便、测试精度高并可重复使用等特点，是一种理想的加速度测试仪器。

1 测试系统硬件设计

1.1 系统工作原理

如图1所示，测试系统由信号采集传感器模块、适配放大电路模块和单片机以及串行接口组成。

该系统采用高集成度的MSP430单片机，内部集成了丰富的功能模块资源。测量加速度信号选用某公司的M100QX型压阻式传感器，当加速度作用在压阻式加速度传感器上，使得传感器内部电桥失去平衡，产生电压差输出差动电压信号，信号经适配电路进行滤波放大和调理。该系统采用霍尔开关外触发方式，当触发信号来到，系统开始循环采样，把数据送至单片机内部A／D转换器，将模拟量转换为数字量，然后直接把数据存储到flash存储器中。当数据存满，单片机关闭A／D转换器和模拟电路电源，系统进入省电模式，完成了一次完整的测试过程。当电路回收后，可通过读数口将存储器中的数据通过红外无接触式读数读至计算机，以便后处理。

状态设计是根据被测对象的运动规律确定存储测试系统状态组织结构的过程，是实现功能设计的关键一环，是硬件设计的依据，也是建立存储测试系统的有效手段。状态设计可以使设计思想清晰地贯穿于设计和调试的始终，可以不同程度地简化原本复杂的设计过程［2］。该系统的状态转换图如图2所示。

系统接通电源后，单片机处于知更状态，等待触发信号，此时系统处于超低功耗状态。当触发信号到来后，系统开始循环采样，采样完毕，存储器计满数据后，就停止采样进入低功耗的等待读数状态。插上读数口时，开始初始化串口，使能接受和发送，开始读数。读完数之后系统进入低功耗模式4等待下一次的读数。

1.2 系统的采样策略

根据测试系统微型化和低功耗的要求，选择了TI公司的MSP430单片机，该单片机单片最高采样频率为64kHz，系统设计的采样频率要求为120 kHz，一片单片机达不到要求的采样频率，故采用两片单片机采样。由主片TA产生的脉宽调制方波信号控制主从两片单片机交叉采样，如图3所示。采用序列通道单次转换模式，在上升沿，主片3个通道同时采样，在下降沿，从片3个通道同时采样。

该系统中主、从单片机的采样频率设为60 kHz，即主从两片采样间隔时间约为16.6μs，两片单片机总的采样频率为120kHz，满足了设计的采样频率要求。这两片单片机分别对信号进行独立的采集和存储，但是两片的采样又是相互交叉的，有一定的次序，因此，两个单片机之间的时序必须配合有序，才能得到正确的结果。除了电源、地等这些连线外，两者之间还需要一些握手信号来协调工作。图4为两片之间的握手信号。

图4中各符号意义如下：

1）Onl：接通电源后，主单片机给从单片机发的上电信号，从而使从片完成其内部FLASH擦除、时钟的初始化等工作，为信息的采集存储做准备。

2）FW：此标志具有双重功能，当其判断是触发信号到来时，主片发给从片发触发标志，从片检测到此标志时，就开始将采集的数据往Flash单元中存储。

3）PWM：此信号是主单片机产生的方波采样信号，主片在其上升沿采样，从片在其下降沿采样；当采样存储完毕后，由主片取消此信号的输出。

4）CKCSH：主单片机和从单片机的此信号都连接在系统的初始化端口上，此信号的下降沿可以使系统进入待读数状态或者待编程态，等待上位机发送读数或者编程命令，进而完成对系统的操作。

5）RO1：系统采集存储完毕后，需要将数据读出，先将主片的数据依次读出，读完后，主片向从片发出此RO1信号，而后主片停止发数，从片检测到此信号后，立即向外发送数据。

6）RO2：读数完毕后，为使系统能够可重复读数，在从片将数据发送完毕后，需将系统恢复为待读数态，即在从片将数据发送完毕后，从片先恢复为待读数态，然后从片发此RO2信号给主片，从而使主片恢复为待读数态。

2 系统微型化设计

2.1 电路模块微型化

该系统测试实现微型化的关键技术有：

1）优化测试系统结构，在满足测试要求、保证功能和可靠工作的前提下，减少冗余器件，选用多功能芯片，一件多用，使系统元件减少。

2）选用了高集成、微功耗的MSP430单片机作控制。

3）采用微小体积BGA封装的芯片。

4）采用多层布线技术制版。

TI公司的高集成度的MSP430系列单片机，具有超低功耗的特点，电源电压采用1.8～3.6V低电压，活动耗电250μA／MIPS，根据不同的功能模块可以采用不同的工作模式，通过合理的编程即可以降低系统功耗。不同的MSP430系列单片机的不同型号针对不同应用领域，集成了丰富的外围模块，包括：看门狗、模拟比较器A、定时器A、定时器B、串口 0、1、8 路 10／12／14位 ADC、12位的DAC、6个端口和基本定时器等［3］。还具有系统工作稳定，开发环境便捷等特点。因此可见，MSP430系列单片机本身就是一个内嵌MCU的高性能数据采集系统。

2.2 电池微型化

由于加速度测试系统是独立的放置在被测装置内，不能依靠外部电源供电，故在测试系统中，采用了精选的能够满足系统抗冲击要求的小体积可充电的聚合物锂离子电池。为了减小系统的功耗，可以给系统提供较小的电压，但是这样又会减小系统的持续工作时间。应用电源管理芯片，给单片机提供3.3V［4］固定的电压供给测试系统，这样既满足了单片机正常工作的要求，又可以减小功耗。

2.3 结构微型化

加速度测试仪主要由壳体、加速度传感器、电路模块（含电池）以及霍尔开关组成。壳体用来保护传感器及电路模块不受损坏。霍尔开关实现对加速度测试仪的触发控制。微型化是测试系统的最大特点。该加速度测试仪要满足口径为14.5 mm及以上口径的各种转管武器的可靠性试验要求，测试仪被放在枪弹内，因此，整个测试系统的电路模块及电源被封装在直径17mm，长度为50mm的圆柱筒内。加速度测试仪的结构如图5所示。

3 实验结果

系统测试实验信号由信号发生器给出频率为1 kHz的正弦波，直接接到AD的一个通道上，经实验，系统完全实现触发和采样过程。图6是通过实验得到的单通道测试波形图，得到的输出与所给的输入信号完全一致，充分说明此方案是可行的。

另外将加速度测试仪连上传感器，外界给了一个加速度，通过测试仪的测试，采集到了加速度信号，如图7所示。经实验，设计的系统完全能够正常工作。配置好一个接收模块，通过操作PC机上的软件界面即可实现对采集点的控制和保存采集到的数据，便于进一步的处理。

4 结 论

该系统充分利用了MSP430系列单片机内部资源，简化了电路设计，具有结构简单、准确率高、调试方便、配置灵活、成本低和使用方便等优点。加速度测试系统体积较小，实现了微型化。通过对枪弹空间运动姿态参数、不同射速下机心加速度的测试，为高射速武器的研制提供了重要依据。

（References）

［1］杨平平，晋小莉，薄玉成.枪弹空间运动姿态存储测试系统［J］.四川兵工学报，2008，29（5）：58－59.YANG Ping－ping，JIN Xiao－li，BO Yu－cheng.Bullets space sports posture storage measuring system［J］.Sichuan ACTA Armamentarii，2008，29（5）：58－59（in Chinese）

［2］陈国荣.一种智能化压力测量仪器的设计［J］.仪表技术.2001（2）：31－33.CHEN Guo－rong.An intelligent pressure measuring instrument design［J］.Instrument Technology，2001（2）：31－33.（in Chinese）

［3］沈建华，杨艳琴.MSP430系列16位低功耗单片机原理与实践［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008：125－129.SHENG Jian－hua，YANG Yan－qin.Low－power principle and application of MSP430 16bit low－power MCU［M］.Beijing：Beijing Aeronautics and Astronautics Press，2008：125－129.（in Chinese）

［4］National Semicondator.LP5996Dual linear regulator with 300mA and 50mA outputs［EB／OL］.（2008－02－03）.http：／／www.national.com.