无线控制的负延时存储测试方法

李亚娟,尤文斌,杨卓静,祖 静

(1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室山西太原 030051;2.中国地质调查局水文地质环境地质调查中心,河北保定 071051)

0 引言

近年来,随着冲击波存储测试技术的不断发展,将无线传输技术应用于冲击波存储测试领域已成为趋势[1]。

冲击波测试系统就是用于武器的空气静爆试验的冲击波测量,通过测量距爆心不同距离的冲击波超压值、超压持续时间、冲击波的传播速度及衰减规律,作为评价武器系统杀伤力的有效手段[2]。目前,常用的冲击波场超压测试方法有引线电测试法和存储测试法。引线电测法是将压力传感器置于爆炸测试现场,信号记录仪及计算机等设备置于远离现场的掩体内,测试信号通过电缆传输[3]。存在的问题:1)布置电缆引线费时费力;2)电起爆信号和爆炸产生的电磁干扰通过电缆引线耦合进入测试系统,常会造成误触发或带来很大的噪声[4]。存储测试法是将由传感器、适配电路、A/D转换器、存储器、控制电路、接口以及电源等组成为一个微型化测试装置置于爆炸现场,记录完毕后回收测试装备。其不足:1)无法监控测试装置状态;2)不能第一时间获取测试数据,回收过程可能存在耗时长、回收困难或意外掉电等风险。因此,本文基于存储测试、无线传感器网络等技术,提出了一种无线控制的冲击波超压负延时存储测试方法。

1 存储测试与无线控制

1.1 存储测试

弹药静爆试验时冲击波场中电磁场干扰、超高压、环境温度最高时达2 600℃左右。在这样恶劣的环境下要想保证测量仪器可靠工作,采用存储测试技术具有很大的优势。采用存储测试技术的测试装置的工作原理为:将传感器和全部外围电路放置在一个耐高温高强度的保护壳体内,只有传感器的敏感面露在外面感受被测量压力,这样恶劣的工作环境就不会影响到测试电路的正常工作;然后将整个测试装置直接放入测试环境中,信号被记录下来并存储在存储器内,记录完毕后回收测试装备。测试装置结构框图如图1所示。

图1 存储测试结构框图Fig.1 Memory test block diagram

在存储测试中,存储器是主要部件之一。常用的存储器静态随机存储器(SRAM)具有读写速度快、数据存储可靠、读写操作简单、不用擦除的优点,因此被广泛使用。但是SRAM 存在集成度较低、容量小,数据在存储器电源切断后丢失,功耗较大,数据存储速度慢、易出现存储无效区等问题。

1.2 无线控制与Zigbee网络

根据文献[5]中附录c超压场对人体杀伤判据的依据,操作人员控制处的冲击波超压应小于0.03 MPa,距爆炸中心的距离一般为几百米。若使用引线电测试法,需要布设长距离的电缆。由于测试环境的恶劣、冲击波破坏性大,现场固定和保护要求高,造成布设非常不方便。测试信号通过电缆长距离传输必然受到爆炸冲击波强火光、强冲击波场和强电离场的干扰,同时冲击波作用于信号传输电缆会因“电缆效应”产生虚假信号叠加在被测信号上引起干扰[3]。

近几年低功耗无线射频技术在物流、工业、建筑、医疗、军事等领域得到越来越广泛的应用。低功耗射频技术,最知名的就是蓝牙(Bluetooth)和ZigBee技术,其中,蓝牙技术推广较早,已经有了相当广泛的应用基础,很多消费电子设备上都有蓝牙收发装置。ZigBee技术则兴起得较晚,但是发展速度很快,特别是家电和工业自动化领域。

Zigbee无线传感器网络是由大量具有特定功能的传感器节点通过自组网的无线通信方式,相互传递信息,协同地完成特定功能的智能专用网络[6]。传感器网络结构如图2所示。

图2 传感器网络结构Fig.2 Sensor network architecture

Zigbee网络技术主要是为自动化控制数据传输而建立,每个Zigbee网络节点可支持多于30个的传感器,每个传感器可以有8种不同的接口方式。它是一种新型的应用于短距离范围内,低速率传输的无线通讯技术,与现有的控制网络标准无缝集成,主要具有功耗低、节点体积小成本低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好等特点。

2 无线控制的冲击波存储测试方法

本方法将无线传感器网络技术与存储测试技术融合,在数据采集存储的基础上,实现可靠电路同步触发、参数设置、数据传输。采用星型结构组网形式,即一个中心节点与多个无线传感器从节点相互通信的组网方式。无线控制的冲击波测试原理框图如图3所示,无线通信模块实现计算机和存储测试装置之间指令和数据的传输。

图3 无线控制的冲击波测试原理框图Fig.3 Wireless-controlled block diagram of the test shock

无线模块主节点与计算机连接置于安全距离外的控制室,主要负责对无线传感器从节点进行参数设置、同步触发与数据传输、数据处理与系统复位等控制。从节点对应连接存储测试系统,主要完成冲击波场测量的信号获取与传输,放置于爆炸环境之中。计算机是整个网络控制平台,发送各种控制指令,接受主节点数据及状态指令,并进行数据处理。

数据采集存储装置是无线传感器节点重要一环,任务是捕获目标信号。本存储测试装置使用CPLD结合单片机共同控制两片闪存,可现场实时采集、量化和存储记录冲击波波形。其原理框图如图4。

图4 数据采集存储装置原理框图Fig.4 Block diagram of data acquisition and storage device

CPLD主要用于需要同时完成的同步信号如地址发生器、时钟等的数字逻辑。单片机完成判断、运算和控制。CPLD和单片机共同控制A/D变换器、双Flash闪存存储操作。CPLD和单片机的组合实现了逻辑时序高速可靠和控制命令的简单易行。电源是3.6 Ah/7.4 V可充电电池,由稳压器转换为模拟电路和数字电路所需的5 V和3.3 V电压为各个芯片供电。NAND结构的闪存具有容量大、读写速度快、非易失、可擦除与重复性编程等优点,非常适合于数据存储。CPLD控制将数据传给无线通信模块。USB接口用于在测试中天线毁坏时,数据可以由单片机控制通过USB芯片传输给计算机。

软件编程时即为各无线从机分配好地址编号,上电后主机以广播方式对所有从机发出一组设定好的问询码,从机收到后将统一设定好的应答码和自身编号按顺序依次回传给主机,检测通信是否正常。

在引爆前计算机通过中断方式给出同步触发信号,无线主机接收到中断信号(保持200 ms)后以广播方式发送,保证触发信号的同步性。从机在接收到触发信号前保持低功耗状态等待中断信号,接收到触发信号后输出相应指令,进行判断、执行和设置参数,完成对相应的测试装置触发和采集控制。完成后无线从机进入休眠状态,以防止爆轰区电磁场对测试电路的干扰。

负延时实现原理:两片闪存存储总容量分为两个单元,被测信号未到时,存储器保持循环记录在第一个单元,储存的内容不断被擦除改写;当触发信号到来时,测试电路触发,负延迟计数器开始计数,数据转向第二单元开始进行顺序记录。负延迟长度根据设计要求确定。计数结束后地址发生器停止工作,冲击波超压压力信号得以存储。记录完毕后进入休眠状态,等待读数和擦除。负延时功能可以将触发前的一段信息有效保存,从而得到完整的超压测试曲线,以保证数据的完整性。

测试装置采集存储完毕,给无线模块一个唤醒信号,无线模块回传给主机一个包含存储完毕和该机地址编号的信号,主机按编号点名向各从机发出传回数据的命令码。从机通过外接I/O口读取存储器里的数据,然后通过SPI口发送给无线通信模块并以一定的时序控制无线模块对数据进行加密、加自身编号地址校验码、压缩等处理过程,以保证数据在传输过程中的安全性。无线主机处理后译出数据和从机地址编号信息,主控CPU将它们存入按从机编号分配好的计算机存储器空间里。

3 测试验证

本方法经实验室标定和多次模拟试验后,在靶场对云爆弹进行了冲击波超压测试工作:6套超压存储测试装置分布在3个成120°夹角半径方向上,15 m和20 m位置各方一套装置。爆心离地面高度为1.5 m,控制室距爆心250 m。其分布图如图5所示。

图5 静爆冲击波超压测点的布置Fig.5 Arrangement of static explosion shock wave overpressure measuring points

本次实验对6发云爆弹静爆进行了超压测试,捕获有效数据31条,无效数据分析原因为接插件未接触好引起误触发。表1为其中一发超压数据统计表。

图6为由数据采集存储装置捕获的20 m处1#测点和15 m处4#测点超压值数据,通过无线数据传输发送到距离爆心200 m处计算机,经过滤波等处理后的曲线。

表1 超压数据统计表Tab.1 Overpressure data tables

图6 冲击波测试曲线Fig.6 Shock test curve

1#测点峰值18.5 kPa,正压区作用时间6.9 ms,到达峰值时间为5.13 ms;4#测点峰值22.1 kPa,正压区作用时间8.8 ms,到达峰值时间为5.0 ms.。从表1可以看出相同距离的测点冲击波到达时间基本一致,由图5可以看出超压峰值基本符合冲击波衰减规律。完好的数据显示了无线传感网络技术在测试中的可靠性和实用性。实验结果表明无线控制的负延时存储测试方法可控、同步、数据完整,是十分可行和成功的。

4 结论

本文提出了无线控制的负延时存储测试方法。该方法用Zigbee无线传感器网络技术控制冲击波场中存储测试装置的触发和采集和数据传输,并使用负延时功能完整记录有效数据。解决了传统方法中布线难、干扰大、无法实时监测和及时获取数据等问题。试验表明:该方法具有操作简单,稳定可靠,低功耗,抗干扰能力强等优点。在爆炸环境恶劣的环境中能够完整存储测量数据,实现远程监控,快速检测整个系统,及时获取测试系统的的运行状况。因此,在其他爆炸测试系统领域有很好的应用前景和推广价值。

[1]时志云.近距离高速无线数据传输系统研究[D].太原:中北大学,2007.

[2]杨泽望,潘保青,孙鹏举.基于存储测试技术的强冲击波测量系统的设计与应用[J].飞行器测控学报,2005,24(3):84-88.YANG Zewang,PAN Baoqing,SUN Pengju.Design and application of powerful blast wave measurement system based on stored test and measurement technology[J].Journal of Spacecraft TT&C Technology,2005,24(3):84-88.

[3]张志杰,王代华,王文廉,等.具有无线数据传输与控制功能的冲击波超压测试系统[J].计测技术,2010(1):22-25.ZHANG Zhijie,WANG Daihua,WANG Wenlian,et al.Shock wave pressure measurement system function with wireless data transmission and control[J].Metrology&Measurement Technology,2010(1):22-25.

[4]马铁华,祖静.冲击波超压存储测试技术研究[J].仪器仪表学报,2004,25(S1):134-135.MA Tiehua,ZU Jing.Shock wave pressure measurement by memorized technique[J].Chinese Journal of Scientific Instrument,2004,25(S1):134-135.

[5]中国人民解放军第三十二试验训练基地.GJB 5212-2004云爆弹定型试验规程[S].北京:总装备部军标出版发行部,2004.

[6]孙利民.无线传感器网络[M].北京:清华大学出版社,2006.