基于单片机的微型存储式电子测压器设计

席海军，韩 华，张 瑜，马英卓

（1. 辽宁庆阳特种化工有限公司科研中心，辽阳 111002；2. 辽宁庆阳特种化工有限公司技术保障部，辽阳 111002； 3. 中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原 030051）

0 引言

膛压是各类兵器在设计、研制、生产、验收中必须测量的一个重要参数，多年来，测试界为提高膛压测量精度一直在进行着不懈的努力[1-2]。但是由于膛压变化较快、压力很高，且伴随着高温和振动，因此在其测试方法上有一定的特殊性[3]。目前广泛采用的测量方法有2种：一是塑性变形测压法(铜柱或铜球测压法)；二是引线电测法。

塑性变形测压法用专门制作的测压试件（如铜柱或铜球）在压力作用下产生的塑性变形量作为压力值的量度，因此，它只能测出膛压的最大值，无法了解整个射击过程中的膛压变化规律。引线电测法是通过在药筒底部安装压力传感器，由电荷放大器和瞬态记录仪测试记录，其特点是准确度高，可获得膛压—时间曲线，完整地反映火药燃烧规律，但要在炮身或药筒上打孔安装传感器，操作不便，特别是在产品验收时是不允许打孔的，所以应用受到限制[4]。

国内1988年研制出内置式的电子测压器，它把传感器、调理电路、采集、存储及数据通信集成在一个很小的空间内，使用时放在药筒底部，自动测量射击时的膛压变化，事后回收读取测试数据。先后研制了体积为80cm3、60cm3、38cm3的电子测压器，并在各靶场推广使用。由于火炮内弹道试验方法中要求测试仪器体积不能超过药室容积的2.5%，因此上述3种电子测压器只能用于100mm口径以上的火炮膛压测试，而国外的同类产品可以用于50mm以上口径火炮的膛压测试。

为了满足中小口径火炮膛压测试需求，赶超国外同类产品的技术水平，必需研制微小体积的电子测压器。

1 小体积电子测压器的实现

1.1 功能要求

膛压测量的测试环境十分恶劣，首先测试仪器要能承受高温、高压和高加速度[5]，量程要宽，要有良好的频率响应，同时要具有快速综合处理数据的能力[2]。其次，发射过程是不可复现的，因此要求测试仪器必须有高可靠性。再次，测试仪器还要根据试验勤务的需要与弹药一起保温。

针对膛压测量的特殊性，采用低功耗、集成度高、微型封装的元器件，通过存储测试技术[6]、低功耗设计和微型化设计研制出了体积为22cm3的电子测压器，其测量范围可达600MPa，能够承受瞬时高温，具有一定的抗冲击能力。测压器最高采样频率为125kHz，最小触发压力为30MPa，记录时间为426ms，触发压力、采样频率和测量范围是可编程设定的。可以根据实验勤务要求在膛压测试前随弹药一起保低温-40℃、高温55℃或常温48h以上。

1.2 系统组成及工作原理

电子测压器主要由高强度壳体、传感器、电路模块、电池及倒置开关组成，原理框图如图1所示。

图1 电子测压器原理框图

传感器选用的是瑞士Kistler公司的6215型压电式压力传感器。壳体采用超高强度钢制造，经热处理达到额定强度，以保护传感器及电路模块在高温高压环境下不受损坏。电池选用的是小体积低温配方的聚合物锂离子电池，能够保证电子测压器在常温、高温、低温3种温度环境下正常工作。

电路模块是电子测压器的核心部件，由电荷放大器、瞬态波形记录仪及红外接口、电源控制器等组成。瞬态波形记录仪主要由运算放大器、12位的AD转换器、RAM/Flash存储器及逻辑控制电路组成，如图2所示。

图2 瞬态波形记录仪的原理框图

为了减小电路的体积，瞬态波形记录仪没有用分立元件设计，而是采用了TI公司的高集成度、超低功耗的MSP430系列单片机，型号是MSP430FG4618。此单片机集成了丰富的片内外围模块，包括：看门狗(WDT)、模拟比较器A、定时器A(Timer-A)、定时器B(Timer-B)、支持红外传输模式的串口0、1(UART0、1)、有8个外部输入通道的12位ADC、12位的DAC、端口1～10、基本定时器(Basic Timer)等[7]。此单片机的电源电压是1.8～3.6V,有4种低功耗模式,可以根据系统的工作状态采用不同的工作模式，所有的外围模块都可以通过相应的寄存器进行控制，通过合理的寄存器设置来降低系统功耗。此单片机体积是7mm×7mm×1mm，球栅阵列封装（BGA）。

瞬态波形记录仪充分利用了单片机的片内资源，如图2所示。用运放把电荷放大器的输出电压进行放大；利用12位的ADC实现信号的采集和转换，转换出来的数字信号通过DMA控制器传输到RAM或Flash存储器中。系统触发前数据存储到RAM，触发后存储到Flash；存储器中的数据通过支持红外通信的串口输出给红外收发器，再通过读数接口读入到计算机中；比较器实现系统的内触发；定时器TB用来控制LED灯指示系统的工作状态；通过编程数据控制定时器TA改变系统的采样频率，通过编程数据控制运放的放大倍数改变系统的测试量程，通过编程数据控制DAC改变系统的触发电平。

系统的工作状态如图3所示。工作过程如下：系统接通电源后初始化，在此状态下可以对系统编程或读取上次的测试数据。然后随弹药一起保温，保温时间最长可达72 h，保温时电子测压器一直是微功耗的。在射击试验前，将弹药倒置，利用倒置开关使电子测压器从微功耗态进入到等待触发态，在此状态下，电子测压器循环采样并把数据存储到RAM存储器，此时所采集的是无压力信号时的数据，作为偏置电平记录下来；当弹丸射击时，电子测压器不断采集记录膛压信号，一旦信号电压达到设定的触发电平便进入触发态，继续采集并把数据存储到Flash存储器；当存储器地址写满后停止采样。射击结束后回收电子测压器，通过读数接口和专用测试软件将存储器内的测试数据读出，在计算机内做后续数据处理。

图3 系统工作状态图

2 系统微型化设计

系统必须具有微小的体积,主要从4个方面对系统进行了微型化设计：

（1）电路模块。全部采用低功耗、集成度高、微型封装的元器件，采用多层布线技术设计了超薄多层印制电路板，用特殊的电子装接技术完成电路的装接，再用特殊的工艺灌封。电路模块中选用集成度高、低功耗的MSP430系列单片机，极大地减少了分立元件的使用，电路模块的体积是0.56 cm3[5]。

（2）电池。选择容量大体积小的可充电的聚合物锂离子电池，电池体积是4mm×4.5mm×20mm，常温和高温环境下的容量是45mAh,低温环境下容量是30mAh，保证系统在常温、高温、低温3种温度环境下正常工作。

（3）传感器。Kistler公司的6215型压电式压力传感器性能优越，但体积较大。因此委托Kistler公司重新设计了压力传感器结构，使其体积更小。

（4）外形结构。针对系统的应用环境，设计合适的结构形状，选用优质材料，在满足强度的要求下使体积最小。微型电子测压器的外形结构图如图4所示，对在600MPa压力下壳体的受力以及位移情况进行了仿真，仿真结果如图5所示。通过图5可以看出测压器壳体单位面积的受力情况是在前端盖所开的传感器孔及另外两个孔的受力最大，大致为1.3×109N/m2,其余大部分的受力则远小于这个值。壳体材料为高强度的马氏体时效钢，可以承受高达2000MPa以上的屈服强度，壳体各部分承受的应力在其屈服极限以内。在单位面积受力最大的地方，其位移仅为0.1mm，对整个壳体影响几乎可以忽略。因此，壳体结构可以满足系统的需要。

图4 微型电子测压器三维效果图

图5 600 MPa压力下壳体受力仿真

3 系统低功耗设计

系统采用电池供电，电池容量有限，因此必须进行低功耗设计，以满足试验勤务的弹丸保温要求。除选用低功耗器件外，在时序设计中尽可能缩短大功耗器件的片选时间，使它们只在有限的时间中选中。此外，通过电源控制技术使用定时或自适应等手段减小系统功耗[8]。电源控制技术的实现一方面靠的是电路系统的设计，另一方面靠倒置开关实现。

倒置开关的作用就是控制电子测压器的上电（从微功耗态到等待触发态）。电子测压器可随弹药一起保温，保温时电子测压器处于微功耗状态，保温时弹药平放或弹丸前端朝上放置。保温结束，在射击试验前5-10 min，把弹药按非常规姿态（弹丸的前端朝下）倒置半分钟以上，通过倒置开关和电源控制器使电子测压器上电。在弹药存放时不会处于非常规姿态，弹药在运输颠簸时不会长时间处于非常规姿态，电子测压器的控制模块有电子自动识别电路，倒置开关没有连续倒置30 s以上不予上电，因此不会发生误上电的情况。

在保温时系统功耗是0.05mA，等待触发态的功耗是4.6mA，等待读数态的功耗是0.3mA。

4 靶场实测

设计的微型电子测压器在某靶场某型火炮上进行了实测实验，获得了大量膛压数据。图5是电子测压器的实测膛压曲线。电子测压器所测的数据能够真实地反映膛压的变化规律，从测试曲线中可以看出压力信号的上升时间、峰值压力值和压力信号脉宽等信息。图5中压力脉宽11 ms，上升时间2.1 ms，峰值压力414 MPa。准确可靠的膛压测试数据是评定火炮、装药结构、弹丸的弹道性能好坏的重要依据。

图5 125 mm榴弹炮膛压曲线 峰值压力414 MPa

5 结束语

采用低功耗技术和微型化技术实现了能够随弹药一起保温的微型电子测压器，该仪器体积小、无引出线、使用方便、测试精度高、可靠性高、可重复使用，能够满足57 mm以上口径身管武器的膛压测试，为膛压测试提供了测试手段，测试数据为兵器的研制和生产验收提供了重要依据，在靶场试验中推广使用必能取得良好的社会和经济效益。

[1]孔德仁.塑性测压器材准动态校准技术及实验研究[D].南京:南京理工大学,2003,1-3.

[2]孔德仁,狄长安,范启胜.塑性测压技术[M].北京:兵器工业出版社,2006:1-10.

[3]刘芮君,李新娥,李园.基于电容式应变计的膛压测试系统[J].电子测试,2011(7):54-57.

[4]刘飞,徐鹏,张红艳.电容式测压器的课题设计与仿真[J].弹箭与制导学报,2011,31(6):193-97.

[5]王卿,祖静,张瑜.基于数据融合的微型电子测压器动态校准方法[J].火炮发射与控制学报,2010(4):51-54.

[6]杨艳,祖静,张瑜.光电倒置开关及其可靠性研究[J].电子测试,2011(1):73-76.

[7]沈建华,杨艳琴,翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学出版社,2004:1-10.

[8]靳鸿,祖静.基于单片机的引信电池存储测试仪[J].探测与控制学报,2009,31(6):70-73.