转管武器加速度参数测试系统设计

武 震，张 瑜，裴东兴，王惠源，惠 智

(1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.中北大学 机电工程学院，山西 太原 030051；3.山东特种工业集团有限公司，山东 潍坊 255201)

转管武器在工作中机心加速度及供输弹加速度对武器的可靠性工作有着至关重要的作用[1]。其中转管武器的供输弹是一个复杂的动态过程，在此过程中，弹体的运动轨迹是一条变化的三维空间曲线，并且在不同的射速下有着不同的运动轨迹，而机心的凸轮曲线运动用于控制转管武器的自动循环过程，其动力学性能直接影响到武器的性能，虽然根据凸轮曲线槽的几何尺寸可以从理论上计算得到机心体的加速度数值，但在实际运动过程中，由于机械结构的偏差、机构之间的间隙及不可预知的碰撞摩擦过程使得机心的加速度变化过程尤为复杂[2]。针对转管武器在机心运动及供输弹过程中加速度参数对武器的可靠性研究及强度和功耗设计有着重要的意义[3]，同时也对常用引线电测法测试不便的情况，笔者设计了一种可安装在相应位置并随机心及弹体一起运动的加速度参数存储测试仪[4]，该设备的特点是体积小、无引出线、触发方式可编程且记录位置可调节、使用方便、测试精度高及可重复使用，是一种理想的转管武器加速度参数测试仪器。

1 加速度参数测试方法及结构设计

由于转管武器的密闭、狭小空间等特殊结构，机心及弹体供输弹的加速度测试采用存储测试技术，因此要对机心及弹体进行改造。在结构设计中利用固定螺盖和定位螺栓将测试仪器套筒固定在机心端部和放在弹体内部，该设计能保证装置和机心及弹体不发生相对移动，测试过程安全可靠，其中霍尔开关可安装到螺盖表面的凹槽中，为准确判断凸轮曲线相应位置关系的外触发方式而精心设计[5]，其结构设计如图1和图2所示。

2 测试系统硬件设计

2.1 测试系统工作原理

测试系统由高强度壳体、传感器、电路模块三部分组成，其中电路模块包括模拟适配电路、系统控制电路(中心控制器、电源控制)和接口电路。

整个测试系统在中央控制器的控制下完成数据的采集和存储。该设计采用的加速度传感器是Entran公司的EGAXT3型压阻式三轴加速度传感器，当加速度信号作用在传感器上时，使其内部电桥失去平衡产生输出差动电压信号，信号再经适配电路进行滤波、放大和调理后送至单片机内部A/D对信号进行采集和保存[4]。本测试系统采用两种可编程的触发方式，一种方式为内部触发的负延迟存储方式，将触发前后的数据分别存储到RAM和FLASH中，保证在触发时刻前的数据完整及测试系统在回收过程中掉电数据不丢失;另一种方法采用霍尔开关外触发方式，当装有霍尔开关的机芯或弹体运行到指定的触发位置时，霍尔开关通过感应预设位置的磁场触发电路采集数据，并将数据直接存储到内部FLASH中，当数据存储完毕后电路进入一种低功耗的节电待读数模式，在测试结束回收后，可通过红外读数装置将测试仪器中的数据读至计算机中以便后续处理，其原理如图3所示。

状态设计是根据被测对象的运动规律来确定存储测试系统状态组织结构的过程， 系统接通电源后，单片机等待编程信号进入两种可编程触发态或读取上次测试数据状态，当编程信号来到时，系统开始上电并初始化电路时钟、ADC、DAC、Flash、DMA等模块开始工作，单片机随即进入两种待触发模式的其中一种，此时系统进入内触发RAM空间循环采样阶段或霍尔开关外触发状态[4]。一种模式是：当内触发信号没有来到时先将转换的数字量以循环覆盖方式存入内部的RAM中，当触发加速度信号来到即达到初始设置的触发加速度数值时，单片机响应中断后改变数据的存储空间，将随后A/D转换的数字量全部存入到内部Flash中并将触发前RAM中的数据导入到Flash中。另一种模式是外触发是霍尔开关在相应指定位置响应磁场信号而发出的上升沿信号，单片机通过该信号响应中断后将所有的数据存储到Flash中，两种触发方式在Flash存满后都将停止采样并进入省电模式的等待读数状态，插上读数口时开始初始化红外、使能接收及发送中断并开始读数。读数完毕后系统再次进入省电模式等待下一次重复读数。

2.2 测试系统关键技术的实现

为了解决高采样频率及试验准备和回收时间长的问题，本测试系统在对低功耗和采样频率方面进行了精心设计。

本测试系统选用了TI公司的MSP430某型号单片机，该单片机的理论计算最大采样频率为64 kHz。为了满足加速度测试的120 kHz采样频率，设计了一种双单片机利用 稳定PWM波轮流采样的方法[6-7]。该方法利用主单片机TA产生的预设脉宽PWM方波，使两片单片机在方波的上升沿和下降沿轮流采样。此时系统预设主从单片机的采样频率均为60 kHz，即测试系统的总采样频率为120 kHz，其中主从两片的采样时间间隔均为16.67 μs，满足了设计要求，其示意图如图4所示。为了满足循环采样的时序配合有序，精心设计一套握手信号来配合调节采样过程。接通电源后当主片接收到编程命令时，主片通过信号1给从片发送初始化时钟、ADC、DAC等模块的命令，为采集数据做好准备，当主片检测到触发信号时可通过信号2控制从片开始存储Flash空间，当系统采集存储完毕后对存储空间的数据进行读取时先读取主片的数据，当主片数据读完时主片通过发送信号3使从片进出读数过程，当从片读数完毕后通过回馈信号4给主片表示两片读数完毕。为使数据可以重复读取，信号4同样充当系统恢复待读数状态的指令。

针对测试系统的微功耗设计采用的具体手段有：

1)选用了一款市场普遍公认的16位超低功耗的混合信号处理器MSP430作为主控制器。

2)系统工作始终采用高低速晶振交互方式。

3)尽可能减少大功耗芯片的片选时间。

4)设计了电源管理系统，给单片机提供固定的电压。既能满足单片机正常工作的需求，又可以减小功耗。系统全功耗状态下，电流消耗为5 mA左右，系统的模块工作方式及功耗如表1所示。

表1 器件的工作状态、系统时钟选择 、电路电流

3 转管武器加速度参数试验结果

3.1 模拟射速2 500发/min实测机心加速度

根据上位机对调速电机的控制，某转管武器在2 500发/min射速下的机心加速度曲线如图5所示。根据所得实测数据对机心加速度曲线的两个周期变化积分得到机心在工作时刻的速度变化曲线，并结合机芯的凸轮曲线运动在理论动力运行过程中的位移曲线分析机心的运转工况如图6所示。

3.2 模拟射速2 500发/min实测弹体供输弹加速度

某转管武器在2 500发/min射速下x、y、z轴的弹体供输弹加速度曲线如图7～图9所示，加速度测试仪器的x、y、z轴的定义如图10所示。

4 结 论

试验结果表明，该测试方法能够在理论的机心凸轮曲线运动位移下清晰地反映机心加速度及速度变化过程。每个周期的测试结果具有较好的一致性，且过渡段及斜直线段上的加速度测试结果验证了凸轮传动动力学模型的正确性，并且可编程的外触发方式为寻找凸轮曲线的相应位置关系提供了便捷。而供输弹加速度曲线能够很好地反映枪弹从弹箱中到供弹发射过程中复杂的三维运动过程，该过程无论对供弹链还是弹箱结构设计都提供了相应的数据，并且通过不同射速下试验的加速度变化情况还可为弹体空间运动姿态参数的获取及凸轮曲线槽结构的分析和改进提供依据。

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