冲击波超压无线存储测试系统研究*

2015-03-10王代华夏永乐贾振华

传感技术学报 2015年12期

翟永，翟涛，王代华*，夏永乐，贾振华，王瑞

（1.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；2.东方电气新能源有限公司，甘肃酒泉735000）

爆炸场冲击波超压测试作为评价武器系统、工程爆破的有效手段，在工程领域特别是军工领域有着重要的作用。针对爆炸冲击波测试，当前以引线电测技术和存储测试技术为主［1-4］。引线电测技术存在着布置电缆耗时耗力的问题，而且电起爆信号和爆炸产生的电磁干扰极易通过长电缆耦合进入测试系统，引入噪声甚至虚假信号。存储测试技术将传感器与小型数据采集存储模块集成一体，有效地避免了引线电测技术的弊端［5］，但在智能化方面仍显不足：比如无法实时监测测点状态，现场参数编程、数据读取缺乏灵活性，数据复现时间长等［6-9］。为克服以上两种方法的不足，研制了一种远程无线冲击波超压测试系统，并通过了靶场测试试验的验证。

1 冲击波特性及测试难点

爆炸冲击波是爆炸瞬间形成的高温火球猛烈向外膨胀、压缩周围空气形成的高压气浪。近地爆炸冲击波压力信号具有上升沿陡峭、初值高、衰减快、持续时间短等特点［7］，测试系统必须具备极快的响应速度和宽工作频带，才能保证信号不失真。

本系统主要针对大当量战斗部爆炸冲击波进行研制，测试难点主要体现在以下几个方面：①不同于小当量爆炸试验，可在距爆心几十米处的掩体内通过电缆直接操控测试仪器；大当量爆炸试验一般不允许试验人员停留在爆炸场附近，对测试仪器的实时监控和操作只能采用无线遥控。②爆炸场环境相当恶劣，要测试地面冲击波，天线及测试设备必须要小型化、高防护、嵌入地面放置；测试时为保证人身安全，测试人员需在距离爆心数公里以外的安全区域操作［10］，因此要求测试系统的无线传输距离要足够远。③天线小，而且又贴近地面，导致发送的大部分电磁波能量被大地吸收，加剧了无线信号的绕射损耗，造成通信速率和通信距离的直线下降。

2 系统原理设计

测试系统由无线主控端、中继站及多个具有无线功能的智能测试节点（无线子系统）组成，系统工作原理及现场分布状态如图1所示。在靶场实测时，子系统均布设于爆炸现场，中继站距离子系统150 m左右，无线主控端布设在2 km处，全场使用无线WIFI技术进行通信。中继站作为延长网络通信的桥梁，可使主控端在安全距离外通过无线网络实时完成对现场测试节点的调试、参数设定及状态监测；测试节点负责完成对冲击波数据的采集和存储，并将存储数据通过无线网络及时发送回主控端。

图1 无线控制的冲击波测试系统

测试节点采用存储测试原理设计［11］，主要负责完成冲击波超压信号的采集、存储和传输任务，包括传感器、适配电路、A/D转换器、SDRAM存储器、FPGA控制器、USB接口、无线模块、电源管理模块等，工作原理如图2所示。

图2 测试节点内部原理

根据冲击波压力信号的特点，选择PCB公司的113系列ICP压力传感器作为测试节点的敏感元件，该传感器响应速度快、测试精度高，非常适合冲击波压力信号的测试。测试系统的主要性能指标如表1所示。

表1 测试系统主要指标

系统工作过程：试验前，依据爆炸当量和测试距离将各测试节点分别布设于指定位置，主控端以IP地址作为身份识别代码，通过无线网络有区别地对各个节点进行参数设定，包括放大倍数、采样频率、触发电平、存储长度、负延时长度、定时时间等；参数设置完成后节点进入定时状态，自动关闭无线，系统禁止触发；定时结束后，节点进入循环采样阶段，开始全速工作；冲击波信号使系统触发后，有效数据被顺序写入存储器中；写数据完成，系统自动关闭采样模块，同时开启无线开关，主控端可以通过无线网络第一时间获知现场各测试节点的状态，并将超压数据读回。

3 关键技术

3.1 无线子系统

3.1.1 WIFI技术

WIFI符合IEEE802.11标准，是一种短距离无线通信技术，工作在2.4GHz的ISM自由频段，采用直接序列扩频（DSSS）技术［12-13］，具有传输速率快、覆盖范围广、带宽自动调整、组网便捷、扩展性好等特点，而且通过一系列的冲突避免和确认、错误重发机制保证了网络的可靠性，可为系统主控端与现场测试节点的相互通信提供良好的网络保障。

无线WIFI的组网模式有Ad-hoc模式和Infra模式两种。测试系统主控端要同时对远程的若干测试节点进行控制，故采用集中控制式网络架构，此网络由AP和无线终端共同组建，其中AP作为无线网络的创建者和中心节点，用于在主控端和测试节点之间接收、缓存和转发数据，所有的无线通信都由AP来处理和完成。无线通信时测试节点只负责接收并执行相应的指令，比如状态监测、参数设置、回读数据等；主控端负责发送指令，并接收测试节点发回的数据。

3.1.2 无线模块和AP配置

系统选用某串口转WIFI模块作为现场测试节点的无线收发模块，它支持IEEE802.11b/g/n标准，内置TCP/IP协议栈，串口波特率最高达921 600 bit/s，具有体积小、功耗小等特点。系统选用的无线AP支持IEEE802.11b/g/n标准，内置MIMO定向双极化天线，增益为10.4 dBi～11.2 dBi，AP覆盖距离远，支持客户端模式和中继模式，可与其他AP通信，延伸网络的覆盖范围，适合搭建基于WIFI的远距离无线分布式测试系统。无线模块和AP的配置参数如表2、表3所示。

表2 无线模块配置

表3 AP配置

3.1.3 上位机与无线模块通信

LabVIEW集成了丰富的数据采集、存储、分析、显示等工具包，内置了多种通信协议的标准库函数，提供了强大的传统程序调试工具和外部程序接口能力［14-15］，因此本系统的上位机以LabVIEW为开发平台，结合内置的TCP/IP协议实现与无线模块的数据通信。在LabVIEW中可直接调用TCP模块完成程序的编写，无需考虑网络的底层实现。

根据TCP/IP协议的内容和传输格式，上位机与子系统进行数据通信时要确定每个子系统的IP地址、通信源端口及目标端口，也就是套接字Socket，从而实现面向连接的端口对端口的数据通信。Socket技术有效地实现了主控端PC机与测试节点之间不同应用程序的相互通信。采用Socket连接时，主动发起连接请求方为客户端，被动接受连接请求方为服务端。本系统应用于多节点分布式测试场合，为避免多个客户端同时对服务器发起请求，发生网络拥堵现象，导致请求超时、无法建立Socket通信等问题，将测试节点的无线模块设置为服务器模式，上位机设置为客户端模式。

以读取数据为例来说明上位机与子系统无线模块的通信过程，各测试节点采集完数据后并没有立刻上传，而是暂时保存于内部存储器中，同时监听并等待接收上位机的连接请求。无线网络建立后，上位机以选定IP地址的方式对某一个或多个测试节点发起连接请求，测试节点与上位机建立Socket通信后，开始传送数据。图3为测试节点和上位机的Socket通信流程图。

图3 Socket通信流程图

3.2 提高无线通信能力的措施

针对靶场环境对无线通信的特殊要求，本文采用以下措施来增加无线网络的传输距离：①在无线模块与天线之间增加双向功率放大器，一方面将输出信号进行功率放大，得到足够大的射频输出功率后通过天线辐射出去；另一方面通过放大微弱的接收信号来提高接收灵敏度。②强大的冲击波极易对测试系统造成严重的损伤，为防止天线被冲击波毁坏，采用PCB定向天线嵌入子系统表面（图5中测试节点上表面的黑色条状物），定向天线能将天线的辐射能量集中在一个方向，增加了辐射功率的有效利用率，而且较短的电缆也减少了对射频信号的损耗。③由于测试节点全部布设于地面，大部分射频信号被地面吸收和反射，导致单个AP对测试节点的覆盖距离缩短为一百米左右，难以满足主控端对现场测试节点的远程控制要求。如果利用单个桥接器作为中继器，由于双向通信会共享带宽，通信的实际带宽分成了两半，不利于数据的高效传输。本文采用两个桥接器背靠背组成中继点，其中一个AP工作在客户端模式，作为信号接收器接收主控端AP的无线信号，另一个AP采用覆盖模式，用来对无线节点区域进行覆盖。此种模式能够有效实现无线信号的放大和延伸，使无线传输距离达到两公里，有效解决了通信距离上的问题。④通过反复试验，适度增加AP与地面的垂直距离，即将AP的物理高度增加，可有效地减少地面对射频信号的吸收和反射。

AP与上位机和无线子系统的通信原理如图4所示，AP与测试节点的通信试验照片如图5所示。

图4 系统无线通信原理

图5 现场试验照片

3.3 系统低功耗设计

测试节点内部包含了多种电路，不同功能电路的工作电压不同，为了延长系统工作时间，需要采取相应措施尽可能降低内部电路的功耗。

3.3.1 定时上电功能设计

由于测试对象特殊，试验现场的准备工作要耗费很长时间。测试节点布设完成后，测试人员需要提前撤离现场，爆炸后方可进入现场。传统的测试节点上电即开始全速工作，如果弹药爆炸前的准备工作过多，测试节点就会在长时间的等待中耗费大量电量，可能出现爆炸前电量已耗完的情况，导致测试任务失败。但是测试人员在撤离前必须给测试节点上电，本文设计了定时上电功能来解决这个问题。

测试节点上电后对其进行定时参数设定，设定完成即进入超低功耗的定时状态，只有FPGA、晶振在工作，传感器、适配电路、A/D转换器、存储器等器件都不工作，待预设时间到来后才进入全速工作模式。由于试验前的等待时间一般比较长，定时上电功能会节省大量电量，为后续的采集存储任务留有余量。

3.3.2 无线模块低功耗设计

测试节点各阶段工作状态如图6所示。测试节点布设完成后，主控端要对其进行远程监控和参数编程设定，测试节点上电的同时也打开无线开关。由于无线模块功耗较大，设置无线模块在空闲时处于低功耗状态，仅在需要发射信号时才进入正常工作状态；同时为了防止爆轰区电离场对测试节点产生影响，定时功能开启后，无线自动关闭。

图6 系统工作状态图

图6所示，测试节点工作在定时状态和循环记录状态时，主控端无法通过无线网络监测测点的状态。从定时开始到系统触发这段时间，无线处于关闭状态，一方面尽可能降低系统功耗，另一方面可防止爆轰区电离场对系统产生影响。弹药爆炸后冲击波使系统内触发，该触发信号作为开关信号使测试节点进入顺序记录状态，同时开启无线功能，无线网络重新建立后，主控端便可通过无线监测各测试节点状态、读取记录数据。

4 试验验证

为了评估本系统的可靠性，对某弹的静爆试验进行了冲击波测试。参照相关国军标［16-17］要求，测试节点距爆心径向分布于30°和120°两个方向，测试距离分别为30 m和60 m。测试节点敏感面向上，与地面平齐，弹药放于高0.5 m的铁架上。测试节点布设完成后，主控端通过无线网络对其进行定时时间、放大倍数、采样频率、存储长度等参数的设置，爆炸结束后远程监测各测点状态，并将测试数据读回。

图7给出了本系统记录的30 m和60 m处的地面冲击波曲线，数据统计情况如表4所示。

图7 冲击波曲线

表4 试验数据统计

从试验结果可以看出，随着测试距离的增大，冲击波超压峰值递减，正压持续时间却增大，说明冲击波速度在随着传播距离的增加逐渐衰减；由于测试场地的不平坦，相同距离的测试节点捕获的冲击波数据相差较大，真实反映了地面爆炸冲击波的传播规律。

5 结论

与传统的冲击波测试系统相比，该系统具有数据捕获率高、数据准确、无线通信距离远、操作方便、功耗低、可靠性高等突出优点。测试人员可通过无线WIFI远程监控布设于爆炸现场的测试节点状态，设定参数和回读数据，极大提升了测试的智能性，节省了大量的现场准备时间。多次靶场实测试验表明，本系统数据捕获率高、工作稳定可靠，可为各类弹药的科研试验提供数据依据，在军工测试中具有良好的应用前景。

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