基于C8051F410的弹载信号存储系统设计

于润祥， 罗建国，胡兴志，李学哲，董长志

(华北科技学院 机电应用技术研究所，北京 东燕郊 101601)



基于C8051F410的弹载信号存储系统设计

于润祥， 罗建国，胡兴志，李学哲，董长志

(华北科技学院 机电应用技术研究所，北京 东燕郊 101601)

为准确可靠的记录弹丸侵彻硬目标时的加速度信号，提出了一种基于C8051F410的弹载信号存储系统。给出了系统的总体设计方案，该系统由C8051F单片机最小系统、加速度信号调理电路、485通信电路、存储电路、上位机读取软件组成。试验结果表明，该系统在高过载条件下能够准确可靠的记录弹丸在冲击过程中的加速度信号，具有体积小，可靠，读取方便，断电不丢失数据的特点。

存储测试；加速度信号；C8051单片机

0 引言

在弹药的研制过程中，经常需要对弹丸在弹道飞行过程中及击中目标时的各种环境信号(比如加速度信号)进行采集与存储，回收后对数据进行读取与分析，尽而对弹药的性能进行评估与改进。弹载信号存储系统作为弹药研制过程中必不可少的一项技术，可以对弹丸在发射时、飞行过程中、击中目标时等过程的信号进行实时的采集与存储，所采集的数据已成为弹药研制过程中重要的实验参考依据，对弹药的性能改进具有重要的指导意义[1]。另外，弹药上面装载了许多传感器，对传感器性能进行高过载测试，需要在接近弹药真实工作的环境下进行，同样需要弹载存储系统进行信号的采集，从而检验传感器等零部件在高过载下得响应特性。

在国内，中北大学、北京理工大学、南京理工大学等高校对弹载存储设备研究的比较多，相关研究成果已经用在了弹药的研制过程中[2-3]。由于各种弹药性能的不同，即使同一系列，不同型号对弹载存储设备的性能要求也会不完全相同，差异性比较大，目前弹载存储设备的研究还没有统一的标准，所以要根据具体弹药的测试要求进行灵活设计。

本文从某型号侵彻弹药引信系统试验测试的性能需求出发，设计了基于C8051F单片机的侵彻信号存储系统。该系统可以对弹药侵彻硬目标时的加速度信号进行实时采集与存储，试验弹回收后通过上位机软件将数据读取出来。所采集的数据对加速度传感器的性能分析、引信发火信号时序的测试以及引信系统的改进具有重要的指导意义。

1 弹载存储系统方案设计

图1为弹载存储系统的总体框图，系统分为三部分：基于SoC单片机的控制系统硬件电路、控制系统软件设计、基于VB6.0的上位机数据读取软件设计。

图1 控制系统组成总体框图

其中硬件电路是软件的载体，软件设计的好坏关系到控制系统能否准确的给出起爆信号，装定软件主要是将一些参数等传送给控制系统并读回采集的数据，因此三者之间相互配合，缺一不可。

2 控制系统硬件电路设计

硬件电路设计是控制系统的基础，其性能的好坏直接影响到系统总体的稳定性与可靠性，因此硬件电路的合理设计至关重要，图2是控制系统硬件电路设计原理框图。电荷调理电路主要对传感器输出的电荷信号按照比例转换成电压信号；单片机作为系统的主控制芯片，主要完成起爆程序的控制及发出各种控制命令；发火电路主要产生发火信号；为保证系统与上位机之间参数的传递，需设计通信接口电路；另外还需设计电源电路、数据存储电路。

2.1 压电传感器调理电路设计

压电加速度传感器的敏感元件为压电材料，其内阻很高，产生的电荷容易发生泄漏，因此需要进行阻抗变换和信号的放大[4]。

图3是设计的传感器放大电路，一般反馈电容C2选取103-104pF，反馈电阻R3取1 GΩ。R1和R2为分压电阻，主要功能是将信号的负电压部分进行抬高，运放选择MAX9636。从电荷放大器的输出端OUT_1输出的模拟电压进入了单片机内进行数字采集，另一路则进入了电压比较器电路，与电压比较器进行阈值比较，产生一路脉冲信号OUT_2，进入单片机供后续识别用。

图2 控制系统硬件电路原理框图

图3 加速度传感器信号调理电路

2.2 基于C8051F410的最小控制系统设计

作为一种片上系统(SoC)单片机[5]，本文选取C8051F410单片机作为主控制芯片，主要关心的资源有：真正12位200 ksps的24通道ADC，带模拟多路器、4个通用定时器、6个可编程捕捉/比较模块(PCA)、最多支持18个中断源、片内FLASH达32KB，RAM为2304字节、增强型的UART和SPI等接口、工作电压范围比较宽，从2.15到5.25 V都可以正常工作、高精度可编程的24.5 MHz内部振荡器，可进行倍频使用、24个I/O口、片内二线(C2)开发接口允许非侵入式，全速，在线系统调试、封装尺寸为9 mm×9 mm。图4是设计的基于C8051F410最小系统原理图。

图4 控制系统最小系统原理图

2.3 存储电路设计

设计存储电路的目的有：存储控制系统设定的一些参数；记录加速度信号及解保、发火等参数。本章选用了FM25256串行铁电存储器对数据进行存储，该芯片利用SPI接口进行数据读写，其最大读写速度可达15 MHz，容量为32 K。

图5是所设计的信号存储电路原理图，由于F410单片机内部具有硬件SPI接口，因此可以直接与FM25256的SPI接口进行连接，从图中可以看出，该电路原理简单，经过测试，信号存取准确，满足系统需要。

图5 系统存储电路设计

2.4 通信接口电路设计

通信接口的主要目的是与装定软件进行数据传输，选择RS485接口作为数据传输接口。485总线的数据传输速率可达10 M/s，可以方便的实现一主多从的通信模式。选用MAX485芯片作为通信的收发器，设计了装定软件与控制系统通信的硬件电路，如图6所示，为防止噪声干扰，在数据交换端进行了光耦隔离。

图6 通信接口电路

3 弹载存储系统软件设计

存储系统的软件设计是整个系统设计的关键。系统软件的设计分为基于C8051F单片机的数据采集程序的编写和上位机读取软件的设计。其中数据采集程序的关键是对采样频率的确定。本文设计的采集系统采用定时器中断的方式进行数据采集，综合单片机的运行速度与所采集信号的频率等因素，系统采集设定的中断时间为10 μs， 因此采样频率为100 kHz，根据奈奎斯特采样定理，可采集加速度信号的最大频率为50 kHz，由于弹载侵彻环境的信号能量主要集中在10 kHz 以内，因此所设定的采样频率满足对系统信号的准确采集。

上位机软件主要是对系统采集并存储在铁电存储器中的数据进行显示和一定的数学运算。本文在对装定软件功能需求与分析的基础上，利用VB6.0开发工具设计了引信起爆系统的上位机装定软件。利用MSComm控件通过串行端口传输和接收数据，为装定软件提供串行通信功能，与引信起爆控制系统进行数据交换。为进行数据的串行传输，要正确设置MSComm控件的属性，包括波特率、奇偶校验、以及数据发送和接受缓冲区的大小。定时器控件主要作用是定时，可以用来触发一些事件的发生。

4 存储系统测试及分析

通过对控制系统的硬件设计、数据采集程序的设计以及上位机读取软件的设计，本节将对引信起爆控制系统进行性能测试。

测试方法如图7所示，将两只灵敏度相同的压电加速度传感器安装在重锤上，当重锤垂直敲击铸铁板时，两只压电加速度传感器所产生的加速度信号可认为相等。

图7 存储测试系统测试实验平台

分别用示波器和存储系统记录两只传感器所产生的信号，并将存储系统存储的信号利用PC机将加速度信号进行读取，分别如图8和图9所示。

根据所选压电加速度传感器的灵敏度以及示波器所记录信号的最大电压峰值(1.2 V)，可知锤击所产生的最大加速度约为3000 g，冲击脉宽为150 us，同理，按照存储系统所采集的信号，3000 g的加速度信号经过存储系统后，所对应的峰值与脉宽应与示波器测量的一致。

对比图8与图9，存储系统所记录的信号与示波器所记录的信号在幅值、脉宽、波形振动特征上一致性比较好，因此所设计的存储系统达到了设计的要求。

图8 示波器所记录加速度冲击波形

图9 存储系统所记录冲击波形

5 结论

本文设计了一种基于C8051F410的弹载信号存储系统，分别设计了系统的硬件电路，数据采集程序与上位机读取软件。具有体积小，功耗低，抗干扰和耐冲击的特点，经过实验测试表明，该系统能够对冲击振动信号进行准确快速的存储，可用于对弹道测试与数据采集的场合。

[1] 于润祥, 石庚辰. 硬目标侵彻引信计层技术现状与展望[J]. 探测与控制学报, 2013, 35(5):1-6.

[2] 侯超, 刘勇涛, 杨旭. 侵彻硬目标武器及其智能引信关键技术研究[J]. 航空兵器, 2012，2:44-48.

[3] 王超, 陈光焱, 邓开举. 一种便携式高 g 值冲击试验装置的设计[J]. 振动与冲击, 2010, 29(12): 227-229.

[4] 孙颖奇, 李保庆, 马剑强, 等. 低噪声压电电荷放大器的设计与实验研究[J]. 压电与声光, 2013, 35(6):833-837.

[5] 张迎新, 雷文, 姚静波. C8051F 系列 SOC 单片机原理及应用[M]. 北京: 国防工业出版社, 2005.

[6] 潘宇倩, 白东炜. 电磁干扰的产生及 PCB 设计中的抑制方案[J]. 航天器工程, 2007, 16(3): 125-129.

[7] 郑凯, 郭嵩魏, 李斌. 利用 TeeChart 组件实现瞬变电磁曲线显示[J]. 物探化探计算技术, 2010, 32(5): 556-559.

Study on a signal storage system for missile launched test based on C8051F410

YU Run-xiang，LUO Jian-guo，HU Xing-zhi，LI Xue-zhe，DONG Chang-zhi

(InstituteofElectricalandMechanicalAppliedTechnology，NorthChinaInstituteofScienceandTechnology，Yanjiao，101601，China)

For the accurate and reliable recording of the acceleration signal projectile penetrating hard targets,this paper proposes a missile carrier signal storage system based on the C8051F410. It also gives the overall design scheme of the system, the system consists of C8051F MCU minimum system, the acceleration signal conditioning circuit, the communication circuit 485, a memory circuit, PC reading software. The test results show that the system under high overload condition can be accurate and reliable projectile acceleration signal during impact, with a small, reliable, easy to read, the data is not lost power characteristics record.

Memory test; acceleration signal; C8051 microcontroller

2016-02-19

中央高校基本科研业务费资助 (3142015011，3142015099)

于润祥(1986-),男，山东日照人，博士，华北科技学院机电工程学院讲师，研究方向：传感与检测、嵌入式开发。E-mail：yurunxiang_001@163.com

TJ41

A

1672-7169(2016)02-0074-05