引信加速度信号测试仪设计

马强，沈大伟*，马铁华，冯卫国

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；3.辽沈工业集团有限公司，沈阳110045）

引信加速度信号测试仪设计

马强1，2，沈大伟1，2*，马铁华1，2，冯卫国3

（1.中北大学电子测试技术国家重点实验室，太原030051；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，太原030051；3.辽沈工业集团有限公司，沈阳110045）

为了准确获得引信在弹丸运动各个阶段的加速度信号，设计了一种可置于弹丸引信处的加速度测试仪，使用单片机和CPLD作为控制器，基于乒乓存储原理和负延迟理论，使得测试仪性能得到很大提高。通过靶场实验实测数据表明，测试仪能够成功获取引信发射及飞行过程的三轴加速度曲线，对于引信、弹丸和火炮的设计和研究具有重要意义。

存储测试；弹载测试仪；乒乓存储；负延迟；引信加速度

武器系统的发展，要求能够更加准确地获取各种动态参数，其中引信在弹丸运动各个阶段的加速度信号便是一个重要的被测值，是引信设计、研制、故障分析的重要依据。引信作为重要的弹载机构，其测试环境具有高温、高压、高冲击和强电磁干扰等特点［1］，这些特点使得引线测试和遥测等测试手段无法正常工作，因此设计了基于存储测试技术的弹载测试仪［2］，其无需引线且具有良好的电磁兼容性，能够置于弹丸内部，随弹丸一起运动，记录引信在弹丸运动的各个过程的加速度信号［3］。

以往的测试，我们选用专用的集成芯片，例如HB0202等，在试验中也获取了相应的加速度信号［4］，但也暴露出专用集成芯片的不足，如性能不稳定、不易调试、生产成本高等缺点，因此本文提出了基于低功耗、高集成度的CPLD芯片和AVR单片机的弹载测试仪，测试仪还采用了乒乓存储和负延迟技术以提高其性能。

1　总体设计

火炮发射过程中，膛内环境比较恶劣，膛内温度可高达几百度（℃），发射药所产生的高膛压可达到300 MPa左右，产生的弹丸加速度峰值可达到10 000 gn以上，脉宽十几毫秒，要在如此恶劣的测试环境中获得有效信号，就必须对测试仪进行有效防护，采用环氧树脂对电路模块进行灌封，设计高强度壳体，并在壳体与电路模块间加入缓冲材料，可提高测试仪存活性。

查阅相关资料可知火炮膛内被测有效信号的最高频率为几kHz量级，因此拟采用总采样频率为400 kHz，分4个通道对引信加速度信号进行采集，弹丸从发射到落地运动时间大约在1 min左右，使用两片容量为128 Mbyte的NAND Flash进行存储可满足数据容量要求。

测试仪系统由电路模块、传感器、电池、灌封结构和金属外壳等组成［5-7］，其原理图如图1所示：其中传感器阵列为相互垂直安装的3个加速度传感器，高强度壳体及灌封材料用于保护电路模块。

系统的工作原理为系统上电后为循环采样状态，加速度信号经模拟电路调理后进入A/D进行转换，并与设置的触发阈值比较，达到触发条件电路触发，保存负延迟区域数据，并记录触发后数据，直到记录完成，进入低功耗状态，等待回收。电路模块与计算机之间采用USB通信，回收后可将采集到的数据通过USB传输到上位机。

图1　系统原理框图

2　设计原理

2.1乒乓存储原理

为提高采样频率和存储容量，本系统使用两片K9F1G08U0B实现乒乓存储，主控制器、从控制器、A/D及两片Flash的连接框图，如图2所示。

AVR单片机是使用RISC指令集并且具有哈佛结构的高速单片机，主要的功能为控制从处理器的工作状态、实现NAND Flash的读写和擦除等操作、控制A/D采集等；CPLD具有功耗低、体积小、可靠性高等特点，且具有强大的逻辑处理能力，在本系统主要用于地址产生、时钟分频和数据转换等，并作为AVR单片机与NAND Flash之间双向通信的接口。

NAND Flash的乒乓存储原理如图3所示。

图3　乒乓存储原理

由图3可知，在其中一片NAND Flash写数据的过程中，另一片在进行块擦除和页编程，这样两片NAND Flash交替存储，能够提高系统工作效率和采样频率。要求采集到的数据不丢点，即能够全部存进Flash中，则数据写入Flash数据寄存器的时间tW需大于页编程时间tPROG和块擦除时间tBERS的和，

其中C为Flash数据寄存器容量，fs为采样频率。

查阅K9F1G08U0B芯片资料可得tPROG的典型值为0.2 ms，tBERS的典型值为1.5 ms，C为2 kbyte则可计算出理论最大采样频率为602 kHz，要采集三轴加速度曲线，可分为4个通道采集，则每个通道理论最大采样频率为150.5 kHz，可以满足本设计每通道100 kHz，四通道的采集要求。

2.2负延迟技术

为了能够获取完整的加速度曲线，要求测试仪不仅仅能够记录触发后的数据，还要记录触发前的数据，因此采用了负延迟技术，即将整个存储空间分成两个区域，负延迟区域和触发后存储区域［8-9］，系统上电没触发前，在负延迟区域循环采样，写满负延迟区域后擦除闪存，再重新写入，当达到触发阈值后，从触发点地址开始写入，直到写满Flash，进入低功耗状态，等待读数，负延迟原理如图4所示。

图4　负延迟原理

2.3主控制器程序设计

AVR单片机作为系统的主控制器，上电后初始化整个系统，进入负延迟循环采样状态，等待轴向加速度信号达到触发阈值，开始从触发地址依次写入数据，写满存储器则进入低功耗状态，等待计算机读数，单片机程序流程图如图5所示。

图5　单片机程序流程图

3　微体积和低功耗设计

弹载测试仪要装在弹丸引信处，由于引信处空间狭小，则要对测试仪进行微体积设计。加速度传感器选用体积为5 mm×8 mm×10 mm的压阻式加速度传感器，3个传感器相互垂直安装在Φ24×20 mm的圆柱空间内，以高强度铝合金作为底座；电路的控制器为AVR单片机和CPLD芯片配合使用，具有集成度高、体积小、功耗低、可靠性高等特点；为了减小系统体积，采用数字电路、模拟电路、电源管理电路分开设计在不同电路板上的方法，各个电路板之间使用柔性导线相连，各个电路板之间加绝缘材料相互叠加在一起可以实现三维空间的微体积。

由于受到体积的限制，测试仪的电池容量就不可能太大，因此对体积要求较严格的弹载测试仪进行低功耗设计能够延长记录仪工作时间，确保数据安全有效。

首先，记录仪选用低功耗的CPLD芯片和AVR单片机作为处理器，其次，在各个不同工作状态中仅必要模块供电，其他模块不供电，以减小功耗，系统在各个状态电源管理情况如图6所示。

图6　系统电源管理

在电源接通未上电状态，数字电源VDD和模拟电源VSS都不供电，只有上电开关供电，功耗很低；当上电开关ON端检测到高电平，整个系统上电，进入采样状态，此时系统的各个模块都在工作，功耗最大；当检测Flash存满后，单片机发送TC信号，使整个系统进入低功耗状态，此时只有Flash、CPLD、单片机在供电，晶振、模拟电路、传感器等都已下电，减小功耗，等待回收；回收后，使上电开关OFF=1，则系统下电。

此系统使用40 mAh和80 mAh两组电池供电，互为备份，增加电源可靠性，理论上在采样状态可以工作2 h，而系统从触发到存储器存满时间最长为6 min，因此可以安全有效的工作，进入低功耗状态可以坚持10 h，等待回收读数。

4　试验及结果

将加速度测试仪装在弹丸引信处，进行靶场射击试验，最后回收弹丸，拆下测试仪，回收的测试仪如图7所示，从图中可以看出，测试仪顶部有很大磨损，为落地与土壤摩擦所致，但整个测试仪完好，测试仪获取了引信在弹丸运动各个阶段的加速度信号，由于篇幅所限，这里仅截取膛内及出炮口处的加速度信号如图8所示。

图7　回收的加速度测试仪

图8　膛内及炮口处引信加速度信号

从轴向加速度曲线看（轴向加速度定义为弹轴方向），膛内部分加速度信号最大峰值为12 110 gn，脉宽大约为14.5 ms，在炮口处，出现了比较大的高频振荡，正向峰值超过30 000 gn，负向峰值在20 000 gn左右，此时弹丸刚飞出炮口，火药气体压力突变，引起弹丸-引信-加速度传感器系统的自激振荡［10-13］，出现比较大的振荡加速度，很可能引起引信的失效。

从两个径向加速度加速度曲线看，膛内部分，两个径向加速度的正负峰值在2 000 gn左右，在炮口处也出现了比较大的震荡，正向峰值在7 000 gn左右，负向峰值在4 000 gn左右，此冲击加速度也很有可能引起引信内部机构的误动作。

对轴向加速度曲线进行积分，可以得到速度曲线，如图9所示，从曲线上看最大速度为922 m/s，出现在弹丸处炮口处，而从靶场处得到的雷达测得的弹丸炮口速度为931 m/s，可见两者吻合的较好。

图9　轴向加速度积分曲线

5　结论

本文设计了基于AVR单片机和CPLD芯片的引信加速度信号测试仪，具有体积小、功耗低、可靠性高等特点，靶场实验数据表明，测试仪能够在弹丸发射高温、高压、高冲击和强电磁干扰恶劣环境下获取引信的加速度信号，对膛内及炮口处的轴向加速度信号积分能够比较好的与炮口速度相吻合，测得的数据对于引信的设计、研究和故障分析具有重要意义。

［1］马英卓，祖静，张瑜.低功耗瞬态火炮膛压存储测试仪设计［J］.传感技术学报，2013，26（1）：128-132.

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［3］杨志勇，文丰，郝晓剑.基于Flash存储器的抗高过载电子记录器关键技术研究［J］.国外电子测量技术，2009，28（7）：27-29.

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马强（1990-），男，汉族，黑龙江泰来县人，中北大学硕士研究生，研究方向为动态测控与智能仪器，527933346@qq.com；

沈大伟（1979-），男，山西太原人，讲师，汉族，中北大学博士研究生，研究方向为动态测控与智能仪器设计，bensdw@ sina.com；

马铁华（1964-），男，汉族，山西交城人，中北大学教授，博士生导师，主要研究方向为动态测试与传感技术，matiehua@nuc. edu.cn。

Design of Fuse Acceleration Tester

MA Qiang1，2，SHEN Dawei1，2*，MA Tiehua1，2，FENG Weiguo3
（1.Science and technology on Electric Test and Measurement Laboratory，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement，Ministry of Education，Taiyuan 030051，China；3.Liaoshen Industries Group Co.Ltd.，Shenyang 110045，China）

In order to obtain the acceleration curve in each movement of the projectile accurately，an acceleration re⁃corder placed inside the projectile was designed；it used MCU and CPLD as controller and based on negative delay technique and the principle of ping-pong storage to improve its performance dramatically.The experimental testing data in shooting range showed that the tester can successfully obtain three-axis acceleration curve of fuse on projec⁃tile launch and flight process which had important significance for design and research of fuse，projectile and gun.

memory testing；missile tester；ping-pong storage；negative delay；fuse acceleration

TJ43；TN206

A

1005-9490（2016）02-0383-05

EEACC：7320E10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.028

2015-05-21修改日期：2015-07-09