爆炸威力场动态参数记忆重发遥测模块

解 煜，孙发鱼，白瑞青，骆海涛

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

爆炸威力场动态参数记忆重发遥测模块

解 煜，孙发鱼，白瑞青，骆海涛

(西安机电信息技术研究所，陕西 西安 710065)

针对新型武器弹药在研制试验和演习训练中爆炸瞬间的强电磁干扰导致遥测数据无法实时发出问题，设计了爆炸威力场动态参数记忆重发遥测模块。该模块远程无线发送指令控制采集存储数据，避开爆炸产生的电磁干扰后，以“快记慢发”的方式将测试数据送回接收站。仿真实验表明，该模块具有抗干扰能力强、误码率低、灵活性高、成本低廉等优点，可以满足对爆炸威力场动态参数测试提出的特殊需求。

爆炸威力场；测试；遥测；记忆重发；快记慢发

0 引言

在新型武器弹药研制试验和演习训练中，其爆炸威力场动态参数具有多样性、大范围、不可重复、试验经费投入大、危险大、节点的瞬时采样数据量大和实时性高等特点。爆炸场测试系统在爆炸发生时要受到瞬态强光、瞬态高温、强电磁场破片引起的强冲击波、强烈振动等影响，因此对测试系统的动态性、实战性、快速性、灵活性及机动性提出了特殊需求。而现有的引线电测法[1]存在电缆布线麻烦，爆炸产生的电磁干扰会给信号叠加很大的噪声等问题；存贮测试法[2]存在无法实时监测，试验效率低，事后回收装置麻烦等问题；现有的无线传输(如Zigbee无线通信模块[3])虽然具有体积小，成本低及功耗小等优点，但在高冲击、高温、高压等恶劣环境下，传输距离较远时会导致严重的信号幅度衰减和误码率，当采用数据包传输协议时会导致各测点存在测试时间不确定性等缺点。遥测方法在靶场试验中广泛应用，具有实时性、采集数据量大等特点，但爆炸瞬间的强电磁干扰导致测试数据无法实时发出。本文针对此问题，提出了爆炸威力场动态参数记忆重发遥测模块。

1 记忆重发和快记慢发

1.1 记忆重发技术和快记慢发

记忆重发技术是测试过程中将测试数据存储下来，经延迟后重新将数据发送出来。例如将处于黑障区内的遥测数据暂时存储起来，待飞行体出了黑障区之后再将存储数据向地面站传送。中北大学的闫鑫应用记忆重发技术在飞行器飞行试验过程中，采用记忆重发装置，在黑障区内记录重要的参数，当飞行器离开黑障区后，将存储器中的数据按一定的速度比快速重发，系统采用CPLD与铁电存储器[4]。西安机电信息技术研究所的白瑞青基于FPGA设计的弹载遥测记忆重发器，数据存储器采用FPGA内部的FIFO存储器实现，该记忆重发器的重发方式采用的是记满重发方式，不需要系统提供重发命令[5]。还有为了避免炮膛屏蔽、炮口电离干扰等记忆重发技术的应用。

在记忆重发过程中有时存储数据速率和重发数据速率不同，重发数据速率小于存储数据速率，这种记忆重发方式叫做“快记慢发”[6]。

1.2 爆炸威力场动态参数特征

爆炸威力场动态参数具有多样性，如温度、振动、压力等参数，根据新型武器弹药的动态参数特征和前人的试验经验冲击波频率响应为100 kHz，振动频响为10 kHz，温度频响为1 kHz，采样率是频率响应的3～5倍可完整还原信号，根据存储公式计算实时存储量。新型武器弹药研制试验和演习训练时爆炸范围大、试验经费投入大、危险性大，利用远程无线控制来降低试验危险性和试验成本。爆炸烟雾干扰时间不定，延迟时间可由地面控制。爆炸结束后，发送速率过高会造成较大的误码率影响数据的准确性，也增加了系统成本。

1.3 控制器、存储器和无线收发芯片

器件的发展为记忆重发技术的提高创造了条件。目前广泛应用的单片机处理器有51单片机、DSP和ARM。51单片机其价格低廉、开发技术成熟，但是其不足在于功能过于简单，计算能力有限。DSP器件偏重高端应用领域，其结构功能设计侧重于有大量数字信号处理的场合，如雷达、多媒体等领域，不适合在数据处理量不大的小型系统使用。而且目前其价格较高，开发技术难度大。ARM芯片具有体积小、功耗低和高性能的特点，但成本较高，也不适用于小型系统。AVR Atmega128单片机是增强型RISC内载Flash的单片机，其采用了流水线操作和等长指令的体系结构，这种MCU对SRAM和FLASH存储器分别进行寻址的哈佛结构极大地提高了MCU工作速度。与传统的微控制器相比高10倍的数据吞吐率，丰富的中断源极大地方便了对外设的快速配置。该单片机应用于测试系统中具有很多优势。

SAMSUNG公司的NAND FLASH存储器由block(块)构成，block的基本单元是page(页)。NAND FLASH的读取和烧录以页为基础，基本的操作：读取一个页，烧录一个页和擦除一个块。存储和擦除速度非常快，容量大，价格便宜。根据爆炸场参数特征以及采样率，经过理论计算数据量小于100 M Words，选择容量512 M的FLASH足够用。

成都亿佰特公司的E34-TTL-100芯片是一款基于nRF24L01芯片的无线收发芯片，工作在2.4～2.518 GHz频段，使用串口进行数据收发，功率密度高，传输距离远，具有自动调频功能，抗干扰能力强。

2 爆炸威力场动态参数记忆重发遥测

爆炸威力场遥测的关键在于采用记忆重发技术，避开爆炸时产生的电磁干扰。针对爆炸威力场动态参数数量多、频响高、采样率高等特征，为降低系统成本、降低误码率，采用快记慢发方式。

本文设计的爆炸威力场动态参数记忆重发遥测模块主要由AVR单片机、存储器和无线收发模块组成。记忆重发遥测模块的串并接口转换和计数器的设计使采集编码所得数据PCM码流快速存入大容量存储器中，计数器记满8个数后发出一个指令，此时恰好将PCM 8位数据转换并行通过单片机I/O写入存储器内。无线收发模块用来主控机命令的收发和测试数据收发，测试数据送回主控机时，单片机读取存储器中数据由串口将数据写入无线收发模块，无线收发模块接收到数据，模块发射无线数据包长度为29字节，当输入数据量达到29字节时，模块将启动无线发射。主控机端发送控制指令时，控制指令长度不足29字节，模块等待3字节时间若无数据则将指令数据发出，无线收发模块无线接收功能一直打开。记忆重发遥测模块如图1所示。

本文提出的记忆重发遥测模块与过去的弹上记忆重发器的主要区别是与主控机半双工通信，可接收主控机的指令进行多种操作，在传统遥测的基础上，实现了遥控功能。当模块上电工作时，主控机要与从控单元互相通信，双方进行握手；然后主控机将数据发送出去，从控单元在收到该数据后，需要立即向主控机应答，表示已成功接收；当主控机收到此应答信号时，方可进行下一步操作。若在规定时间内主控机没有收到应答，则认为通信失败，则会重发此数据包直至收到应答信号。主从单元握手通信协议如图2所示。

该模块设计多种操作指令：准备、记录、读数、停止和擦除命令等，在完成一次试验后可远程无线控制遥测记忆重发模块擦除存储器数据，擦除后等待操作指令又可以进行下一次试验，有限的时间内利用现有的资源可进行多次试验。主控机通过无线发送控制命令远程操控从控单元，从控单元首先判断主控机是否发来准备指令，每次进行其他操作之前都要进行预先准备过程。设计的多级指令方式使得真实信号才能可靠地启动存储程序，一定程度上避免了误操作给整个从控单元带来的影响。具体的存储控制单元工作流程如图3所示。

该记忆重发遥测模块与以往遥测模块的另一区别是采用新器件。一、采用的AVR系列单片机是一种高性能成本低廉的微控制器；二、存储器采用NAND FLASH，具有容量大，改写速度快等优点。存储芯片容量远大于所需存储的测试数据量，避免数据溢出，保证了存储数据的完整性。

针对传输距离较近的特点，采用无线收发模块替代传统遥测发射机、接收机实现双向传输，具有成本低廉、操作方便、研发周期短等优点。

3 仿真试验验证

对记忆重发遥测模块进行了数据存储传输试验。在空旷的场地，主控机和从控单片机以及采集存储设备相距300 m以上。为了比较，无线收发模块采用三种空中传输速率，分别是0.25 Mbps、1 Mbps和2 Mbps。模块开始工作时先进行上电自检，并将存储器初始化信息反馈给主控机，存储器存储有数据或者存储器空。主控机收到状态信号之后回馈0x11给单片机，从控模块收到0x11进入工作状态，表示双方收发正常；若经过一段时间未收到则单片机复位初始化再次进行握手。主从两个单元通过握手建立稳定可靠的联系，双方收发正常。爆炸前开始工作记录数据和爆炸后的延迟一段时间以及发送命令传输时间都需要留有余量，存储时间长短是可控的。

实验采用信号发生器模拟冲击波、振动和温度在爆炸时的产生的模拟信号，在爆炸前约5 s的时间记录数据信号由远程主控机发出，主控机发出存储指令给从控单片机开始工作，对冲击波、振动和温度多路信号同时采集，记录时间大于实际爆炸时间以保证爆炸数据的完整性，分别记录不同的时间后主控机发送停止命令，存储器停止工作进入单片机睡眠状态，以降低功耗。等待一段时间(实际爆炸时烟雾散去时间)，主控机发送读取数据命令唤醒单片机将存储数据送回主控机。进行一次存储数据后，在无线收发芯片三个空中速率下进行了多次传输试验，数据平均接收误码率如表1所示。

表1 不同空中速率下的接收情况

由上表可看出距离300 m时传输速率0.25 Mbps、1 Mbps和2 Mbps时传输误码率均在遥测指标10-3要求内。第四组标星号数据是在增大传输距离为500 m时的试验数据，此时误码率明显增大，传输速率过高会影响接收数据误码率。无线收发芯片的传输距离和传输速率是有一定的联系，选择传输速率为0.25 Mbps时传输时间已满足测试要求，同时传输距离也会增加。

模块实时采集存储数据，准实时性的将数据送回地面，满足爆炸场瞬间采样数据量大和实时性高的要求，“快记慢发”的方式避开了爆炸时延误产生的电磁干扰，很好地保证了数据的准确性和完整性。通过单片机、闪存和无线收发芯片的组合设计符合爆炸威力场的特殊环境，满足了动态参数的测试要求，实现记忆重发遥测功能，并具有成本低廉、研制容易、设计灵活简单等优点。通过无线传输数据和命令方便灵活，避免了布线和事后回收测试设备等操作。

4 结论

本文提出了爆炸威力场动态参数记忆重发遥测模块，该模块远程无线发送指令控制采集存储测试数据，避开爆炸产生的电磁干扰后，以“快记慢发”的方式将测试数据送回接收站，针对传输距离较近的特点，采用无线收发芯片替代传统遥测发射机、接收机。试验验证表明，该模块具有抗干扰能力强、误码率低、灵活性高、成本低廉等优点，可以满足对爆炸威力场动态参数测试提出的特殊需求，可应用到爆炸威力场动态参数测试中。但该模块仍存在着不足，如真实爆炸场环境下远距离传输问题和天线防护问题，拟进一步研究试验解决存在的问题。

[1]张志杰,王代华,王文廉,等. 具有无线数据传输与控制功能的冲击波超压测试系统[J]. 计测技术,2010,30(1):22-25.

[2]张哲,李宝珠,王存宝,等. 基于无线数据传输的冲击波超压测试系统的研究[J] .传感器与微系统,2009,28(6):7-9.

[3]余凯凯,杜红棉,马铁华. 基于Zigbee无线传感网络冲击波测试系统的设计[J]. 传感器世界,2010(11):25-28.

[4]闫鑫.遥测系统中记忆重发电路设计[D].中北大学.2012.

[5]白瑞青,宋军,宋鑫霞,等. 基于现场可编程门阵列的弹载遥测记忆重发器[J]. 探测与控制学报,2015,37(2):55-58.

[6]谢铭勋. 再入遥测技术[M]. 北京：国防工业出版社,1992:1-12.

A Dynamic Parameters Memory Retransmission Telemetry Module for Explosive Power Field Measuring

XIE Yu，SUN Fayu，BAI Ruiqing，LUO Haitao

(Xi’an Institute of Electromechanical Information Technology, Xi'an 710065, China)

The explosion of a new type of weapon ammunition caused a strong electromagnetic interference to the real-time transmission of telemetry data. An explosive power field dynamic parameter memory retransmission telemetry module was designed to solve the problem. The module wirelessly sent commands to control the acquisition of stored data remotely to avoid the explosion caused by electromagnetic interference. Than, the test data was sent back to the receiving station by the way of “quickly store and slowly send”. The practice showed that the module had the advantages of strong anti-interference ability, low bit error rate, high flexibility and low cost, which could satisfy the special requirements of the dynamic parameter test of the explosive power field.

explosive power field; test; telemetry; memory retransmission; quickly store and slowly send

2017-02-17

解煜(1992—)，男，陕西西安人，硕士研究生，研究方向：遥测遥控技术。E-mail：554239261@qq.com。

TJ430

A

1008-1194(2017)03-0066-04