中远程导弹全弹道数据记录仪

赵凯明， 范锦彪， 王 燕

（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 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051）

中远程导弹全弹道数据记录仪

赵凯明1，2， 范锦彪1，2， 王 燕1，2

（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 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051）

针对中远程导弹对全弹道、多参数、高精度采集的测试要求，以及当前数据记录仪高速采集和大容量非易失存储之间密度兼容困难的问题，提出基于大容量Flash芯片的存储器并行流水线设计与复杂可编程逻辑器件（CPLD）和低功耗AVR单片机结合的智能双控设计，研制一套针对中远程导弹的全弹道数据记录仪，提高采集速率，扩充采集容量，实现记录仪高速采集和大容量非易失存储的密度兼容。并根据记录仪在实际使用中对高抗振动冲击、智能启动和低功耗的测试需求做相应的典型设计，该测试仪现已应用于某新型空地导弹全弹道的测试，成功获取导弹在全弹道内的各种数据，对新型导弹的研制和验收具有参考价值。

数据记录仪；中远程导弹；高速采集；大容量存储；智能启动

0 引 言

随着弹载记录仪的应用逐渐向中远程导弹领域扩展，记录任务也由最初的某阶段单个参数向整个弹道、多个参数发展，加上越来越高的精度需求[1-2]，对记录仪各方面设计都提出了更高的要求。本文基于某中距离空地导弹全弹道记录仪的研制，对中远程导弹全弹道记录仪设计的关键技术进行了深入的研究，通过对采集速率、存储容量、功耗、抗干扰和抗冲击等方面的考虑，设计了一套适用于中远程导弹全弹道数据采集的记录装置，具有高速率、高精度、大容量、低功耗、抗干扰和抗高冲击等特点，并成功应用于中远程导弹全弹道数据的记录。

1 系统组成及其工作原理

在测试仪的设计中，采用AVR和CPLD为控制核心，使用USB连接PC上位机作为数据传输设备，系统硬件组成如图1所示，主要包括传感器组、高强度外壳、缓冲材料和核心电路。核心电路由模拟信号调理模块、CPLD数据采集控制模块、AVR系统控制模块、数据存储模块、数据传输模块以及电源控制模块组成。

2 测试特点和难点分析

1）低功耗的要求。记录仪在导弹发射时接受导弹系统发出的启动命令，实时采集和存贮导弹发射和飞行过程中规定的动态数据。一方面，在发射试验前要经过组装、联试、筛选、运输等步骤，试验流程精细复杂，需要多方审批文件，耗时长；另一方面，导弹属于火工产品，组装拆卸需要经过审批并由火工装配厂负责，其他情况不得拆卸[3]；这就要求记录仪能多次测试复位，有超长的待机时间，而可容纳电池的空间有限，所以系统必须具有低功耗的特性。

2）高速大容量、非易失性存储器的难点。为回收后再现导弹的工作信息，需要很高的测试精度，加上多参数同时记录，容量也会相应增加[4]。而快速的非易失性存储器容量有限，不能够满足中远程导弹全弹道多参数记录对容量的要求。设计时就会面临高速大容量与非易失性存储器之间的矛盾。

3）智能启动的要求。导弹测试系统同时带有遥测、惯导、舵机等多方部件，相互间会有一定的电磁干扰，运输和贮存过程也可能产生一些静电。为了防止静电和电磁干扰造成测试仪的误启动，需要设置相应的启动信号校验；另外，校验时段内相应的数据有一定的参考价值，需要一个既能进行启动校验又能不丢失校验时数据的智能启动设计。

4）对抗冲击能力的要求。记录仪安装在导弹导引头内部，导弹发射出去后，在导弹发动机的推动下飞行10～20km后落地，高速坠落对记录仪造成很大的破坏力，测试环境恶劣，要求记录仪在有限的空间内具有很好的抗冲击能力。

5）操作简便的要求。导弹测试系统带有遥测、舵机、惯导、发动机等部件，各部分协调工作，不得影响和干扰其他部分的正常工作[5]。

3 典型设计

图1 系统硬件组成

3.1 低功耗设计和电池选用

具体而言，首先要建设好网络道德行为规范，重点要可操作性强，要具体到哪些行为是道德行为，哪些行为是不道德行为，让人一看就明。二是通过各种方法与途径使大学生了解网络道德行为规范，培养文明上网的行为习惯。通过教育，让学生懂得，虚拟社会和现实社会没有两样，不能因为网络行为的去抑制性而随心所欲、肆意而为，忘记了起码的行为准则。并时刻以网络道德规范自己的上网行为，不发表不负责任的言论，不肆意攻击、侮辱他人，不造谣传谣，不传播黄色信息等，并能对自己行为的后果负责。

低功耗设计主要在供电系统的控制和主控芯片的选择。一方面，采用单独的CPLD控制供电系统，超长待机可达一年，并且设置采集完毕自动进入低功耗数据保持模式，极大程度降低非采集时段的功耗；另一方面，选取低功耗的AVR主控芯片配合高速的CPLD工作，非采集时段CPLD采集控制模块全程关闭，既满足采集对高速率的要求，又把功耗控制在可接受范围内[6]。

电池选用工业级锂电池，容量510mAh，两片紧贴放置，配合电路的低功耗设计，完全满足测试全程对电量的需求，并留有很可观的安全余量。经实践证明，能很好地供系统完成各项记录任务。

3.2 高速度与高容量非易失性存储设计

3.2.1 CPLD数据采集控制模块

为实现实时数据的高速采集，设置CPLD数据采集控制模块，主要完成数据高速采集存储的同步数据逻辑部分，如时钟设置、地址发生器等。利用CPLD的高速并行传输特性，实现同步数据的高速采集[7]。

3.2.2 存储器的并行流水线设计

根据中远程导弹全弹道数据记录仪对存储介质高速度大容量非易失性存储的要求，选取近期国内广泛应用的Flash Memory芯片，页存储速度达10MB/s以上，根据项目实际，可选取1 GB，4 GB，8 GB等不同容量Flash Memory芯片。但由于该芯片是按页写入模式，当一页数据（2112B）写满闪存寄存器后，将寄存器中的数据编程到非易失性介质中，一次编程的典型时间需要192 μs。这个时间的存在使得单片Flash Memory无法全速度连续记录采样，针对这个局限性提出了基于多片Flash Memory存储器的流水线存储技术。

图2 Flash基于流水线的存储时空图

单片Flash容量为M，平均全写入速度为fn，系统采用m行n列的网络拓扑结构。系统综合性能：总容量为M总，系统平均写入速度f总[8]：

由式（1）和式（2），可知系统存储总容量与总写入的速度得到了很大的提高，使Flash Memory可以全速度连续记录采样，解决了高速大容量、非易失性存储器的问题[9]。

3.3 智能启动和存储器负延时设计

为了防止静电和电磁干扰等造成的误触发同时又能完整地记录测试信号，在电路中使用智能启动配合Flash负延迟存储技术来启动记录仪。启动命令由一个上升沿和一个250ms的高电平校验组成。

基于Flash的负延迟存储技术，是将闪存的一部分容量N=5M×8bit作为循环记录存储器，如图3所示。

图3 基于Flash存储器的负延迟框图

当启动命令的上升沿到来时，这部分容量N开始循环记录数据，同时控制器对触发信号进行校验，若通过250 ms高电平校验，顺序记录闪存剩余的（M-N）存储空间；若没通过校验，停止循环记录。智能启动配合负延迟技术既防止了记录仪的误触发，又能将启动校验时的信号完整记录下来，增强了装置的可靠性，并保证了数据记录的完整和有效性。

图4 测试仪结构（单位：mm）

图5 记录仪的状态图

3.4 抗高冲击设计

记录仪的抗高冲击设计，主要包括电路环氧灌封、高强度内胆和外壳以及夹层缓冲材料3个方面[10]，记录仪结构如图4所示。电路置于内胆内用环氧灌封，内胆和外壳都用高强度钢材料制成，内胆和外壳之间装有尼龙和橡胶保护材料。测试仪会有严格的可靠性测试，由可靠性测试中心进行冲击、振动测试，测试合格才可使用[11]。

3.5 简便可靠的工作流程设计

图5是记录仪的状态图。该记录仪有8种状态，其中6种为其主工作态：待机状态，数据采集状态,数据保持状态，读数状态，数据已读状态，擦除状态；2种备用状态：未擦除待机状态，断电数据保持态。

测试仪以待机状态装配入导弹，在整弹进行综合联试、可靠性筛选的过程中，记录仪按照6种主工作态可以多次记录、读取、擦除、复位到待机状态。联试筛选完毕后，直至记录仪回收不需要其他操作[12]。

图6 实测架口信号

2种备用状态的设计，提高了数据的安全性。在电源耗尽或不擦除复位的情况下，接通电源重新启动，即可进入主工作态读取数据。

图7 实测导引头冲击加速度曲线

图8 实测导引头冲击加速度曲线局部展开图

图9 实测质心振动加速度曲线

4 实测信号分析

上述中远程导弹全弹道数据记录仪已对某中程空地导弹进行了多次测试，成功获取了该型导弹多组数据。1组测量数据有13个测试信号，分别为导弹导引头、战斗部、舵机3个部位的3组三轴冲击加速度信号、质心部位的1组三轴振动加速度信号和1组架口信号。以下对1组典型数据进行分析。

4.1 实测架口信号

图6是实测的1组架口信号，是导弹发射出发射架的时间记录信号，由图可以看出，导弹在0.64s时发射出发射架，飞行到70.86s时落地。

4.2 实测冲击加速度信号

3个三轴向的冲击加速度信号分别由导引头、惯导和舵机位置测得。图7为导引头部位的1组三轴向冲击加速度信号，包括X轴，Y轴，Z轴3个方向信号，X轴为导弹飞行方向，Y轴为水平方向，Z轴为XY所确定平面垂直方向。可以看出，导弹在一开始点火到出发射架时受到明显的冲击导致冲击加速度信号的巨大波动。由展开后的曲线（见图8）可知X轴向最大正向冲击为382.1g，最大负向冲击为197.8 g；Y轴最大正向冲击为180.7 g，最大负向冲击为233.2 g；Z轴最大正向冲击为109.3g，最大负向冲击134.3g。

图9为实测的1组振动加速度信号，由导弹质心位置测得，分为X轴，Y轴，Z轴3个轴向。可以看出，导弹在飞行过程中，振动逐渐增大到一定值后稳定一段时间再逐渐减小直至落地，对应导弹飞行的加速、恒速、坠落各阶段。在某些阶段对导弹有角度调整，相应的实测信号某些位置振动有增减。导弹飞行全程中X轴振动在8 g以内，Y轴振动在10 g以内，Z轴振动在7g以内。

5 结束语

本文对中远程导弹全弹道数据记录仪研制的关键问题进行了深入的研究，设计了一套针对于中远程导弹全弹道数据记录的装置，并应用于某中程空地导弹全弹道数据的记录，成功置于导弹导引头内并在高速坠落的恶劣环境中获取了有效数据，所测得的数据与理论分析情况相符。对新型中远程导弹的设计、研究及验收有具有参考价值。

[1]邢联大，苏振华，尹安治.导弹数据记录仪应用研究[J].火力与指挥控制，2014（4）：164-167，170.

[2]韩兆福，史进波，陈遵银，等.一种新型导弹测试仪的设计[J].飞航导弹，2000（12）：27-29.

[3]裴东兴，祖静，张瑜，等.弹载电子测试仪的设计[J].弹箭与制导学报，2012（3）：220-222.

[4]王琦，杜力力，李永红.基于DSP的多通道弹载数据记录仪的设计[J].弹箭与制导学报，2011（1）：244-246.

[5]范锦彪，徐鹏，李东红，等.硬目标侵彻动态参数记录仪[J].仪器仪表学报，2004（1）：197-199.

[6]张娇婷，张颖龙，朱怡，等.基于ARM+FPGA的通用导弹弹载记录仪的设计[J].弹箭与制导学报，2014（2）：38-41.

[7]霍力君，马珩.高速信号采集记录仪设计[J].电子技术，2015（5）：58-60.

[8]康聪，范锦彪，王燕.炮射导弹全弹道多参数固态记录仪设计[J].电子世界，2013（17）：110-111.

[9]祁少文，范锦彪，王燕，等.弹载全弹道多参数测试仪[J].传感技术学报，2014（7）：993-996.

[10]甄国涌，单彦虎.弹载固态记录器高速存储体系结构设计[J].计算机工程，2013（3）：275-278.

[11]靳书云，靳鸿，张艳兵，等.弹载加速度数据记录仪抗高冲击设计[J].传感技术学报，2014（4）：463-466.

[12]张文栋，李永红，高金山.导弹数据记录仪[J].兵工学报，1995（2）：87-90.

（编辑：莫婕）

Data recorder for the whole trajectory of medium range missile

ZHAO Kaiming1，2，FAN Jinbiao1，2，WANG Yan1，2
（1.Science and Technology on Electronic Test&Measurement Laboratory，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrument Science and Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Based on the requirement for the whole trajectory，multi parameter，high precision data acquisition of medium range missile，as well as the difficulty of density compatibility between high-speed data acquisition of current data recorder and the large capacity and non-volatile storage，the design of memory parallel line based on large-capacity Flash chip and the design of intelligent dual control system based on complex programmable logic device（CPLD） and low power AVR MCU are proposed to improve the acquisition speed，expand the acquisition capacity and achieve the density compatibility between high-speed data acquisition of data recorder and the large capacity and non-volatile storage.Besides，a whole trajectory data recorder for medium range missile is designed and developed and relevant typical design is conducted for the data recorder according to the testing demands of high vibration and impact resistance，smart start and low power consumption in actual use.The test instrument has been applied to the whole trajectory test of a new type of air-to-ground guided missile and has obtained the data of the whole trajectory successfully，which is of great significance for the development and acceptance of new types of missile.

data recorder；medium range missile；high speed collection；large capacity storage；intelligent start

A

1674-5124（2017）04-0083-06

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.04.018

2016-07-27；

2016-09-18

赵凯明（1991-），男，山西临汾市人，硕士研究生，专业方向为智能仪器与动态测试。