基于FPGA的小型弹上三向过载记录仪

马游春 吴正洋 姜 德 王晓娟

（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）

基于FPGA的小型弹上三向过载记录仪

马游春1，2， 吴正洋1，2， 姜 德1，2， 王晓娟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）

在弹箭研发试验中，对弹体侵彻过载特性的测试具有重要意义。为获取弹体在膛内和整个飞行过程中的过载曲线，设计一种小型化、耐高冲击的三向过载记录仪。该记录仪以FPGA作为主控芯片，Flash作为存储介质，并采用MRAM备份关键数据以提高可靠性，通过回读数据的方式获得过载数据；采用高强度钢配合填充橡胶的复合结构提高记录仪的抗冲击能力。经某型号平衡炮测试表明：该记录仪能承受膛内和穿靶的高冲击，并有效记录轴、径、切3个方向的过载数据。实际测得最大过载峰值为2.6×104g，表明记录仪在弹上恶劣环境中具有较高的存活能力。

数据记录仪；现场可编程门阵列；小型化；抗高冲击

0 引 言

从近几年的利比亚战争、俄乌冲突以及美“重返亚太”等重大事件来看，导弹武器以其高准确度、远射程、综合效费比高等特点，在各国作战中发挥着不可或缺的作用[1]。开展真实的导弹打靶实验能够为研制和改进战术导弹提供理论依据，对弹箭工作状态信息进行实时记录可以对发射技术与性能有全面的提升。在研究弹体在膛内以及穿靶过程中的过载特性和规律时，一个重要的被测对象就是加速度与时间的关系曲线[2]，即过载曲线。

对弹体加速度的测量一般采用弹上记录仪，实验后对记录仪进行硬回收，然后读取数据。但通常情况下炮弹的发射环境非常恶劣，最高能达到上万个g的高冲击，另外受到弹体空间的限制，对弹体过载的动态测试较为困难[3]。

在硬回收过程中，保护内部核心电路至关重要。国内传统弹载记录仪多采用钢纤维橡胶弹簧或泡沫铝作为缓冲材料[4]，但这种材料弹性模量小，缓冲过程会产生较大的形变[5]，容易挤压内部核心电路，对电路造成损坏；若采用泡沫铝作为缓冲材料，会占用记录仪大量体积，不适合空间狭小的弹上使用。由于炮弹发射试验存在环境恶劣、冲击强等特点，当前使用的弹上记录仪还经常暴露出回收成功率低的问题[6]。国外对高过载数据存储装置的研究较早，其具有较高的数据采样率和抗冲击能力，但外形尺寸普遍较大，并且要求较高的供电电压[7]。

针对以上问题，本文设计了一种小型化、高可靠性的三向过载记录仪。结构上将高强度钢与柔性橡胶相结合，形成多层复合结构以充分保护电路；电路上使用双存储器，将重要数据备份存储以提高可靠性。在实际打靶试验中，回收后的记录仪结构完整并能成功读出有效数据。

1 结构设计

炮弹发射过程中，尤其在膛内、出炮口以及撞靶时，最大需承受几万个g的冲击[8]。若对记录仪整体进行抗冲击缓冲设计，则会使冲击脉冲宽度变宽，导致测得过载幅值比实际值小[9]。为此，该记录仪使用高强度钢作为主体结构，其力学表现能力与普通强度钢结构相比有很大提高[10]。不对外部做缓冲处理，将传感器直接安装在高强度钢上，使其充分吸收过载冲击，避免测量不准的问题，主控电路和电池安装在高强度钢结构腔体内部，如图1所示。

图1 记录仪内部基本构造

图2 记录仪外部图

整个电路系统安装完成后，通过螺纹安装外层铝壳，其既有减重的作用，也能减轻外力的刚性传递，保护电路板和电池，最后通过铝壳预留孔灌入弹性胶，使用真空机排出空气使弹性胶充满腔体，形成铝壳-弹性胶-钢结构-弹性胶的复合结构，充分保护内部核心电路[11]，如图2所示。安装完成后，记录仪的外形尺寸仅为φ50mm×55mm，与传统记录仪相比极大地压缩了仪器体积，由美国研发的EDR-4M型固态导弹数据记录仪，其外形尺寸为145 mm×140mm×74mm[7]。

2 电路设计

2.1 电路总体设计

硬件电路基本组成如图3所示，电路包括主控电路板、信号调理板、3路传感器以及外部接口等。PCB板使用Altium Designer 09软件进行绘制，主控电路板和信号调理板都采用4层印制电路板。

2.2 主控电路板设计

图3 硬件电路基本组成

主控电路板作为整个记录仪的核心部分，实现复位、触发、A/D转换、数据存储、数据读取等系统功能。主控电路板主要包括FPGA模块、Flash模块、A/D模块、MRAM模块、电源模块以及时钟模块，结构图如图4所示。加速度传感器输出的模拟信号经过信号调理后送入A/D转换电路，在FPGA的控制下对采集数据编帧后存入Flash和MRAM中，记录仪通过串口与上位机通信，实现复位、读数、擦除等功能。串口通信采用速率为5Mb/s的RS232标准协议。

图4 主控电路板结构图

主控电路板以FPGA为核心，FPGA采用Xilinx公司的工业级芯片XC3S500E-VQ100，其外部配有66个自定义I/O口，内部资源丰富，在Xilinx ISE软件平台下，有很强的编程仿真能力，并且封装尺寸较小，满足小型化设计的要求。

A/D转换器使用Analog Devices公司生产的AD7983，用于接收调理后的模拟传感器信号，并对信号进行量化处理，再将信号传输到主控芯片FPGA中。AD7983模数转换器具有16位的精度，最高采样频率可达1.33 MS/s，本文使用250 kHz的采样频率。A/D转换器的电压参考芯片使用TI生产的REF2930芯片，经过电压跟随器后为3个A/D转换器提供稳定的3V参考电压源。

Flash作为记录仪的主存储介质，负责记录弹体从发射到落地静止的全部数据。选用三星公司生产的K9K8G08U0M，该芯片具有1 GB的存储容量，能够记录时长11min的过载数据，可完整记录整个发射过程。

MRAM作为系统备用存储介质，记录弹体触靶前后短时间内的加速度信息，目的是防止Flash损坏，作为保存重要数据的保障手段。考虑到小型化设计和需要重复多次写入的要求，MRAM选用EVERSPIN公司的MR25H40存储器，容量为512KB，是一种非挥发性的磁性随机存储器。其拥有静态随机存储器（SRAM）的高速读取写入能力，以及动态随机存储器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以无限次地重复写入，以此来提高数据备份的可靠性[12]。

2.3 传感器电路设计

传统弹载记录仪大多使用国外的加速度传感器，导致国内传感器不能得到大量实验的验证。该记录仪选用由国内某研究所自主研发的压阻型桥式电压信号加速度传感器，与电容型加速度传感器相比，该传感器具有更好的频率响应和线性度[13]，也更适合大量程的加速度值测量，其满量程为±8×104g，输出的电压范围为±50mV，由于传感器内部为惠斯通电桥结构，需要对其进行零位补偿[14]，补偿电路如图5所示。VDD、GND、Vout+和Vout-为传感器的四个管脚，在Vout+与GND之间或者Vout-与GND之间以任意方式并联电阻，使其静态时输出为零，即完成零位补偿[15]。

图5 传感器补偿电阻

2.4 信号调理板设计

信号调理板是连接加速度传感器与主控电路板的信号调理电路，主要完成传感器信号放大和滤波。由于A/D转换器只能转换0～3V的模拟电压信号，而传感器输出的电压范围为±50mV，则需对传感器输出的信号进行调理。信号调理板的电路原理如图6所示，VIN+与VIN-直接连接传感器，在第一级电路，通过电阻R7、R8将INA827配置成一个25倍的信号放大器，将信号放大成范围为±1.25V的模拟信号；在第二级电路中，为信号加上1.25V的电压偏置，并对信号进行滤波，采用无限增益多路反馈二阶低通滤波电路[16]，旨在滤去弹体在发射过程中因自身频率响应产生的高频噪声，最后输出0～2.5V的模拟电压信号完成信号调理。

图6 信号调理板的电路原理图

3 软件设计

由于大型火炮试验存在复杂性和危险性，临近发射时人工无法近距离干预记录仪启动和触发，考虑到存储容量和待机时间的限制，在系统软件设计中应着重考虑以下问题：1）记录仪的智能上电和自动触发等问题；2）检测到有效数据后再进行数据存储，避免存储容量不足的问题；3）检测到撞靶数据后再将其备份到MRAM的问题。

3.1 启动设计

根据需求，记录仪在弹体上安装至少5h之后才发射。由于使用锂电池供电，并且可用体积有限，所以在等待期间记录仪不能处于高功耗的采集状态，为此人工触发启动后即进入一个5 h的计时过程，此过程中，记录仪处于低功耗的计时状态。软件设计流程如图7所示。

3.2 Flash存储设计

在经过5 h的计数等待之后，记录仪启动，A/D转换器开始工作，FPGA开始采集数据；由于炮弹还未发射，数据都为无效数据，并不会存储到Flash中，而是在FPGA内部的一个32KB大小的FIFO中循环记录；炮弹发射时，沿弹体前进方向的加速度传感器将采集到一个较强的信号，经过消抖处理，若信号换算为加速度后不小于2000g，则系统判断炮弹开始加速，将FIFO中已经记录下的炮弹发射前的32KB数据写入到Flash存储器中，并继续记录后续数据，直到记录仪停止工作。

图7 软件设计流程图

3.3 MRAM备份存储设计

当记录仪启动时，MRAM存储器开始循环记录数据，即写满后再从头写入，覆盖之前的数据。弹体触靶时，沿弹体前进方向的加速度传感器将采集到一个较强的信号，经过消抖处理，若信号换算为加速度后不小于10 000g，则系统判断炮弹触靶，此时容量为512KB的MRAM再记录256KB数据即停止记录，因此可以将弹体触靶前后的各256 KB数据记录下来，作为备份。

4 实验验证

将记录仪安装在某型号平衡炮底部测量弹体的加速度。弹体在膛内除了受到加速过载的作用，还受到膛内摩擦阻力的作用，从而产生较大的弹体结构振动响应。将实际测得的弹体前进方向膛内过载数据经过1 kHz低通滤波处理，可以更好地分析膛内加速过程，处理后的曲线如图8所示，由图可知整个膛内加速过程约为50ms，过载峰值约为2700g。

图8 弹体膛内过载曲线

图9是实际测得弹体前进方向的弹体穿靶过程经过30 kHz低通滤波后的曲线，可以看出，第一个峰值为弹体触靶时的过载值，约为26 000g，之后的数据应为弹体四周受到的摩擦阻力过程。除了轴向的过载数据，记录仪还成功记录了炮弹径向和切向的数据。

图9 弹体触靶过载曲线

本记录仪使用国内自主研发的加速度传感器，通过实际弹载测试得到了有效可用的过载数据，功能上已经能够替代使用进口传感器的传统记录仪。在本次炮弹发射试验中，记录仪有效记录了全部加速度数据，并在回收后能完整地读出数据，这表明经过小型化设计的记录仪受到了有效防护，能够在弹上恶劣环境中存活。最后经过记录仪内部滤波后获取的波形也得到了较理想的结果。

5 结束语

本文设计了一种基于FPGA的三向过载记录仪，使用国内自主研发的传感器,能在炮弹发射过程中实时记录弹体3个方向的过载数据。在结构设计中使用多层复合结构以保护电路，在电路设计中使用双存储器备份重要数据。与传统弹上记录仪相比，该仪器具有更小的体积和更高的可靠性，在实际实验中成功获取数据，验证了仪器的抗震性能，为弹道特性的研究提供了有力的数据，同时为国内传感器的自主研制提供了参考。

[1]张冬青，蒋琪.世界导弹武器装备与技术5年发展回顾与展望[J].飞航导弹，2016（1）：1-8.

[2]胡功笠，刘荣忠，齐爱东.动能弹侵彻钢筋混凝土靶的试验研究[J].弹箭与制导学报，2005，25（1）：24-26.

[3]刘志德，王勇，陈家斌，等.智能炮弹姿态测量新方法[J].计算机仿真，2010，27（6）：49-52.

[4]徐鹏，祖静，范锦彪.高g值侵彻加速度测试及其相关技术研究进展[J].兵工学报，2011，32（6）：739-745.

[5]汤俊，葛建立，闫彬，等.弹丸侵彻闭孔泡沫铝冲击波形数值模拟[J].南京理工大学学报（自然科学版），2016，40（3）：328-333.

[6]尤文斌，丁永红，祖静，等.弹底过载存储记录仪[J].弹箭与制导学报，2012，32（5）：145-146.

[7]张晶.高过载数据储存器缓冲隔振结构设计[D].北京：中国科学院研究生院，2011.

[8]ZHANG W， CHEN L， XIONG J， et al.Ultra-high g deceleration-time measurement for the penetration into steel target[J].International Journal of Impact Engineering，2007，34（3）：436-447.

[9]钱立志.弹载任务设备抗高过载方法研究[J].兵工学报，2007，28（8）：1017-1020.

[10]SHI G， HU F， SHI Y.Recent research advances of high strength steel structures and codification of design specification in China[J].International Journal of Steel Structures，2014，14（4）：873-887.

[11]ZHANG J， JIA H G， DING L， et al.Buffer and vibration optimization of missile data recorder structure[J].Advanced Materials Research，2011（328-330）：2304-2307.

[12]HARNSOONGNOEN S，SURAWANITKUN C.Fast switching in thermoelectric spin-transfer torque MRAM with temperature increase caused by peltier effect[J].Integrated Ferroelectrics，2015，165（1）：98-107.

[13]ZHANG Z， SHI Z， YANG Z， et al.Design，simulation and fabrication of triaxial MEMS high shock accelerometer[J].Journal of Nanoscience&Nanotechnology，2015，15（4）：2952-2957.

[14]慕艾霖，赵晓锋，李宝增，等.纳米多晶硅薄膜电阻压力和加速度多功能传感器[J].强激光与粒子束，2016，28（6）：78-84.

[15]白旭.压阻传感器原理及应用[J].仪器仪表用户，2004，11（5）：80.

[16]桂静宜.二阶有源低通滤波电路的设计与分析[J].电子科技，2010，23（10）：15-17.

（编辑：商丹丹）

Three-direction projectile overload recorder with small size based on FPGA

MA Youchun1，2， WU Zhengyang1，2， JIANG De1，2， WANG Xiaojuan1，2
（1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China；2.Key Laboratory of Instrument Science&Dynamic Measurement of Ministry of Education，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In the research and development test of projectile，the test of penetration and overload characteristics of projectile is of great significance.In order to obtain the overload curve of projectile in the bore and the whole flight process，a small and high impact resistant overload recorder is designed.The recorder uses FPGA as the main control chip and Flash as the storage medium， and uses MRAM to backup key data to improve reliability.The overload data is obtained by reading back data.The composite structure of high strength steel combined with filled rubber is used to improve the impact resistance of the recorder.In the test of certain type of balance cannon， the recorder is able to bear the high impact of the bore and in the targeting，and records the overload data of three directions of axial，radial and tangential.The measured maximum peak overload value reaches 2.6×104g， indicating that the recorder has a high survival ability in harsh environment of projectile.

data recorder； FPGA； miniaturization； high impact resistance

A

：1674-5124（2017）07-0083-05

10.11857/j.issn.1674-5124.2017.07.016

2016-10-20；

：2016-11-13

马游春（1977-），男，江苏盐城市人，副教授，博士，研究方向为测试计量技术与仪器、电子测试仪器与系统。