基于LXI总线的炮口冲击波分布式测试系统设计

2021-10-15赖富文孔凡胜刘榆华

兵器装备工程学报 2021年9期

赖富文，孔凡胜，高赫，刘榆华

(中国人民解放军63850部队，吉林白城 137001)

1 引言

各种火炮、火箭炮和导弹等武器发射时产生的炮口冲击波对周围的作战人员、仪器设备造成损伤或破坏，战时还会暴露己方阵地和妨碍通信[1]。兵器发射时产生的炮口冲击波和脉冲噪声对作战人员的听力损伤十分广泛[2-5]。基于VXI、USB等总线技术的长引线测试系统[6-10]，无论是针对炮口冲击波测试的专用仪器[6-8]，还是组合式的测试仪器[9-10]，一般都是由传感器、调理放大器、数据采集仪和主控计算机组成。试验时，传感器与调理放大器(或传感器)放置于炮口周围，数据采集仪(或调理采集仪)和主控计算机放置于距离炮口100 m远的方舱内。长引测试系统仅适用于测试点位较为集中、点位数量少的测试。随着无线技术的发展，无线存储测试技术也开始在炮口冲击波测试上得到应用[11-14]。无线存储冲击波测试装置可以解决多点位分布测试问题，特别在爆炸威力冲击波测试中优势明显。其缺点是无线数据传输速度低，无快速判读功能，不适用于火炮快速射击、射击持续时间长的火炮测试。结合炮口冲击波测试新需要，本文中提出了基于LXI总线技术的炮口冲击波分布式测试系统设计。

2 总体技术方案

LXI(LAN extension for instrument)是2004年Agilent公司和VXI科技公司推出的一种新型仪器接口规范，是一种适用于自动测试系统的新一代基于LAN的模块化平台标准[14]。LXI总线技术最大的特点将目前非常成熟的以太网技术引进到自动测试系统中，以替代传统的测试总线技术，同时引入了同步、触发等关键技术。考虑到现有总线技术和无线存储测试技术的炮口冲击波测试仪器存在的不足，采用基于LXI总线技术的炮口冲击波分布式测试系统设计总体技术方案。炮口冲击波场测试系统主要由压力传感器、4台8通道LXI信号调理采集仪、一台以太网交换机和主控计算机组成，系统组成见图1。

图1 炮口冲击波测试系统组成框图Fig.1 Block diagram ofmuzzle shock wave test system

单台8通道LXI信号调理采集仪可独立工作，也可多台采集仪经交换机完成组网，并通过IEEE1588同步完成分布式测试。现场试验时，在待测试范围内各点位布放传感器，将LXI信号调理采集仪置于测试点附近，传感器与LXI信号调理采集仪之间采用约30 m信号线连接。根据现场测试范围需要采用长网线或短网线将各台LXI信号调理采集仪连接到以太网交换机上，交换机和主控计算机用一根长100 m的网线连接。

炮口冲击波测试对测试仪器的一般要求为工作带宽上限频率不低于100 kHz(±3 dB)，传感器上升时间不低于10 μs，采样频率2 MHz，存储测试时间满足多发连续射击时间。

3 系统硬件关键设计

3.1 传感器

当前，用于冲击波测试传感器主要有压阻式压力传感器和压电式压力传感器两类，压阻式压力传感器优点是低频响应好，可低到0Hz，利于静态标定，缺点是高频响应不足。压电式压力传感器优点是高频响应好，缺点是低频响应不足，影响持续时间的测试，不能静标。本系统传感器选择了某型压阻式压力传感器，其主要技术指标为：测试范围0～300 kPa，谐振频率优于300 kHz，非线性0.1%FSO，上升时间小于10 μs。

3.2 LXI信号调理采集仪

LXI信号调理采集仪主要由调理采集电路、背板、LXI嵌入式平台和电源等组成，组成原理如图2所示。调理采集电路主要为传感器提供10 V桥压，对信号进行调理、A/D转换、数据缓存等功能。主要包括电压源激励电路、桥路平衡校准电路、电压保护电路、信号调理放大电路、信号滤波电路、A/D转换电路、数据缓存电路等。背板主要实现PCIe-PCI总线转换功能，为LXI嵌入式平台访问mSATA固态硬盘和采集卡提供通路。LXI嵌入式平台主要对采集卡控制mSATA固态硬盘访问，提供LAN接口与主控计算机连接等功能。此外，LXI嵌入式平台还实现USB接口、1558同步、TTL逻辑控制等功能。AC-DC电源将提供的220 V交流输入电源转换为各个单元模块工作所需的电源，并进行有效的滤波和抗工频干扰。

图2 LXI调理采集仪的电气组成框图Fig.2 Electrical composition block diagram of LXI conditioning acquisition instrument

设计的LXI调理采集仪采样频率2 MSa/s，工作带宽250 kHz(±10%)，同步精度优于0.1 μs，电压量程为±500 mV、±200 mV和±100 mV等3挡可调，精度优于1‰，桥压10 VDC，AD分辨率16 bits，存储容量32 GByte。

3.2.1调理采集电路

单通道电路主要实现对被测信号的差分输入、电压保护、增益调整、抗混叠滤波以及对调理后的信号进行模/数转换，电路结构如图3所示。

图3 单通道电路结构框图Fig.3 Single channel circuit structure diagram

传感器适调电路主要对输入模拟通道进行电压保护和提供传感器激励电压。电压保护电路采用2个限流电阻，配合钳位二极管来实现过压保护。增益放大电路(PGA)采用2片AD8250，实现1、2、5、10、20、50、100共7档增益。模拟抗混叠滤波采用2个2阶巴特沃斯低通滤波电路级联的方式，实现巴特沃斯4阶低通滤波器。A/D选用自带数字滤波功能的16 bits高精度模数转换芯片AD926。FPGA是采集仪的控制核心。转换后的数据由FPGA控制存储到其内部FIFO存储器中，当FIFO到达读取阈值后，由SDRAM控制器将数据存储到SDRAM中。同时，SDRAM控制器由DMA的方式将数据转移到LXI嵌入式平台的电子硬盘中。电桥平衡反馈电路主要是根据测试的电压基线偏移量，通过FPGA控制反馈电路提供反偏移电压，自动调节电路平衡。

3.2.2背板

背板通过双路PCIe总线与LXI接口卡相连，其中一路通过背板上的PCIe-PCI桥与8路PXI调理采集卡相连，使LXI接口卡可以获取调理采集卡状态并对其进行控制。另一路连接到背板上的mSATA固态硬盘，实现LXI接口卡对固态硬盘的高速存取。

3.2.3LXI嵌入式平台

LXI嵌入式平台选用成熟模块AMC9003。它是一款以双核PowerPC处理器P1022为核心的嵌入式平台，对外具有LAN通信接口，对内具有PCIe总线接口。该平台运行嵌入式Linux操作系统，可以实现LXI总线接口、PXI/PXIe控制以及测试数据进行处理等功能。AMC9003符合LXI 1.4规范，可支持IEEE 1588同步功能。通过对AMC9003开发，并配合背板实现嵌入式平台对调理采集单元的控制以及对mSATA硬盘的访问。

3.2.4采集仪壳体

采集仪壳体组件主要包含前面板、后面板、上壳和下壳，如图4所示。整体壳体结构外形尺寸为450 mm×300 mm×75 mm，外壳结构的所有零件采用铝合金材质铣削加工而成。PXI调理采集卡、背板、LXI接口卡和电源采用螺钉与采集仪壳体底部硬连接构成一个整体。其中对PXI调理采集卡做了进一步加固，以保证固定牢固和散热充分。具体措施为将PXI板卡上安装一块散热用的腔体铝壳结构，再在铝壳的边缘安装楔形锁紧条，用于固定PXI模块。采集仪芯片上的热量先传导至与其接触的铝壳上，再热传导至楔形锁紧条上，楔形锁紧条上的热再传导至设备壳体上，最后通过自然对流方式散热到大气中。同时，在腔体铝壳的上方安装一块导热铝块，通过导热垫与采集仪的上壳接触，使其仪器上部也能散发热量。采集仪壳体能够防尘、防水、防振动，具有强度高、散热性能好的特点。

图4 采集仪壳体结构示意图Fig.4 Acquisition instrument structure

4 系统控制软件关键设计

软件包括下位机和上位机等2个部分，下位机软件运行在LXI仪器中，上位机软件运行在主控计算机端。LXI调理采集仪的软件架构如图5。

图5 LXI调理采集仪软件架构框图Fig.5 Software architecture of LXI conditioning acquisition instrument

LXI调理采集仪的下位机软件采用嵌入式Linux操作系统对AMC9003嵌入式模块开发实现；上位机仪器驱动及软面板使用LabWindows CVI开发，并提供LabVIEW调用接口的函数库。

LXI调理采集仪的软件主要实现的功能有：控制数据采集板卡前端电路的调理、采集；处理数据采集板卡DMA数据传输的中断请求；实现内存中采集数据的固态硬盘存储；实现内存中采集数据的算法处理并实时上传到软面板上实时显示；试后通过LAN或者USB接口读取固态硬盘中的数据文件。

软件主要工作原理描述如下：

1) 采集仪软面板在进行发送命令和回读状态数据时，通过VXI-11协议与下位机的服务程序进行通信。采集仪驱动将控制功能封装成SCPI命令传递给下位机的服务程序后，由SCPI命令解析器处理对应的功能函数号与参数，然后调用采集仪PCI驱动，控制数据采集单元。

2) 通过浏览器访问调理采集仪时，可以使用HTTP协议获取包含仪器基本信息和网络配置的静态web页面。

3) 采集仪软面板需要通过LAN接口回读大容量采集数据时，通过socket套接字的方式访问及上传数据文件。

4) 使用USB Device接口对采集数据进行读取时，通过RNDIS协议访问固态硬盘中的数据文件。

4.1 LXI仪器的发现与识别机制

使用LXI设备构建测试系统之后，为了通过LAN对LXI设备进行操作，需要查找并显示当前网络中存在哪些LXI设备，即确定各个设备的IP地址。每个LAN中的设备都需要一个有效的IP地址，仪器发现使用最便捷的方法是识别和获取系统中所有设备的IP地址。只有获取设备的IP地址，主控器才能通过以太网对它进行操作。

发现与识别采用VXI-11协议。VXI-11协议底层采用ONC、RPC来实现函数的远程调用，来沟通仪器控制端和仪器端。发现过程从仪器发现客户端程序主动查询开始，到支持VXI-11协议的设备发送正确应答结束。客户端程序进行RPC广播，在RPC广播的过程中，将仪器本身绑定在111端口或者在0x0607AF核心服务上发布过程号为0的程序号。设备端程序监听该端口，收到消息后建立通信连接。通过VXI-11协议完成发现过程之后，客户端程序发送设备识别指令“*IDN?”，设备通过发送包含设备制造商、仪器型号等信息的字符串完成设备识别。

4.2 LXI通信接口的实现

在C/S模式下，LXI调理采集仪与上位机的LAN接口通信主要采用VXI-11和socket套接字2种方式实现。仪器的控制命令发送、状态数据回读，以及实时数据的上传等功能均基于VXI-11协议通道实现；由于VXI-11协议的数据传输速率较低，不适合大容量数据的高速传输，因此，对于数据传输则使用socket套接字通信方式来实现大数据量的上传。

4.3 测试数据的实时显示功能的实现

为了快速判定系统数据采集是否正常，测试系统设计有示波器功能。可以使系统完成采集后，将测试结果比较快速、直观地实时显示在软件界面上。冲击波测试中每通道采样率高达2MSa/s，系统通道32个，很难将所采集的数据实时上传显示，试后读取数据时间也较长，不易对测试结果进行快速判断。系统快速上传显示功能采用抽点上传显示设计。数据抽点上传基于VXI-11协议，对于采样率2MSa/s采集的数据，按2000：1抽点上传显示。

5 试验应用

5.1 设备误差测试

5.1.1静态误差测试

采用Y059型静态压力标定机作为标准压力源，标定面的误差精度为0.05%。分20 kPa、40 kPa、60 kPa、80 kPa和100 kPa等5个段压力值检测冲击波测试系统的静态误差，测试3次。某支传感器对应通道误差测试结果见表1。

表1 静态误差测试结果

由表1可以看出，本传感器对应通道的静态误差最大0.80%。系统所有传感器及其对应通道测试最大误差为1.92%，满足设计2%的静态误差要求。

5.1.2动态误差测试

为了给出测试系统的动态性能和误差，采用激波管对传感器及其对应通道进行动态校准。图6为激波管校准某支量程50 psi传感器的动态响应曲线。从标定曲线中可以得到传感器的谐振频率为331.4 kHz，传感器上升时间为8 μs，超调量为65.10%。系统数据处理，设计了基于零极点动态特性补偿方法[17]计算处理方法。处理后的曲线见图5，处理后超调量由65.10%降到8.50%。动态误差为静态误差0.80%和动态超调量8.50%的合成值，结果为8.54%。

图6 原始校准曲线及处理后曲线Fig.6 Original calibration curve and processed curve

5.2 现场测试

在某型火炮炮口1/4区域、180°～270°(以射击方向为0°)范围内，每隔15°共7条径线、每条径线上在距，1L、2L、3L、4L和5L布放压力传感器。具体点位分布如图7所示。

图7 某型火炮炮口压力场布点示意图Fig.7 Measurement position distribution of a certain gun muzzle shock wave pressure

测试时，传感器距离地面1.5 m高，传感器敏感面垂直向上，火炮射角45°，射向0°。测试过程中，测试系统能够正常获取数据，各条径线上不同点位的测试结果见表2，测试数据符合冲击波分布规律。采用Delaunay三角网格划分法和3次样条函数插值法[18]，由各测试点位的冲击波超压值绘制的炮口冲击波等压线分布如图8所示。