常規彈藥飛行參數測量系統設計

侯利朋， 李 杰，b， 張 松， 劉 俊，b

(中北大學a.電子測試技術國防科技重點實驗室;b.儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引言

常規彈藥具有靈活性好、成本低廉、抗干擾能力強、庫存量大等優勢，仍然是現代戰爭中的主要打擊力量，但是常規彈藥普遍命中精度差，難以有效地打擊目標，合理的低成本制導化改造是當前大量庫存常規彈藥發揮性能的有效途徑[1]。常規彈藥制導化改造的前提是準確獲取彈丸飛行過程中的姿態和位置信息，即實時精確測量彈體的各種飛行參數成為制約常規彈藥制導化改造的關鍵技術[2-3]。

本文主要介紹了常規彈藥飛行參數測量系統的組成和具體實現方法。該測量系統可以提供被測載體的實時姿態、位置和速度等信息，且具有體積小、成本低、抗高過載以及易于安裝等優勢，是常規彈藥飛行參數測試的重要組件。該飛行參數測量系統還可以與雷達、GPS等外部測量手段相結合，有效彌補現有外部測量手段信息單一的缺陷，滿足常規彈藥制導化改造過程中的測試需求[4-6]。

1 系統工作原理

常規彈藥飛行參測量系統由微慣性測量單元(Micro Inertial Measurement Unit，MIMU)信息敏感模塊、數據采集模塊、時序控制模塊和數據存儲模塊四部分組成，其組成原理框圖如圖1所示。

其中，MIMU信息敏感模塊由3個加速度計和3個陀螺儀組成，實時敏感彈體的加速度和角速度信息;數據采集模塊采用AD轉換器，實時采集MIMU輸出的六路彈體飛行參數信息，并將模擬信號轉換成數字信號;時序控制模塊采用FPGA，控制AD轉換器采集MIMU信息，并將轉換的結果讀到FPGA中，并按照一定的幀格式進行編碼，最終將彈體飛行參數信息存入Flash 中[7-8]。

2 系統硬件設計

2.1 MIMU信息敏感模塊

MIMU是一種基于MEMS傳感器的新型慣性測量組合，具有體積小、低功耗、高抗過載能力等優點，特別適用于高動態、高過載、空間狹小的惡劣環境[9]。MIMU由3個加速度計和3個陀螺儀組成，其安裝示意圖如圖2所示。

圖2 MIMU表頭示意圖

3個加速度計配置在3個正交的平面上，敏感軸兩兩相互正交，用來敏感彈體3個不同方向的加速度信息;同樣，3個陀螺儀配置在3個正交的平面上，敏感軸兩兩相互正交，用來敏感彈體3個不同方向的角速度信息，為進一步常規彈藥位置和姿態的解算提供飛行參數信息[10-11]。

實際試驗過程中使用的MIMU集成實物如圖3所示。該微慣性測量組合內部已經集成了3個MEMS加速度計和陀螺儀及相應的信號調理電路，為后續的數據采集提供其敏感到的加速度及角速度信息相對應的模擬電壓值。

圖3 MIMU實物圖

2.2 數據采集模塊

數據采集模塊采用TI公司的16位六通道高速同步模數轉換芯片ADS8365。該芯片具有高速、低功耗的特點，通過控制各通道的啟動轉換信號實現6路信號的同步采集，使得采集的加速度計和陀螺儀信號具有很好的同步性，為進一步的位置和姿態解算提供了可能。ADS8365在5 MHz的時鐘頻率下工作時，能夠達到的最高采樣率為250 kHz，滿足系統實時性的要求[12]。同時，16位的轉換精度能保證整個系統的測量精度，適合常規彈藥的彈體飛行參數信息的采集。

2.3 時序控制模塊

系統時序控制模塊采用Xilinx公司生產的Spzrtan-II系列的XC2S30。該FPGA內核采用2.5 V低電壓供電，工作頻率高達200 MHz，從根本上減小了芯片的功耗，同時也解決了高速工作狀態下發熱量大的問題，其次XC2S30共有100個引腳，4個時鐘輸入端，92個I/O口，3萬個門電路，216個可編程邏輯模塊。其內部集成了6個雙口RAM，共24 kbits，具有靈活的可配置性和良好的抗干擾性，如此豐富的門陣列資源也為實現復雜的控制邏輯提供了可能。

FPGA的通用輸入/輸出(I/O)引腳靈活配置為AD數據輸入口，將16位的AD數據傳輸到FPGA中。FPGA為AD提供時鐘，HOLDA、HOLDB、HOLDC啟動AD開始轉換，分別控制A、B、C3個通道6路信號發生數模轉換，FPGA對轉換信號提供相同的脈沖信號，這樣可以實現MIMU中3個加速度計和3個陀螺儀數據的同步采集。當ADS8365轉換結束后，EOC信號高電平變化為低電平，FPGA通過判斷EOC信號的變換，控制AD的RD信號，將轉換結束后的16位數字信號讀取出來并傳輸到FPGA中，進一步控制FLASH將數字信號存儲到其中[13-14]。

2.4 數據存儲模塊

數據存儲模塊采用三星公司的K9K8G08U0M，該存儲器采用NAND結構，具有大容量、高可靠性、耐震動、尋址簡單的特點，并且掉電后數據不會丟失。

在將數據寫入Flash的過程中，每當寫完一頁，需檢測I/O 6和I/O 0的狀態，當I/O 6變為高電平I/O 0變為低電平后，再進行下一頁的數據寫入，否則數據寫入幾頁后將停止寫入操作，造成記錄數據的丟失，這一點在實際的應用過程中很重要[15-16]。

3 系統軟件設計

系統的軟件設計分為兩部分，首先需要控制AD同步采集MIMU數據和轉換，其次將轉換后的數據按照事先約定的固定幀格式將數據寫入Flash中。

XC2S30提供3個 HOLD信號給 ADS8365，啟動AD 6路模擬通道同步轉換，并檢測AD的轉換結束信號EOC，當EOC由高電平跳變為低電平時，表示此次模數轉換結束，FPGA控制RD信號將轉換后的數字信號按當前配置的讀取方式從AD的輸出寄存器中讀入FPGA中。AD采集流程如圖4所示。

圖4 AD采集流程

AD 6路模擬信號分別對應MIMU的3個加速度計和3個陀螺儀測量到的信息，為便于存儲數據的分離和提取，則需要將該6路信號以一定的編碼方式寫入Flash中。

本設計中系統采用的通訊數據幀編碼方式如表1所示。

表1 數據幀編碼方式

由表1可知，通訊數據幀共24 Byte，B23為高字節，B0為低字節。B23、B22為幀頭，用以上位機程序判斷數據幀的起始。幀計數初始值為0，每采樣1幀數據，幀計數值加1，據此可以判斷系統工作過程中采樣的數據量，同時，根據數據幀的連續性，可以判斷數據是否完整。當AD的采樣率設定為固定值時，通過幀計數可以得到該幀數據的采樣時間。B18～B1為采樣數據，記錄采集的MIMU數據，3 Byte為一組，從高到低依次為X、Y、Z軸向的加速度信息和X、Y、Z軸向的角速度信息。B0為幀校驗和，上位機讀取數據后，計算校驗和，如果結果與B0相同，說明數據通訊正確;否則數據傳輸有誤。

上位機從Flash中讀取的數據，需要進行分離后才能進一步解算每時刻MIMU敏感到彈體3個方向的加速度和角速度信息。數據幀中的數據包括采集的通道編號以及所采集的該通道數字量。以B18～B16為例，包含通道編號以及X軸向的加速度數據，其中B18表示通道數，其編碼方式如表2所示。

表2 B18編碼方式

DV表示讀取數據的有效性，A2、A1、A0為通道的編號;DB3、DB2、DB1、DB0為讀取的該通道的低4位數據;B17為該通道的低8位數據;B16為該通道的高8位數據。若將這3個有效字節分別命名為Byte1、Byte2和 Byte3，則:

通過上面的分離公式，就可以完成數據分離。

常規彈藥在落地時，由于落地點環境復雜，彈體所受到的沖擊相當大，可能導致采存器斷電后重新上電，這樣導致原來寫入Flash中的數據會被覆蓋形成亂碼，所以本設計中對于Flash存儲數據模塊采用分區處理的方法。對于8 GB的Flash，將存儲空間分為4區，其中每區占用空間為2 GB，第1次上電，將采集到的數據存儲在第1區中，依次類推，第4次上電將數據存儲在第4區中，之后再有誤觸發上電，則數據不再寫入，這樣就可以保證落地后數據的正確性和完整性。Flash分區存儲流程如圖5所示。Flash的分區還可以實現彈體裝配后的性能測試，而不影響彈體飛行過程中加速度的和角速度的實時記錄。

4 試驗驗證

為驗證該系統測量數據的準確性和可靠性，將飛行參數測量系統安裝在飛行仿真轉臺上，飛行仿真試驗現場如圖6所示。控制轉臺以一定的方式運行，實時采集加速度計和陀螺儀信息，對仿真試驗數據進行分析。

圖5 Flash分區存儲流程

圖6 飛行仿真試驗現場

將原始數據分離后，通過相關姿態算法解算，系統姿態信息如圖7所示。

通過與飛行仿真運行姿態的比較可以看出，該系統能夠有效完整地記錄彈丸在飛行過程中的參數，并能準確地反映仿真飛行過程中的姿態變化。

5 結語

本系統能夠實時準確地采集常規彈藥從發射到落地過程中的飛行參數，并將其存儲在Flash中，能較好地實現彈體實時、有效地動態參數采集。通過對飛行仿真轉臺試驗的結果可以看出，該系統存儲的數據能夠完整地記錄彈體飛行參數，并經一定的算法解算后能準確地反映彈體在飛行過程位置和姿態信息。該彈體飛行參數測量系統為常規彈藥制導化改造提供了可靠數據，具有一定的工程實用價值。

圖7 系統姿態信息

[1] 李全運，宋建梅.捷聯尋的制導系統濾波器設計[J].兵工學報，2005，26(2):215-219.LI Quan-yun，SONG Jian-mei.Filter Design for Strapdown Homing Guidance System[J].Acta Armamentarii，2005，26(2):215-219.

[2] 高 峰，張 合.基于基準角和補償角的常規彈藥滾轉角磁探測算法研究[J].探測與控制學報，2008，30(5):11-15.GAO Feng，ZHANG He.Algorithm of Roll Angle Determination of ConventionalAmmunitions Based on Benchmark Angle and Compensation Angle[J].Journal of Detection ＆ Control，2008，30(5):11-15.

[3] 郝宏偉.小直徑高速旋轉彈姿態參數測試技術研究[D].中北大學，2009.

[4] 牛春峰.彈道環境下的陀螺/GPS組合姿態測量方法研究[D].南京理工大學，2012.

[5] 周徐昌，沈建森.慣性導航技術的發展及其應用[J].兵工自動化，2006，25(9):55-56.ZHOU Xu-chang， SHEN Jian-sen. DevelopmentofInertial Navigation Technology and Its Applications[J].Ordnance Industry Automation，2006，25(9):55-56.

[6] Park D B，Shin D H，Oh S H，et al.Development of a GPS/INS System For Precision GPS Guided Bombs[J].Aerospace and Electronic Systems Magazine，IEEE，2012，27(3):31-39.

[7] 劉志平.基于FPGA的高速數據采集存儲系統設計[D].西安:電子科技大學，2009.

[8] 何 亓，張會新，劉 波，等.基于FPGA的高速實時數據采集存儲系統設計[J].儀表技術與傳感器，2011(8):64-66.HE Qi，ZHANG Hui-xin，LIU Bo，XIONG Ji-jun.Hjgh-speed and Real-time Data Acquisition and Storage System Based on FPGA[J].Instrument Technique and Sensor，2011(8):64-66.

[9] Li Y，Chen J，Yue F，et al.Study on Guided Projectile Ballistic Trajectory Measurement Based on MIMU System[C]//Automatic Control and Artificial Intelligence(ACAI 2012)，International Conference on.IET，2012:1973-1976.

[10] Zhou Z Y，Liu S P，Wang Q，et al.Design and Realization of Modular MEMS-Based Attitude Measurement and Control System Based Wireless Sensor Networks[J].Key Engineering Materials，2012，503:393-396.

[11] 李 杰，劉 俊.制導彈藥用微慣性測量單元結構設計[J].兵工學報，2013，34(6):711-717.LI Jie，LIU Jun.Design of Micro-electromechanical Systems Inertial Measurement Unit Structure for Guided Ammunition[J].Acta Armamentarii，2013，34(6):711-717.

[12] Wei K.High-speed Synchronous Data Acquisition System Based on the ADS8365[J].Computer Development＆ Applications，2009(4):019.

[13] 李 鵬，馬游春，李錦明.基于FPGA的多路數據采集模塊硬件設計[J].儀表技術與傳感器，2010(3):80-82.LI Peng，MA You-chun，LI Jin-ming.Hardware Design of Multichannel Data Acquisition Module Based on FPGA [J].Instrument Technique and Sensor，2010(3):80-82.

[14] Bao A，Zhang Q，Wei Y，et al.The Design and Testing of a New FPGA Data Acquisition System[C]//Electricaland Control Engineering(ICECE)，2011 International Conference on IEEE，2011:4124-4127.

[15] 楊志勇，文 豐，郝曉劍.基于Flash存儲器的抗高過載電子記錄器關鍵技術研究[J].國外電子測量技術，2009，28(7):27-29.Yang Zhi-yong，Wen Feng，Hao Xiao-jian.Study on Key Technology of Resisted High Overloading Electronical Recorder Based on Flash Memory[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2009，28(7):27-29.

[16] 王文杰，馬游春，李錦明.NAND FLASH在儲存測試系統中的應用[J].電子技術，2009(4):006.WANG Wen-jie，MA You-chun，LI Jin-ming.High-density NAND FLASH Used in Storageand TestSystems[J]. Electronic Technology，2009(4):006.