中遠程導彈全彈道數據記錄儀

趙凱明， 范錦彪， 王 燕

（1．中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2．中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051）

中遠程導彈全彈道數據記錄儀

趙凱明1，2， 范錦彪1，2， 王 燕1，2

（1．中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051；2．中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051）

針對中遠程導彈對全彈道、多參數、高精度采集的測試要求，以及當前數據記錄儀高速采集和大容量非易失存儲之間密度兼容困難的問題，提出基于大容量Flash芯片的存儲器并行流水線設計與復雜可編程邏輯器件（CPLD）和低功耗AVR單片機結合的智能雙控設計，研制一套針對中遠程導彈的全彈道數據記錄儀，提高采集速率，擴充采集容量，實現記錄儀高速采集和大容量非易失存儲的密度兼容。并根據記錄儀在實際使用中對高抗振動沖擊、智能啟動和低功耗的測試需求做相應的典型設計，該測試儀現已應用于某新型空地導彈全彈道的測試，成功獲取導彈在全彈道內的各種數據，對新型導彈的研制和驗收具有參考價值。

數據記錄儀；中遠程導彈；高速采集；大容量存儲；智能啟動

0 引 言

隨著彈載記錄儀的應用逐漸向中遠程導彈領域擴展，記錄任務也由最初的某階段單個參數向整個彈道、多個參數發展，加上越來越高的精度需求[1-2]，對記錄儀各方面設計都提出了更高的要求。本文基于某中距離空地導彈全彈道記錄儀的研制，對中遠程導彈全彈道記錄儀設計的關鍵技術進行了深入的研究，通過對采集速率、存儲容量、功耗、抗干擾和抗沖擊等方面的考慮，設計了一套適用于中遠程導彈全彈道數據采集的記錄裝置，具有高速率、高精度、大容量、低功耗、抗干擾和抗高沖擊等特點，并成功應用于中遠程導彈全彈道數據的記錄。

1 系統組成及其工作原理

在測試儀的設計中，采用AVR和CPLD為控制核心，使用USB連接PC上位機作為數據傳輸設備，系統硬件組成如圖1所示，主要包括傳感器組、高強度外殼、緩沖材料和核心電路。核心電路由模擬信號調理模塊、CPLD數據采集控制模塊、AVR系統控制模塊、數據存儲模塊、數據傳輸模塊以及電源控制模塊組成。

2 測試特點和難點分析

1）低功耗的要求。記錄儀在導彈發射時接受導彈系統發出的啟動命令，實時采集和存貯導彈發射和飛行過程中規定的動態數據。一方面，在發射試驗前要經過組裝、聯試、篩選、運輸等步驟，試驗流程精細復雜，需要多方審批文件，耗時長；另一方面，導彈屬于火工產品，組裝拆卸需要經過審批并由火工裝配廠負責，其他情況不得拆卸[3]；這就要求記錄儀能多次測試復位，有超長的待機時間，而可容納電池的空間有限，所以系統必須具有低功耗的特性。

2）高速大容量、非易失性存儲器的難點。為回收后再現導彈的工作信息，需要很高的測試精度，加上多參數同時記錄，容量也會相應增加[4]。而快速的非易失性存儲器容量有限，不能夠滿足中遠程導彈全彈道多參數記錄對容量的要求。設計時就會面臨高速大容量與非易失性存儲器之間的矛盾。

3）智能啟動的要求。導彈測試系統同時帶有遙測、慣導、舵機等多方部件，相互間會有一定的電磁干擾，運輸和貯存過程也可能產生一些靜電。為了防止靜電和電磁干擾造成測試儀的誤啟動，需要設置相應的啟動信號校驗；另外，校驗時段內相應的數據有一定的參考價值，需要一個既能進行啟動校驗又能不丟失校驗時數據的智能啟動設計。

4）對抗沖擊能力的要求。記錄儀安裝在導彈導引頭內部，導彈發射出去后，在導彈發動機的推動下飛行10～20km后落地，高速墜落對記錄儀造成很大的破壞力，測試環境惡劣，要求記錄儀在有限的空間內具有很好的抗沖擊能力。

5）操作簡便的要求。導彈測試系統帶有遙測、舵機、慣導、發動機等部件，各部分協調工作，不得影響和干擾其他部分的正常工作[5]。

3 典型設計

圖1 系統硬件組成

3.1 低功耗設計和電池選用

具體而言，首先要建設好網絡道德行為規范，重點要可操作性強，要具體到哪些行為是道德行為，哪些行為是不道德行為，讓人一看就明。二是通過各種方法與途徑使大學生了解網絡道德行為規范，培養文明上網的行為習慣。通過教育，讓學生懂得，虛擬社會和現實社會沒有兩樣，不能因為網絡行為的去抑制性而隨心所欲、肆意而為，忘記了起碼的行為準則。并時刻以網絡道德規范自己的上網行為，不發表不負責任的言論，不肆意攻擊、侮辱他人，不造謠傳謠，不傳播黃色信息等，并能對自己行為的后果負責。

低功耗設計主要在供電系統的控制和主控芯片的選擇。一方面，采用單獨的CPLD控制供電系統，超長待機可達一年，并且設置采集完畢自動進入低功耗數據保持模式，極大程度降低非采集時段的功耗；另一方面，選取低功耗的AVR主控芯片配合高速的CPLD工作，非采集時段CPLD采集控制模塊全程關閉，既滿足采集對高速率的要求，又把功耗控制在可接受范圍內[6]。

電池選用工業級鋰電池，容量510mAh，兩片緊貼放置，配合電路的低功耗設計，完全滿足測試全程對電量的需求，并留有很可觀的安全余量。經實踐證明，能很好地供系統完成各項記錄任務。

3.2 高速度與高容量非易失性存儲設計

3.2.1 CPLD數據采集控制模塊

為實現實時數據的高速采集，設置CPLD數據采集控制模塊，主要完成數據高速采集存儲的同步數據邏輯部分，如時鐘設置、地址發生器等。利用CPLD的高速并行傳輸特性，實現同步數據的高速采集[7]。

3.2.2 存儲器的并行流水線設計

根據中遠程導彈全彈道數據記錄儀對存儲介質高速度大容量非易失性存儲的要求，選取近期國內廣泛應用的Flash Memory芯片，頁存儲速度達10MB/s以上，根據項目實際，可選取1 GB，4 GB，8 GB等不同容量Flash Memory芯片。但由于該芯片是按頁寫入模式，當一頁數據（2112B）寫滿閃存寄存器后，將寄存器中的數據編程到非易失性介質中，一次編程的典型時間需要192 μs。這個時間的存在使得單片Flash Memory無法全速度連續記錄采樣，針對這個局限性提出了基于多片Flash Memory存儲器的流水線存儲技術。

圖2 Flash基于流水線的存儲時空圖

單片Flash容量為M，平均全寫入速度為fn，系統采用m行n列的網絡拓撲結構。系統綜合性能：總容量為M總，系統平均寫入速度f總[8]：

由式（1）和式（2），可知系統存儲總容量與總寫入的速度得到了很大的提高，使Flash Memory可以全速度連續記錄采樣，解決了高速大容量、非易失性存儲器的問題[9]。

3.3 智能啟動和存儲器負延時設計

為了防止靜電和電磁干擾等造成的誤觸發同時又能完整地記錄測試信號，在電路中使用智能啟動配合Flash負延遲存儲技術來啟動記錄儀。啟動命令由一個上升沿和一個250ms的高電平校驗組成。

基于Flash的負延遲存儲技術，是將閃存的一部分容量N=5M×8bit作為循環記錄存儲器，如圖3所示。

圖3 基于Flash存儲器的負延遲框圖

當啟動命令的上升沿到來時，這部分容量N開始循環記錄數據，同時控制器對觸發信號進行校驗，若通過250 ms高電平校驗，順序記錄閃存剩余的（M-N）存儲空間；若沒通過校驗，停止循環記錄。智能啟動配合負延遲技術既防止了記錄儀的誤觸發，又能將啟動校驗時的信號完整記錄下來，增強了裝置的可靠性，并保證了數據記錄的完整和有效性。

圖4 測試儀結構（單位：mm）

圖5 記錄儀的狀態圖

3.4 抗高沖擊設計

記錄儀的抗高沖擊設計，主要包括電路環氧灌封、高強度內膽和外殼以及夾層緩沖材料3個方面[10]，記錄儀結構如圖4所示。電路置于內膽內用環氧灌封，內膽和外殼都用高強度鋼材料制成，內膽和外殼之間裝有尼龍和橡膠保護材料。測試儀會有嚴格的可靠性測試，由可靠性測試中心進行沖擊、振動測試，測試合格才可使用[11]。

3.5 簡便可靠的工作流程設計

圖5是記錄儀的狀態圖。該記錄儀有8種狀態，其中6種為其主工作態：待機狀態，數據采集狀態,數據保持狀態，讀數狀態，數據已讀狀態，擦除狀態；2種備用狀態：未擦除待機狀態，斷電數據保持態。

測試儀以待機狀態裝配入導彈，在整彈進行綜合聯試、可靠性篩選的過程中，記錄儀按照6種主工作態可以多次記錄、讀取、擦除、復位到待機狀態。聯試篩選完畢后，直至記錄儀回收不需要其他操作[12]。

圖6 實測架口信號

2種備用狀態的設計，提高了數據的安全性。在電源耗盡或不擦除復位的情況下，接通電源重新啟動，即可進入主工作態讀取數據。

圖7 實測導引頭沖擊加速度曲線

圖8 實測導引頭沖擊加速度曲線局部展開圖

圖9 實測質心振動加速度曲線

4 實測信號分析

上述中遠程導彈全彈道數據記錄儀已對某中程空地導彈進行了多次測試，成功獲取了該型導彈多組數據。1組測量數據有13個測試信號，分別為導彈導引頭、戰斗部、舵機3個部位的3組三軸沖擊加速度信號、質心部位的1組三軸振動加速度信號和1組架口信號。以下對1組典型數據進行分析。

4.1 實測架口信號

圖6是實測的1組架口信號，是導彈發射出發射架的時間記錄信號，由圖可以看出，導彈在0.64s時發射出發射架，飛行到70.86s時落地。

4.2 實測沖擊加速度信號

3個三軸向的沖擊加速度信號分別由導引頭、慣導和舵機位置測得。圖7為導引頭部位的1組三軸向沖擊加速度信號，包括X軸，Y軸，Z軸3個方向信號，X軸為導彈飛行方向，Y軸為水平方向，Z軸為XY所確定平面垂直方向。可以看出，導彈在一開始點火到出發射架時受到明顯的沖擊導致沖擊加速度信號的巨大波動。由展開后的曲線（見圖8）可知X軸向最大正向沖擊為382.1g，最大負向沖擊為197.8 g；Y軸最大正向沖擊為180.7 g，最大負向沖擊為233.2 g；Z軸最大正向沖擊為109.3g，最大負向沖擊134.3g。

圖9為實測的1組振動加速度信號，由導彈質心位置測得，分為X軸，Y軸，Z軸3個軸向。可以看出，導彈在飛行過程中，振動逐漸增大到一定值后穩定一段時間再逐漸減小直至落地，對應導彈飛行的加速、恒速、墜落各階段。在某些階段對導彈有角度調整，相應的實測信號某些位置振動有增減。導彈飛行全程中X軸振動在8 g以內，Y軸振動在10 g以內，Z軸振動在7g以內。

5 結束語

本文對中遠程導彈全彈道數據記錄儀研制的關鍵問題進行了深入的研究，設計了一套針對于中遠程導彈全彈道數據記錄的裝置，并應用于某中程空地導彈全彈道數據的記錄，成功置于導彈導引頭內并在高速墜落的惡劣環境中獲取了有效數據，所測得的數據與理論分析情況相符。對新型中遠程導彈的設計、研究及驗收有具有參考價值。

[1]邢聯大，蘇振華，尹安治.導彈數據記錄儀應用研究[J].火力與指揮控制，2014（4）：164-167，170.

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[6]張嬌婷，張穎龍，朱怡，等.基于ARM+FPGA的通用導彈彈載記錄儀的設計[J].彈箭與制導學報，2014（2）：38-41.

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[12]張文棟，李永紅，高金山.導彈數據記錄儀[J].兵工學報，1995（2）：87-90.

（編輯：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

趙凱明（1991-），男，山西臨汾市人，碩士研究生，專業方向為智能儀器與動態測試。