基于FPGA的小型彈上三向過載記錄儀

馬游春 吳正洋 姜 德 王曉娟

（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）

基于FPGA的小型彈上三向過載記錄儀

馬游春1，2， 吳正洋1，2， 姜 德1，2， 王曉娟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）

在彈箭研發試驗中，對彈體侵徹過載特性的測試具有重要意義。為獲取彈體在膛內和整個飛行過程中的過載曲線，設計一種小型化、耐高沖擊的三向過載記錄儀。該記錄儀以FPGA作為主控芯片，Flash作為存儲介質，并采用MRAM備份關鍵數據以提高可靠性，通過回讀數據的方式獲得過載數據；采用高強度鋼配合填充橡膠的復合結構提高記錄儀的抗沖擊能力。經某型號平衡炮測試表明：該記錄儀能承受膛內和穿靶的高沖擊，并有效記錄軸、徑、切3個方向的過載數據。實際測得最大過載峰值為2.6×104g，表明記錄儀在彈上惡劣環境中具有較高的存活能力。

數據記錄儀；現場可編程門陣列；小型化；抗高沖擊

0 引 言

從近幾年的利比亞戰爭、俄烏沖突以及美“重返亞太”等重大事件來看，導彈武器以其高準確度、遠射程、綜合效費比高等特點，在各國作戰中發揮著不可或缺的作用[1]。開展真實的導彈打靶實驗能夠為研制和改進戰術導彈提供理論依據，對彈箭工作狀態信息進行實時記錄可以對發射技術與性能有全面的提升。在研究彈體在膛內以及穿靶過程中的過載特性和規律時，一個重要的被測對象就是加速度與時間的關系曲線[2]，即過載曲線。

對彈體加速度的測量一般采用彈上記錄儀，實驗后對記錄儀進行硬回收，然后讀取數據。但通常情況下炮彈的發射環境非常惡劣，最高能達到上萬個g的高沖擊，另外受到彈體空間的限制，對彈體過載的動態測試較為困難[3]。

在硬回收過程中，保護內部核心電路至關重要。國內傳統彈載記錄儀多采用鋼纖維橡膠彈簧或泡沫鋁作為緩沖材料[4]，但這種材料彈性模量小，緩沖過程會產生較大的形變[5]，容易擠壓內部核心電路，對電路造成損壞；若采用泡沫鋁作為緩沖材料，會占用記錄儀大量體積，不適合空間狹小的彈上使用。由于炮彈發射試驗存在環境惡劣、沖擊強等特點，當前使用的彈上記錄儀還經常暴露出回收成功率低的問題[6]。國外對高過載數據存儲裝置的研究較早，其具有較高的數據采樣率和抗沖擊能力，但外形尺寸普遍較大，并且要求較高的供電電壓[7]。

針對以上問題，本文設計了一種小型化、高可靠性的三向過載記錄儀。結構上將高強度鋼與柔性橡膠相結合，形成多層復合結構以充分保護電路；電路上使用雙存儲器，將重要數據備份存儲以提高可靠性。在實際打靶試驗中，回收后的記錄儀結構完整并能成功讀出有效數據。

1 結構設計

炮彈發射過程中，尤其在膛內、出炮口以及撞靶時，最大需承受幾萬個g的沖擊[8]。若對記錄儀整體進行抗沖擊緩沖設計，則會使沖擊脈沖寬度變寬，導致測得過載幅值比實際值小[9]。為此，該記錄儀使用高強度鋼作為主體結構，其力學表現能力與普通強度鋼結構相比有很大提高[10]。不對外部做緩沖處理，將傳感器直接安裝在高強度鋼上，使其充分吸收過載沖擊，避免測量不準的問題，主控電路和電池安裝在高強度鋼結構腔體內部，如圖1所示。

圖1 記錄儀內部基本構造

圖2 記錄儀外部圖

整個電路系統安裝完成后，通過螺紋安裝外層鋁殼，其既有減重的作用，也能減輕外力的剛性傳遞，保護電路板和電池，最后通過鋁殼預留孔灌入彈性膠，使用真空機排出空氣使彈性膠充滿腔體，形成鋁殼-彈性膠-鋼結構-彈性膠的復合結構，充分保護內部核心電路[11]，如圖2所示。安裝完成后，記錄儀的外形尺寸僅為φ50mm×55mm，與傳統記錄儀相比極大地壓縮了儀器體積，由美國研發的EDR-4M型固態導彈數據記錄儀，其外形尺寸為145 mm×140mm×74mm[7]。

2 電路設計

2.1 電路總體設計

硬件電路基本組成如圖3所示，電路包括主控電路板、信號調理板、3路傳感器以及外部接口等。PCB板使用Altium Designer 09軟件進行繪制，主控電路板和信號調理板都采用4層印制電路板。

2.2 主控電路板設計

圖3 硬件電路基本組成

主控電路板作為整個記錄儀的核心部分，實現復位、觸發、A/D轉換、數據存儲、數據讀取等系統功能。主控電路板主要包括FPGA模塊、Flash模塊、A/D模塊、MRAM模塊、電源模塊以及時鐘模塊，結構圖如圖4所示。加速度傳感器輸出的模擬信號經過信號調理后送入A/D轉換電路，在FPGA的控制下對采集數據編幀后存入Flash和MRAM中，記錄儀通過串口與上位機通信，實現復位、讀數、擦除等功能。串口通信采用速率為5Mb/s的RS232標準協議。

圖4 主控電路板結構圖

主控電路板以FPGA為核心，FPGA采用Xilinx公司的工業級芯片XC3S500E-VQ100，其外部配有66個自定義I/O口，內部資源豐富，在Xilinx ISE軟件平臺下，有很強的編程仿真能力，并且封裝尺寸較小，滿足小型化設計的要求。

A/D轉換器使用Analog Devices公司生產的AD7983，用于接收調理后的模擬傳感器信號，并對信號進行量化處理，再將信號傳輸到主控芯片FPGA中。AD7983模數轉換器具有16位的精度，最高采樣頻率可達1.33 MS/s，本文使用250 kHz的采樣頻率。A/D轉換器的電壓參考芯片使用TI生產的REF2930芯片，經過電壓跟隨器后為3個A/D轉換器提供穩定的3V參考電壓源。

Flash作為記錄儀的主存儲介質，負責記錄彈體從發射到落地靜止的全部數據。選用三星公司生產的K9K8G08U0M，該芯片具有1 GB的存儲容量，能夠記錄時長11min的過載數據，可完整記錄整個發射過程。

MRAM作為系統備用存儲介質，記錄彈體觸靶前后短時間內的加速度信息，目的是防止Flash損壞，作為保存重要數據的保障手段。考慮到小型化設計和需要重復多次寫入的要求，MRAM選用EVERSPIN公司的MR25H40存儲器，容量為512KB，是一種非揮發性的磁性隨機存儲器。其擁有靜態隨機存儲器（SRAM）的高速讀取寫入能力，以及動態隨機存儲器（DRAM）的高集成度，而且基本上可以無限次地重復寫入，以此來提高數據備份的可靠性[12]。

2.3 傳感器電路設計

傳統彈載記錄儀大多使用國外的加速度傳感器，導致國內傳感器不能得到大量實驗的驗證。該記錄儀選用由國內某研究所自主研發的壓阻型橋式電壓信號加速度傳感器，與電容型加速度傳感器相比，該傳感器具有更好的頻率響應和線性度[13]，也更適合大量程的加速度值測量，其滿量程為±8×104g，輸出的電壓范圍為±50mV，由于傳感器內部為惠斯通電橋結構，需要對其進行零位補償[14]，補償電路如圖5所示。VDD、GND、Vout+和Vout-為傳感器的四個管腳，在Vout+與GND之間或者Vout-與GND之間以任意方式并聯電阻，使其靜態時輸出為零，即完成零位補償[15]。

圖5 傳感器補償電阻

2.4 信號調理板設計

信號調理板是連接加速度傳感器與主控電路板的信號調理電路，主要完成傳感器信號放大和濾波。由于A/D轉換器只能轉換0～3V的模擬電壓信號，而傳感器輸出的電壓范圍為±50mV，則需對傳感器輸出的信號進行調理。信號調理板的電路原理如圖6所示，VIN+與VIN-直接連接傳感器，在第一級電路，通過電阻R7、R8將INA827配置成一個25倍的信號放大器，將信號放大成范圍為±1.25V的模擬信號；在第二級電路中，為信號加上1.25V的電壓偏置，并對信號進行濾波，采用無限增益多路反饋二階低通濾波電路[16]，旨在濾去彈體在發射過程中因自身頻率響應產生的高頻噪聲，最后輸出0～2.5V的模擬電壓信號完成信號調理。

圖6 信號調理板的電路原理圖

3 軟件設計

由于大型火炮試驗存在復雜性和危險性，臨近發射時人工無法近距離干預記錄儀啟動和觸發，考慮到存儲容量和待機時間的限制，在系統軟件設計中應著重考慮以下問題：1）記錄儀的智能上電和自動觸發等問題；2）檢測到有效數據后再進行數據存儲，避免存儲容量不足的問題；3）檢測到撞靶數據后再將其備份到MRAM的問題。

3.1 啟動設計

根據需求，記錄儀在彈體上安裝至少5h之后才發射。由于使用鋰電池供電，并且可用體積有限，所以在等待期間記錄儀不能處于高功耗的采集狀態，為此人工觸發啟動后即進入一個5 h的計時過程，此過程中，記錄儀處于低功耗的計時狀態。軟件設計流程如圖7所示。

3.2 Flash存儲設計

在經過5 h的計數等待之后，記錄儀啟動，A/D轉換器開始工作，FPGA開始采集數據；由于炮彈還未發射，數據都為無效數據，并不會存儲到Flash中，而是在FPGA內部的一個32KB大小的FIFO中循環記錄；炮彈發射時，沿彈體前進方向的加速度傳感器將采集到一個較強的信號，經過消抖處理，若信號換算為加速度后不小于2000g，則系統判斷炮彈開始加速，將FIFO中已經記錄下的炮彈發射前的32KB數據寫入到Flash存儲器中，并繼續記錄后續數據，直到記錄儀停止工作。

圖7 軟件設計流程圖

3.3 MRAM備份存儲設計

當記錄儀啟動時，MRAM存儲器開始循環記錄數據，即寫滿后再從頭寫入，覆蓋之前的數據。彈體觸靶時，沿彈體前進方向的加速度傳感器將采集到一個較強的信號，經過消抖處理，若信號換算為加速度后不小于10 000g，則系統判斷炮彈觸靶，此時容量為512KB的MRAM再記錄256KB數據即停止記錄，因此可以將彈體觸靶前后的各256 KB數據記錄下來，作為備份。

4 實驗驗證

將記錄儀安裝在某型號平衡炮底部測量彈體的加速度。彈體在膛內除了受到加速過載的作用，還受到膛內摩擦阻力的作用，從而產生較大的彈體結構振動響應。將實際測得的彈體前進方向膛內過載數據經過1 kHz低通濾波處理，可以更好地分析膛內加速過程，處理后的曲線如圖8所示，由圖可知整個膛內加速過程約為50ms，過載峰值約為2700g。

圖8 彈體膛內過載曲線

圖9是實際測得彈體前進方向的彈體穿靶過程經過30 kHz低通濾波后的曲線，可以看出，第一個峰值為彈體觸靶時的過載值，約為26 000g，之后的數據應為彈體四周受到的摩擦阻力過程。除了軸向的過載數據，記錄儀還成功記錄了炮彈徑向和切向的數據。

圖9 彈體觸靶過載曲線

本記錄儀使用國內自主研發的加速度傳感器，通過實際彈載測試得到了有效可用的過載數據，功能上已經能夠替代使用進口傳感器的傳統記錄儀。在本次炮彈發射試驗中，記錄儀有效記錄了全部加速度數據，并在回收后能完整地讀出數據，這表明經過小型化設計的記錄儀受到了有效防護，能夠在彈上惡劣環境中存活。最后經過記錄儀內部濾波后獲取的波形也得到了較理想的結果。

5 結束語

本文設計了一種基于FPGA的三向過載記錄儀，使用國內自主研發的傳感器,能在炮彈發射過程中實時記錄彈體3個方向的過載數據。在結構設計中使用多層復合結構以保護電路，在電路設計中使用雙存儲器備份重要數據。與傳統彈上記錄儀相比，該儀器具有更小的體積和更高的可靠性，在實際實驗中成功獲取數據，驗證了儀器的抗震性能，為彈道特性的研究提供了有力的數據，同時為國內傳感器的自主研制提供了參考。

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（編輯：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

馬游春（1977-），男，江蘇鹽城市人，副教授，博士，研究方向為測試計量技術與儀器、電子測試儀器與系統。