GPS同步技術在沖擊波存儲測試中的應用

陳青青, 王代華、b, 翟 永

(1.中北大學 a.儀器與電子學院； b.電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.深圳市遠東華強導航定位有限公司，廣東 深圳 518000)

GPS同步技術在沖擊波存儲測試中的應用

陳青青1a, 王代華1a、b, 翟 永2

(1.中北大學 a.儀器與電子學院； b.電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.深圳市遠東華強導航定位有限公司，廣東 深圳 518000)

目前在沖擊波存儲測試系統中，主要采用斷線同步法實現多套系統之間的統一時間基準，但其自身易引入的電磁干擾會導致系統誤觸發。針對這種現狀，本文設計了一種利用GPS(Global Positioning System)同步技術對分布式測試系統精確授時的方法，該方法通過采用GPS模塊同時為多套系統提供高精度脈沖信號來實現同步測試。最后在自然環境和靶場進行了多次試驗，驗證了系統良好的時間同步性、生存性及可靠性。

沖擊波; 存儲測試; 全球定位系統; 同步測試

0 引 言

爆炸沖擊波的測試對于新型彈藥的研制和設計具有重要的指導作用。為了節約研制成本，縮短研發周期，提高被測對象的分辨率，目前沖擊波測試主要采用分布式方法[1-4]。然而布置在現場的各個測試系統之間是相互獨立工作的，整體沒有統一的時間基準。斷線法是使用最早、范圍最廣的來實現各個系統之間同步的方法，但其也存在很大的弊端[3,5-6]：①現場需要布置多條長電纜線，工作量大，不方便移動，費時費力，而且對電纜線的品質要求很高。②電纜線自身不易防護，測試時需要將觸發裝置埋于地下，因此易受到地面震動與電磁干擾的影響，造成系統的誤觸發。③回收不便，而且斷線法具有很大的局限性，只適用于測試點較少、測試距離較近的試驗。

針對上述問題，結合實際需要，研制具有同步功能的存儲測試系統對于全面評價武器彈藥的威力具有重要的現實意義[5]。利用GPS同步技術能在獲取沖擊波超壓的同時得到爆炸沖擊波到某測點的傳播時間，根據時間差、測試距離可以獲得沖擊波的傳播速度，由速度又可以得到超壓峰值。因此，對分布在各個測點的測試系統之間進行時間同步，能為后續的數據處理提供可靠的依據。

1 GPS同步方式及模塊選型

1.1GPS同步方式

GPS時鐘同步方式有兩種[5,7-9]：脈沖同步方式與串行數據同步方式。爆炸沖擊波測試環境惡劣，被測對象通常包含高頻信號，且持續時間很短，對系統的時間同步精度要求較高[10-11]，本系統要求在微秒級。由于距離不同，沖擊波信號通過采集設備的時間也不一樣，可得到各測試點采到的沖擊波的相對時間，再根據節點具體的位置信息和沖擊波大小即可得到沖擊波到達各測試點的相位信息，為重建彈藥爆炸沖擊波時空場提供參數。

脈沖同步方式使用簡單、同步精度高，因此本文采用GPS的秒脈沖作為分布式測試系統的同步輸入信號[12-14]。在接收機取得有效導航解時，秒脈沖上升沿的時刻與GPS時刻相差在50 ns以內，故利用GPS秒脈沖作同步具有相當高的精度，可滿足分布式測試系統在惡劣環境下時間同步的要求[7,12,14]。

1.2GPS模塊選型

綜合考慮其體積、授時精度、功耗等多方面因素，本文選擇M12MT型GPS模塊。其工作電壓為2.8～3.3 V，尺寸僅為60 mm×40 mm×13 mm，能夠同時跟蹤12顆衛星。M12MT可以產生1 pulse/s(Pulse Per Second，PPS)即秒脈沖，在其能夠準確定位的情況下，1PPS的上升沿與串口輸出的UTC(協調世界時)時間相差在1 μs以內[15]，滿足系統測試要求。

2 同步存儲式測試系統設計

本系統是根據GPS的同步秒脈沖和存儲測試原理設計的，圖1所示為系統原理圖。單片機主要負責USB驅動的控制，通過USB連接至計算機，接收來自計算機的指令，來控制CPLD執行相應的指令操作，如參數狀態讀取、參數設置、讀取數據等。CPLD主要負責產生電路中A/D和SRAM的工作時序和地址發生器，根據單片機的指令來對A/D的采樣頻率、觸發電平和SRAM的負延時長度等參數進行編程。

在試驗場地實測過程中，先根據彈藥的藥量、測試距離等要求把每套測試系統的各項參數設置好，同時將它們分別布置在合理的測點上；給系統上電，此時試驗前的準備工作已完成。設備上電1 min后(為了避免誤觸發)A/D開始工作，GPS模塊開始對CPLD授時，A/D內部計數器在每個秒脈沖的上升沿重新開始計數。當CPLD監測到沖擊波信號大于A/D觸發電平時，使計數器停止計數，將數值存入存儲器；由于對存儲器設置了負延時數，待存儲器存滿后控制A/D停止采集。由于系統功耗小，上電后的系統可以持續工作數個小時直至試驗結束。待試驗完成后，用筆記本通過USB線連接到設備，讀取存儲在SRAM中的數據進行分析處理。

圖1 系統原理圖

3 同步單元設計

同步單元作為本系統的核心部件，其原理圖如圖2所示。

圖2 同步單元原理圖

同步單元主要有晶振、CPLD、GPS模塊、單片機、SRAM存儲器組成。選用的晶振采用了精密控溫技術，輸出頻率受時間和溫度的影響很小，以此晶振作為計時時鐘，其短時精度非常高[16]。該系統采用了脈沖同步方式，利用GPS秒脈沖無累計誤差和晶振無隨機誤差的特點來設計。其工作原理是：CPLD只負責對兩個信號進行管理。一個信號是GPS模塊產生的秒脈沖信號，另一個信號是沖擊波信號使系統觸發而產生的觸發信號。CPLD負責精確測量秒脈沖上升沿到觸發信號上升沿的時間差值。而秒脈沖信號是每秒產生一次高低電平，將秒脈沖信號的上升沿始終作為開始計時信號，下一個秒脈沖上升沿來臨時計數值將自動清零，重新開始計數，在沖擊波信號來臨前，計數器一直處于清零計數再清零再計數的循環計數階段。直到沖擊波信號到來，使系統觸發，系統立刻產生觸發信號使計數器停止計數。各套測試系統輸入的秒脈沖是同步的，任意一點測得的計數值減去爆心處測試設備記錄(零時裝置，用來記錄爆炸時刻)的計數值就是爆炸沖擊波傳播到該測點的時間。根據設備位置信息可計算出沖擊波的傳播速度，這些信息對研究爆炸沖擊波的傳播特性很重要。

4 驗 證

4.1自然環境驗證

GPS同步技術在分布式測試系統中的應用，主要是針對多個測試系統而言，因此需要對多個GPS模塊的秒脈沖進行同步測試；同時為了驗證GPS模塊的精度和穩定性，利用數字示波器在室外環境對其進行了多次驗證，現場調試如圖3所示。對4個GPS模塊的同步測試，示波器顯示結果如圖4所示。從圖3可以看出，在μs量級的分辨率下，系統同時被觸發信號觸發后，4個秒脈沖信號的上升時間差保持在1 μs內，很好地滿足了系統測試要求。

圖3 現場調試圖

(1) 25 ms/dIV

(2) 50 μs/dIV

(3) 1 μs/dIV

(4) 50 ns/dIV

圖4 不同分辨率下的同步測試結果

4.2現場環境

為了驗證GPS模塊在現場爆炸環境下的穩定性能、生存性能，在某基地靶場按120°和30°方向布置了6套測試系統，如圖5所示，分別距爆心7.5 m、10 m、14 m。并在距爆心5 m處放零時記錄裝置，以致獲得爆炸時刻t0，同時可以記錄同步秒脈沖與爆炸時刻的時間差值。則沖擊波從爆心傳播到7.5 m、10 m、14 m處的時間分別為t1-t0，t2-t0，t3-t0，由

v=Δs/Δt

(1)

可測得沖擊波在每個測點的平均傳播速度。除此之外，還可以計算出任何兩個測點之間的傳播速度。

圖5 測試設備分布圖

沖擊波上升沿記錄的時間信息除了負延時長度外，還包括同步秒脈沖與沖擊波上升前沿的時間差。各個測試裝置設置的負延時長度相同，因此若要獲得沖擊波掠過測點的傳播時間，只需將對應沖擊波曲線的上升前沿時刻相減即可。沖擊波在第1與第3套之間的時間差為：

Δt=t3-t1

(2)

由沖擊波超壓曲線圖6可知，t3=27.2 ms，t1=13.8 ms，則Δt=13.4 ms，Δs=6.5 m，由式(1)可得，爆炸沖擊波在第1與第3套系統之間的平均速度為485.1 m/s。通過對沖擊波超壓曲線上升前沿的時間進行分析，驗證了測試系統的同步性能。此外，將各個測點的位置信息、時間信息及沖擊波超壓曲線統一整合到三維坐標系中，可以構建沖擊波時空場，更加直觀地評估彈藥的威力效果，如圖7所示。

圖6 沖擊波超壓曲線圖

5 結 語

本文提出的基于GPS秒脈沖的分布存儲式測試系統經過試驗驗證，能達到對惡劣環境下瞬態高頻信號采集的同步要求，時間精度可達微秒級。而且實現了系統設計簡單、成本低、體積小、可靠性高的特點，能為分布式測試系統提供高精度的時間同步。

圖7 三維坐標下的沖擊波曲線示意圖

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TheApplicationofGPSSynchronousTechnologyintheStorageTestingofShockWave

CHENQingqing1a，WANGDaihua1a,1b，ZHAIYong2

(1a.School of Instrument and Electronics； 1b.Science and Technology on Electronic Test amp; Measurement Laboratory, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Fareast Huaqiang of Shenzhen Navigation and Positioning Company (Ltd.), Shenzhen 518000, Guangdong, China)

At present, the main method used was disconnection trigger method in the synchronous way of memory test system for shock wave to achieve unified time benchmark among many systems.The method exists the drawback of electromagnetic interference, may lead to false triggering of system.Aiming at the situation, GPS (Global Positioning System) synchronous technology was applied in time service for the memory test system of shock wave in this paper.The method applies GPS modules to afford high precision pulse signal to many testing systems at the same time, and to achieve synchronization measurement.The systems were tested respectively in the natural environment and at the shooting range, the results demonstrate the systems are equipped with high-reliability, better survivability and great synchronization.

shock wave； storage test； global positioning system(GPS)； synchronization test

TH 89

A

1006-7167(2017)10-0061-04

2017-02-15

陳青青(1990-)，女，山西臨汾人，碩士生。研究方向：動態測試技術。Tel.：18434362292，E-mail: 593070588@qq.com；18434362292@163.com

王代華(1977-)，男，山東日照人，博士，副教授，研究方向：動態測試技術及智能傳感器系統。Tel.：18335116688；E-mail: wangdaihua@nvc.edu.cn