沖擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試中無(wú)線可編程技術(shù)研究

楊佩宗　暢麗紅

摘要：沖擊波超壓值和持續(xù)時(shí)間隨測(cè)試半徑的變化而顯著變化，且測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試節(jié)點(diǎn)多、分散性大、難以集中管理。另外，測(cè)試時(shí)，一旦設(shè)定好測(cè)試節(jié)點(diǎn)的參數(shù)，現(xiàn)場(chǎng)就難以更改，即存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的可控性和靈活性較差。基于以上兩點(diǎn)，提出一種用于沖擊波超壓測(cè)試的無(wú)線可編程存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)測(cè)試電路及智能無(wú)線測(cè)試節(jié)點(diǎn)；開(kāi)發(fā)基于LabVIEW平臺(tái)的上位機(jī)軟件；通過(guò)WLAN無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)來(lái)靈活設(shè)置測(cè)試節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)，并對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而完成沖擊波超壓測(cè)試。將此無(wú)線可編程技術(shù)應(yīng)用到彈藥爆炸的靜爆試驗(yàn)中，所得30m處超壓值分別為60，90，120，150m處超壓值的1/10、1/19.7、1/30和1/50，超壓值隨測(cè)試半徑變化顯著，通過(guò)靈活設(shè)置放大倍數(shù)，大大提高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的穩(wěn)定性和靈活性。

關(guān)鍵詞：沖擊波超壓；測(cè)試節(jié)點(diǎn)；WIAN；存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5124（2018）02-0088-05

0引言

進(jìn)行沖擊波超壓測(cè)試時(shí)，目前國(guó)內(nèi)外研究人員所采用的測(cè)試方法大致分為有線電測(cè)法和存儲(chǔ)測(cè)試法兩種。采用有線式電測(cè)法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，不僅布線耗時(shí)費(fèi)力，而且傳感器電纜存在阻抗，很容易造成信號(hào)衰減和幅值相位的失真，從而嚴(yán)重影響測(cè)試精度，所以，現(xiàn)在多采用存儲(chǔ)式測(cè)試法。存儲(chǔ)式測(cè)試法是一種將傳感器與數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)儀集成于一體對(duì)沖擊波超壓進(jìn)行測(cè)試的方法。其測(cè)試系統(tǒng)不僅體積微小，而且具有很高的抗沖擊能力，可有效避免有線式電測(cè)法的弊端。然而，這種方法無(wú)法對(duì)多個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。據(jù)Henrych J經(jīng)驗(yàn)分析可知：在多點(diǎn)測(cè)試的爆炸場(chǎng)環(huán)境中，彈藥當(dāng)量和測(cè)試半徑對(duì)沖擊波超壓值和持續(xù)時(shí)間的影響很大（本文只討論測(cè)試半徑對(duì)超壓值和持續(xù)時(shí)間的影響）。因此，傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)中固定的參數(shù)設(shè)置已不能滿足多點(diǎn)測(cè)試的需求。為此，本文將WLAN技術(shù)與存儲(chǔ)測(cè)試原理相結(jié)合，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了參數(shù)可編程的無(wú)線存儲(chǔ)式測(cè)試系統(tǒng)，將其用于測(cè)點(diǎn)多、分散性大且難以集中管理的沖擊波超壓值測(cè)試中。由于此技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以使測(cè)試人員在安全的掩體內(nèi)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行靈活的參數(shù)設(shè)置和實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，這就大大提高了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的可靠性和靈活性。

1參數(shù)可編程理論基礎(chǔ)

沖擊波是評(píng)價(jià)武器殺傷力的重要媒介。通過(guò)測(cè)試不同半徑下沖擊波的超壓峰值、持續(xù)時(shí)間、傳播速度及衰減規(guī)律就可以對(duì)武器系統(tǒng)的殺傷力進(jìn)行評(píng)價(jià)。據(jù)Henrych J經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)不同測(cè)試半徑和彈藥當(dāng)量下的沖擊波超壓值和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行理論分析，結(jié)果列于表1中。

由表可知：1）在彈藥當(dāng)量相同的情況下，當(dāng)測(cè)試半徑相差3倍時(shí)，沖擊波超壓峰值會(huì)增加10倍左右；2）當(dāng)彈藥當(dāng)量相同、測(cè)試半徑不同時(shí)，沖擊波超壓持續(xù)時(shí)間差別會(huì)很大。

在實(shí)際工程測(cè)試中，為了獲取更高的測(cè)試精度，通常將量程范圍的1/3～2/3作為信號(hào)讀取的最可靠范圍。由于傳感器的量程范圍一定，因此測(cè)試系統(tǒng)中電路的增益可以根據(jù)測(cè)試半徑和彈藥當(dāng)量的大小來(lái)合理地設(shè)置，進(jìn)而提高測(cè)試的準(zhǔn)確度和靈活性。

2存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本文所設(shè)計(jì)的無(wú)線可編程存儲(chǔ)式測(cè)試系統(tǒng)主要由無(wú)線測(cè)試節(jié)點(diǎn)、無(wú)線接入點(diǎn)和主控制端組成，如圖1所示。

圖中，多個(gè)無(wú)線測(cè)試節(jié)點(diǎn)與無(wú)線接人點(diǎn)組成了無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，主控端不僅可以對(duì)各個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，還可以對(duì)各節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)下達(dá)主控端的指令并進(jìn)行數(shù)據(jù)回收。

試驗(yàn)時(shí)，需按照測(cè)點(diǎn)分布圖將無(wú)線測(cè)試節(jié)點(diǎn)分別布設(shè)在爆心周?chē)酝瓿蓻_擊波超壓測(cè)試工作。此測(cè)試系統(tǒng)中，測(cè)試節(jié)點(diǎn)上還設(shè)有USB接口，是為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性：當(dāng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障時(shí)，可以通過(guò)USB來(lái)獲取沖擊波的數(shù)據(jù)，從而確保數(shù)據(jù)不丟失。

具有無(wú)線傳輸功能的測(cè)試節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)的核心。其主要包括電源管理模塊、傳感器、適配電路、濾波放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、存儲(chǔ)電路、FPGA控制電路、USB接口、充電接口、無(wú)線傳輸模塊及天線等部分，如圖2所示。

圖中，測(cè)試節(jié)點(diǎn)的工作流程如下：1）給系統(tǒng)上電，通過(guò)USB接口或無(wú)線局域網(wǎng)對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如對(duì)節(jié)點(diǎn)的定時(shí)時(shí)長(zhǎng)、采樣頻率、增益放大倍數(shù)、觸發(fā)電平等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。2）參數(shù)設(shè)定后，系統(tǒng)進(jìn)入定時(shí)狀態(tài)，此時(shí)系統(tǒng)處于低功耗工作模式。3）定時(shí)結(jié)束后，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入全速工作模式，并開(kāi)始循環(huán)采樣，處于待觸發(fā)狀態(tài)。4）當(dāng)壓力信號(hào)發(fā)生時(shí)，傳感器就將采集到的壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后對(duì)該信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，再經(jīng)A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)與觸發(fā)電平相比較，此時(shí)節(jié)點(diǎn)處于觸發(fā)判斷狀態(tài)。5）觸發(fā)后，系統(tǒng)便將有效數(shù)據(jù)按順序?qū)懭氪鎯?chǔ)器中。當(dāng)存儲(chǔ)結(jié)束后，采集模塊自動(dòng)關(guān)閉，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入等待讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)。6）打開(kāi)無(wú)線模塊或接上USB，就可通過(guò)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取。讀取完數(shù)據(jù)后，重新上電即可進(jìn)行下次試驗(yàn)。

3無(wú)線模塊的實(shí)現(xiàn)

本文采用韓國(guó)Wiznet公司生產(chǎn)的串口傳輸型模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸，該模塊支持IEEE802.11b/g規(guī)范，集成了TCP/IP協(xié)議棧和WLAN網(wǎng)絡(luò)通信驅(qū)動(dòng)。該模塊具有4個(gè)顯著的特點(diǎn)：1）支持IIC、UART、USB和SPI接口；2）內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，既可設(shè)為客服端模式，也可設(shè)為服務(wù)端模式；3）內(nèi)置了加密協(xié)議，可以保證數(shù)據(jù)的安全傳輸；4）體積小、功耗低、串口發(fā)送協(xié)議簡(jiǎn)單，操作方便，管腳占用率少。

在進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)時(shí)，本文選用UART傳輸方式。所設(shè)計(jì)無(wú)線模塊與FPGA的硬件連接關(guān)系如圖3所示。

圖中，CTS和RTS實(shí)現(xiàn)的是數(shù)據(jù)流的控制，可防止數(shù)據(jù)傳輸引起的擁堵。TX和RX分別為數(shù)據(jù)發(fā)送信號(hào)和數(shù)據(jù)接收信號(hào)。

WLAN網(wǎng)絡(luò)搭建好后，測(cè)試節(jié)點(diǎn)鏈接到該無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)主控端發(fā)送指令給AP，然后再通過(guò)此無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將指令下達(dá)給各個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)收到指令后就可根據(jù)已設(shè)定好的程序來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的任務(wù)。這里需要指出的是，無(wú)線模塊在使用前需要對(duì)其工作參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的配置，具體參數(shù)設(shè)置如表2所示。

4上位機(jī)參數(shù)可編程功能的實(shí)現(xiàn)

節(jié)點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置主要通過(guò)上位機(jī)和無(wú)線傳輸模塊來(lái)完成。上位機(jī)軟件是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的控制管理中心，一切指令的傳達(dá)都是通過(guò)上位機(jī)來(lái)完成。本設(shè)計(jì)中，上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)定時(shí)時(shí)長(zhǎng)、采樣頻率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度及負(fù)延時(shí)長(zhǎng)度等參數(shù)的設(shè)定，具體如圖4所示。

本設(shè)計(jì)中，上述功能均在LabVIEW平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)，上位機(jī)界面如圖5所示。

由于LabVIEW內(nèi)部集成了大量的數(shù)據(jù)處理工具包，不僅可以大大節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間，還能進(jìn)行很好的人機(jī)交互。具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，整個(gè)程序采用事件結(jié)構(gòu)來(lái)編寫(xiě)，即一個(gè)事件執(zhí)行一個(gè)對(duì)應(yīng)的功能。

5現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證無(wú)線可編程存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)按30°、60°、150°3個(gè)徑向方向?qū)y(cè)試節(jié)點(diǎn)分別進(jìn)行布置，如圖6所示。

圖中，在30°徑向方向分別放置了1#，2#，3#，4#，5#5個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)；在60°徑向方向布置了6#測(cè)試節(jié)點(diǎn)；在150°徑向方向布置了3個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為7#，8#，9#測(cè)試節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)所在測(cè)試半徑間隔為30m。測(cè)試前，根據(jù)不同當(dāng)量彈藥和測(cè)試半徑通過(guò)無(wú)線方式對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，如表3所示。

設(shè)置好各測(cè)試節(jié)點(diǎn)的參數(shù)并將其安置在各自對(duì)應(yīng)的測(cè)試位置后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)爆炸試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果列于表4中。

由表4可知：當(dāng)測(cè)試半徑為30m時(shí)，超壓持續(xù)時(shí)間為2.681ms。當(dāng)測(cè)試半徑分別為60，90，120，150m時(shí)，超壓峰值分別為175.28，88.983，57.599，35.147kPa，而持續(xù)時(shí)間分別為37.650，46.181，56.374，57.603ms；超壓值分別為30m處超壓值的1/10、1/19.7、1/30和1/50，持續(xù)時(shí)間為30m處的14倍、17倍、21倍和21.5倍。沖擊波超壓值隨著測(cè)試半徑的增加而依次減小、且持續(xù)時(shí)間會(huì)增長(zhǎng)，沖量也隨之減小。另外，超壓值和持續(xù)時(shí)間會(huì)隨測(cè)試半徑的增加而變化顯著。

圖7和圖8分別為4#、8#和5#、9#測(cè)試節(jié)點(diǎn)的超壓值曲線。可以看出，當(dāng)測(cè)試半徑相同、但測(cè)試場(chǎng)地不平坦時(shí)，沖擊波超壓值也會(huì)相差很大。

所以，在沖擊波超壓值的測(cè)試中，測(cè)試人員應(yīng)根據(jù)彈藥當(dāng)量和測(cè)試半徑利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)的增益進(jìn)行合理地設(shè)置，這樣才既可以提高測(cè)試的靈活性，還可以提高測(cè)試的準(zhǔn)確度。

6結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)相比，本文采用WLAN技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種新型的無(wú)線存儲(chǔ)式測(cè)試系統(tǒng)。在減少系統(tǒng)誤差以及提高系統(tǒng)的靈活性方面，參數(shù)可編程無(wú)線存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)在多點(diǎn)測(cè)試中起了很大的作用，充分體現(xiàn)了其現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的靈活性。此外，WLAN技術(shù)的應(yīng)用，不僅提高了測(cè)試效率及測(cè)試人員的安全性，同時(shí)也為彈藥毀傷效能的評(píng)價(jià)提供了有力的支撐。在沖擊波超壓現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中的測(cè)試結(jié)果表明，本文所研究的無(wú)線可編程存儲(chǔ)式測(cè)試系統(tǒng)具有很好的靈活性和穩(wěn)定性，實(shí)用性很強(qiáng)。