高旋彈用實時數據處理與存儲系統設計

劉寧 蘇中

摘 要： 針對高旋彈數據分析與存儲的實時性、小空間、低功耗、大容量要求，設計適用于高旋彈用實時數據處理與存儲系統；并提出一種數據處理與存儲方法，實現了常規炮彈在飛行過程中的傳感器數據實時處理與獲取。首先針對高旋彈工作環境與數據采集過程進行分析，確定數據處理與存儲需求；結合需求，利用Cortex?M7與FPGA的雙核心架構配以外部并行高速ADC，實現傳感器信號的采集與處理，利用高速FMC總線控制大容量片外FLASH，實現處理數據的存儲，在此硬件基礎上，提出了同步高速數據采集與存儲方法。通過高速轉臺地面試驗和實彈飛行驗證了系統功能的正確性，其對常規炮彈彈道環境力以及制導化研究具有很大的應用價值。

關鍵詞： 高旋彈； 數據處理； 高速數據采集； 傳感器信號； 數據存儲； 實彈飛行

中圖分類號： TN919?34； TP212.1 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0083?05

Design of real?time data processing and storage system for high?spinning projectile

LIU Ning1， SU Zhong1，2

（1. School of Automation， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100101， China；

2. Beijing Key Laboratory of High?Dynamic Navigation Technology， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100101， China）

Abstract： In allusion to the requirements of real?time performance， small space， low power consumption， and large capacity of high?spinning projectile data processing and storage， a real?time data processing and storage system applicable for the high?spinning projectile is designed， and a data processing and storage method is proposed， so as to realize real?time processing and acquisition for sensor data of the conventional cannonball during flight. The working environment and data acquisition process of the high?spinning projectile are analyzed to determine the data processing and storage requirements. In combination with the requirements， the dual core architecture of Cortex?M7 and FPGA equipped with the external parallel high?speed ADC is adopted to realize the acquisition and processing of sensor signals， and the large?capacity chip external Flash controlled by the high?speed FMC bus is adopted to realize the storage of processed data. On the basis of the above hardware， the synchronous high?speed data acquisition and storage method is put forward. The correctness of the system function was verified by means of the ground test of the high?speed rotary table and live ammunition flight， which has a great application value for the research of ballistic environmental force and guidenization of the conventional cannonball.

Keywords： high?spinning projectile； data processing； high?speed data acquisition； sensor signal； data storage； live ammunition flight

0 引 言

利用火炮發射的戰術級常規炮彈來壓制和毀傷集群目標、炮彈和導彈發射陣地、艦船等目標，是現代戰爭不可或缺的武器系統[1]。這種常規炮彈大多數采用高旋體質，依靠高速旋轉（轉速大于36 000 （°）/s）來保持穩定和命中精度。高旋彈在發射和飛行過程中動態參數的獲取對其性能分析極其重要，可以對彈體試驗以及使用過程中所發生故障的機理進行分析，為其驗證、優化設計提供重要的參考依據。目前，低成本高旋彈，尤其是中大口徑榴彈在試驗中經常遇到引信早炸、瞎火等問題。為了分析引起這些問題的原因，需要對彈體飛行過程中的動態參數進行測試[1?3]。

早在1996年，美國就研制出了相關的測量裝置，能夠有效獲取高旋彈體的相關環境力學特性[4?5]。受制于電子元器件以及相關技術水平，國內對其目前僅進行理論分析，沒有針對這類高旋彈體進行相關測試。如中北大學、南京理工大學等高校，均開展了相關研究，但據其公開資料分析，其采集速率、實時性均未能滿足相關要求。綜上所述，目前急需能夠檢測高旋彈體動態參數的儀器。針對這一問題，提出一種適用于高旋彈體特別是中大口徑榴彈實時數據采集處理與存儲方法，實現高旋彈體動態參數獲取。通過高速轉臺地面試驗和實彈飛行，驗證了系統功能的正確性，對常規炮彈彈道環境力以及制導化研究具有很大的應用價值。

1 高旋彈數據處理與存儲要求

目前的中大口徑榴彈，其轉速均大于36 000 （°）/s，最大可到108 000 （°）/s，即300 rad/s；初速大于600 m/s；過載大于10 000 g；飛行時間多在2 min以內。在如此惡劣的環境下，對彈上電子設備提出的要求是極其嚴酷的，重點表現在高旋彈體的動態數據測量[6]，需要大量的傳感器，典型的有陀螺儀、加速度計、磁強計等。對于這類傳感器信號，多以模擬量輸出為主[1，5?6]。結合中大口徑榴彈的工作特點和測量要求，所提供的高旋彈數據處理與存儲要求為：數據更新率為200 kHz；功耗小于2.5 W； 存儲時長大于10 min；數據采集通道數量為16路；尺寸要求小于29 mm×40 mm，可放置于通用引信內[7?11]。

2 系統工作原理

以中大口徑榴彈為例，通過對引信進行改造，將實時數據處理與存儲裝置放于其中，如圖1所示。

安裝的傳感器包括：冗余的三軸壓阻式加速度計、三軸磁強計。傳感器數據經信號處理后，由FPGA操作高速ADC進行數據采集，同時利用FMC總線將數據進行上傳至主控制器中，主控制器對數據進行數據處理，包括量綱變換和誤差補償，不對數據進行編碼和壓縮，最后操作FLASH，將數據進行存儲。

3 總體方案設計

高旋彈數據處理與存儲系統整體組成框架如圖2所示。從軟件與硬件實現角度分析，單獨FPGA即可實現數據采集、存儲與處理，但是軟件開發成本太大，且在FPGA調試過程中耗時耗力，需要在有限的資源下進行合理的分配。而在硬件上增加一塊ARM芯片，將主邏輯、FLASH驅動存儲、USB通信等要求邏輯性較強的部分，交給成熟的ARM芯片，開發成本大大降低。

3.1 硬件架構研究

如圖2所示，系統的核心處理框架采用Cortex?M7核心的處理器配以FPGA的雙核架構實現。選用的Cortex?M7核心處理器為意法公司生產的32位MCU+FPU，其采用高性能內核，工作頻率高達216 MHz，具有單浮點單元（SFPU）精度，支持所有的ARM單精度數據處理指令和數據類型，還能實現完整的DSP指令集和增強應用安全性的存儲器保護單元（MPU）[12]。而FPGA則采用Actel公司的ProASIC 3 FLASH型FPGA，具體型號為A3P600。兩者之間通過FMC總線相連，FPGA被視為Cortex?M7的SRAM進行訪問，FPGA主要進行ADC的操作和數據的FIR濾波，Cortex?M7還通過FMC總線與FLASH進行通信，操作FLASH。為了避免總線互擾，增加了總線鎖存器進行FLASH和SRAM數據鎖存。除此之外，對外的人機接口、存儲邏輯能，均通過Cortex?M7完成，涉及到的主要人機接口有USB，USART，具體架構如圖3所示。

3.2 軟件邏輯設計

系統的軟件邏輯設計主要是驅動層和應用層編寫。同時應用層還重點涉及與后臺主控計算機的數據交互處理，具體分析如下所述。

3.2.1 驅動層軟件

驅動層軟件主要涉及FPGA中的ADC讀取邏輯、FIR濾波、FMC匹配驅動；同時還涉及Cortex?M7中的FMC總線驅動、USB驅動、USART驅動、定時器驅動等。

1） ADC讀取邏輯

高旋彈用數據處理與存儲系統中選取的ADC為ADI公司的并行同步16位ADC，其讀取采用并口模式，通過FPGA與ADC相連接，相關管腳的操作時序如圖4所示。

利用FPGA通過編寫狀態機實現上述邏輯。

2） FIR濾波

ADC的更新率為200 kHz，而對于整個彈體運動特性而言，滾轉頻率低于500 Hz，故進行FIR設計時將截止頻率設計為500 Hz。采用Hamming窗函數實現FIR濾波器。

3） FMC總線驅動

FMC（Flexible Memory Controller）可外接SDRAM，SRAM，NOR FLASH，NAND FLASH以及各種能夠匹配該接口的外設。在本系統中FPGA作為Cortex?M7的SRAM外設存在，FLASH為NAND FLASH。這種設計的難點是總線互擾問題，為了避免互擾沖突，采用總線鎖存器，加于FMC總線與FLASH之間。由于SRAM操作頻繁，所以會對FLASH數據線進行鎖存，達到同時操作互不干擾的目的。

4） FLASH操作驅動

由于采用FMC總線操作，大大降低了FLASH驅動編寫的復雜度，在ST公司公布的圖形化驅動選擇工具Cube中，即可輕松完成對外界FLASH、外界SRAM的操作。

5） 其余外部接口驅動

其余外部接口包括USB，USART和相關定時器。其中，USB采用ST公司提供的USB虛擬串口驅動，用USB虛擬串口，實現高速傳輸。而USART接口采用RS 422形式，用于進行遠距離數據監控。定時器主要用于邏輯分配和時間片輪轉使用。

3.2.2 應用層軟件

應用層軟件主要涉及采集時序控制、存儲時序控制、人機交互操作、工作邏輯處理。文獻[5]給出了用于記錄慣性測量組合數據的硬件回收裝置，其中，對于具體軟件流程，僅給出了FLASH相關操作的流程，并未將這類問題系統化、模塊化。本系統設計的主要思想就是將復雜問題進行對象化、模塊化設計。軟件具體流程圖如圖5所示。

軟件流程具體如下：

1） 初始化。初始化工作的重點是針對硬件部分而言，包括傳感器的邏輯初始化、ADC的上電復位、FPGA的上電激活等。

2） 自檢。自檢完成對傳感器、FPGA、通信、FLASH的檢查。

3） 工作模式判斷。高旋彈用實時數據處理與存儲系統主要工作模式有兩個：寫操作和讀操作。該模式通過主控計算機經USB接口或USART接口進行配置，具有斷電續存功能。

4） 寫操作時間片任務。寫操作主要是對傳感器數據進行采集，觸發FPGA將ADC數據實時回傳給主控制器，同時將數據存儲到FLASH中。共涉及的子任務包括：ADC數據讀取子任務、數據緩存子任務和數據FLASH存儲子任務。其中ADC數據讀取子任務為最高優先級任務，其工作頻率為200 kHz；數據緩存子任務與數據FLASH存儲子任務將在下一節仔細介紹。

5） 讀操作時間片任務。讀操作主要是對存儲進FLASH中的數據進行回讀，將數據以數據幀的形式進行上傳，供用戶使用。任務涉及的子任務包括：FLASH頁讀取子任務、地址管理子任務和數據上傳子任務。三個子任務均以時間片任務的形式存在，工作頻率為1 kHz。數據上傳子任務包括USB數據上傳和USART數據上傳，前者按整頁數據上傳與FLASH頁讀取子任務同步，后者按數據幀格式上傳，1幀數據周期為1 ms，上傳方式通過上位機進行控制和切換。

4 高速數據采集與存儲方法

寫操作時間片任務操作中涉及的ADC數據讀取子任務、數據緩存子任務和數據FLASH存儲子任務三個子任務。如何高效實時穩定運行，是本系統算法的核心關鍵。在本系統中，采用乒乓緩存的方式進行多時刻ADC數據緩存，待緩存達到FLASH存儲要求時，將數據存儲進FLASH中。假設ADC采集的16路A/D數據為[ai，k]，其中i為對應通道，k為對應時刻。定義緩沖序列為[Buffn]，n為緩沖序列個數。[Buffn]中以數據幀的形式存在，幀格式如表1所示。

利用[ai，k]數據組成數據幀[sk]，將[sk]實時緩存進[Buffn]中。其中[Buffn]的長度為FLASH的頁長度。將[Buffn]存滿后，會調用下一個緩存[Buffn+1]，同時數據緩存子任務會以消息形式通知數據FLASH存儲子任務，將[Buffn]數據進行存儲，待存儲完成后會釋放[Buffn]的占有命令，即數據緩存子任務又可操作[Buffn]進行數據緩存。同理，利用該輪換機制，確保存儲的實時性。

5 試驗驗證

5.1 樣機制作

樣機中點電路采用堆棧式設計，分5層進行設計，包括：接口電路板、二次電源電路、傳感器與信號處理電路、ADC電路、核心處理電路，電路結構圖如圖6所示，制作的樣機如圖7所示。

5.2 地面模擬試驗

利用地面高速轉臺（杭州訊領科技公司產品），對系統進行地面測試，測試照片如圖8所示。其中，高速轉臺轉速為300 rad/s，對系統進行去全功能測試，采集到的數據曲線如圖9所示。

5.3 實物飛行試驗

以某型榴彈為對象，將該系統進行搭載飛行試驗，進行該榴彈的飛行過程環境力數據記錄。其發射過載大于15 000 g，轉速達300 rad/s，地面回讀的部分數據如圖10所示。

從圖10中可以看出，在飛行過程中，彈體的振動信息均被完全復原，通過對加速度計進行分析，其在飛行過程中（出炮口后）最大軸向過載為4.9 g，橫法向加速度計排除掉離心力后，振動過載最大達10 g。該數據皆與彈道雷達測試數據吻合。驗證了本系統的工作性能。

6 結 論

綜上所述，本文研制的系統能完整地將高旋彈上測量用傳感器數據實時進行處理與存儲，較好地解決了目前高旋彈體動態參數檢測的難題。提出的一種適用于高旋彈體特別是中大口徑榴彈實時數據采集處理與存儲系統，通過高速轉臺地面試驗和實彈飛行，驗證了系統功能的正確性。該系統對常規炮彈彈道環境力以及制導化研究具有很大的應用價值，同時具有較高的使用價值。

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