基于過載上電的彈載飛行數據記錄儀研究

楊 帆，吳志強，王 宇

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

微機電系統(micro electro mechanical systems,MEMS)慣性傳感器是檢測和測量加速度、傾斜、沖擊、振動、旋轉和多自由度運動的傳感器，是解決導航、定向和運動載體控制的重要部件。MEMS慣性傳感器安裝在智能彈藥中，用于測量彈體位姿。彈載飛行數據記錄儀的作用是為位姿測量系統的研制提供試驗數據，方便測量系統的設計與完善。

MEMS慣性傳感器是位姿測量系統的重要部件。測量系統安放在彈體狹小的內部，跟隨炮彈飛行，在炮彈發射瞬間，要承受幾萬個重力加速度的沖擊[1-2]。測量系統在如此高的過載情況下上電工作，慣性器件內部微機械結構將被破壞[3]，導致彈載記錄儀無法可靠獲取記錄數據。

為了保護MEMS慣性傳感器在高過載情況下不受破壞，國內外學者從結構設計上進行抗過載優化，在折疊梁結構、音叉式微機械陀螺結構、在線振動結構的基礎上，采用質量塊的靜電力限位機構等方法，均可獲得10 000g或者更好的抗過載效果。業界達成了共識，在上電工作前，慣性器件處于鎖定狀態，以承受非常高的過載沖擊。因此，帶有MEMS慣性傳感器的位姿測量系統需要在炮彈出膛后上電工作。

彈載飛行數據記錄儀為位姿測量系統提供電源。為滿足測量系統出膛后上電的需求，設計了一種具有過載上電功能的彈載飛行數據記錄儀。該記錄儀的電源系統配置機械開關與加速度計開關兩種過載開關，配合延時電路，實現位姿測量系統出膛以后自動上電，保證測量系統在過載環境中不被破壞。同時，為了保證供電回路和數據記錄儀在高過載環境下的穩定、可靠，設計了鋰電池與大電容并聯的供電方式，并使用導熱環氧樹脂膠灌封系統。

1 方案設計

記錄儀系統框圖如圖1所示。圖1中：實線箭頭表示數據總線，虛線箭頭表示信號線。

圖1 記錄儀系統框圖Fig.1 Block diagram of recorder system

為了保證電源在炮彈出膛后給測量系統上電，設計了一種過載上電的彈載飛行數據記錄儀。在炮彈發射時觸發過載開關，經過短暫延時后電路中的繼電器閉合，電源模塊給位姿測量系統供電。

基于過載上電的功能，實現對加速度與角速度信號的采集、存儲、回讀的功能。該記錄儀包括處理器、數據采集與處理單元、存儲單元以及電源模塊。其中，處理器負責讀取數據采集處理單元輸出的數據并將其存入Flash中，在記錄儀回收以后負責讀取Flash中的數據；數據采集處理單元用于將位姿測量系統輸入的RS-422信號送給處理器；存儲單元用于記錄炮彈的位姿數據；電源模塊給記錄儀供電，并實現過載上電功能，在炮彈出膛后給位姿測量系統供電。

2 硬件設計

2.1 處理器STM32

處理器作為彈載記錄儀的核心，負責數據的存儲與讀取操作。考慮到處理器的性能特征和開發的快捷簡單程度，選擇意法半導體公司的STM32F411CEU6作為主控芯片[4]。該處理器具備以下性能特征。

①采用了ARM公司的32位CortexTM-M4 內核，較其他處理器芯片性能強。

②工作頻率高達168 MHz，處理速度快。

③可進行浮點數運算。

④內部集成數字信號處理器(digital signal processing,DSP)指令集，開發速度快。

⑤存儲空間大，存儲空間擴展性強。

⑥外設豐富，不需要對外設驅動進行單獨的設計。

⑦內部集成硬件調試功能，調試時方便查看內部狀態。

⑨循環冗余校驗(cyclic redundancy check,CRC)計算單元、電源監控器、看門狗定時器、時鐘控制器等高度集成。

2.2 存儲單元

由于本存儲模塊在導彈武器裝備測試系統中，主要用于記錄炮彈飛行過程中的各種參數[5]，要求存儲容量大、存儲速度快、性能穩定。如前文所述，本文使用Nor Flash作為存儲介質芯片。

2.3 電源模塊

記錄儀著重對電源模塊進行優化設計，其特點是過載發生后自動給位姿測量系統上電，使用鋰電池與大電容并聯的方案保證供電電壓的穩定、可靠。

記錄儀裝入炮彈前手動打開記錄儀電源，使其處于待機狀態。炮彈發射瞬間，過載開關觸發，RC延時電路延遲延時一段時間后，記錄儀的電源模塊給測量系統供電。

為了實現過載上電功能，電源模塊配置了機械開關與加速度計開關，任意開關打開都能夠觸發繼電器閉合，使模塊對外供電。采用大電容與鋰電池并聯的方案，在發射瞬間，如果鋰電池受到過載沖擊導致電壓不穩定，那么在這個時間內，可以通過大電容放電維持供電電壓穩定。電源模塊框圖如圖2所示。

圖2 電源模塊框圖Fig.2 Power module block diagram

2.3.1 機械開關

機械過載開關在工作過程中,質量塊敏感加速度過載,在加速度過載作用下,質量塊運動產生位移和慣性力,壓縮彈簧克服摩擦力和接觸系統反力,切斷導線而輸出過載信號[6]。機械開關電路結構如圖3所示，機械開關電路原理如圖4所示。

圖3 機械開關結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of mechanical switch structure

圖4 機械開關電路原理框圖Fig.4 Schematic diagram of mechanical switch circuit

圖4中，剪切銷模塊受過載切斷內部導線，觸發延時電路。通過改變延時電路電阻R與電容C可調整延時時間T，其中R、C、T三者關系如下。此處UCC為模塊供電電壓，Uout為輸出電壓。

由于炮彈發射過程中過載持續時間在20 ms之內，為了保證測量系統不受過載影響，取電阻R15=100 kΩ、C10=10 μF，此時延時時間約為1.2 s。

延時過后，延時電路輸出高電平信號。經施密特觸發器、邊沿觸發器整形之后，輸出穩定的電壓信號。該信號使繼電器閉合，電源開始對外供電。

2.3.2 加速度計開關

加速度計是感受加速度并完成開關觸點狀態變化的慣性器件，其觸點狀態受加速度的大小與方向影響[7]。本設計選用ADXL1004。它具有穩定和可重復的敏感性。

加速度計開關電路原理框圖如圖5所示。

圖5 加速度計開關電路原理框圖Fig.5 Schematic diagram of accelerometer switch circuit

加速度計開關與機械開關原理相同，加速度計電路在過載條件下輸出脈沖信號，觸發邊沿觸發器輸出高電平信號。該信號觸發延時電路，經過一段時間延時后通過施密特觸發器整形，輸出高電平信號。該信號使繼電器閉合，電源開始對外供電。

與機械開關不同的是，加速度計開關的觸發信號是加速度計在炮彈發射瞬間產生的過載脈沖。另外，加速度計作為一種電子元器件可以多次觸發，相比機械開關可靠性要低一些；機械開關由于其固有的機械特性，一旦觸發成功，則該開關失效。

2.3.3 電源并聯設計

為了增加電源可靠性，保證電源供電電壓穩定，電源模塊使用兩塊鋰電池與一個大電容。

電池并聯電路原理圖如圖6所示。

圖6 電池并聯電路原理框圖Fig.6 Principle block diagram of battery parallel circuit

為了提高電容的供電能力，選用大電容PHV-5R4V505-R。其電容值高達5 F。使用前，先對電池和電容充電；使用時，由于三路電源并聯，由電壓高者對系統供電。如果鋰電池在發射過程中電壓因過載而降低，那么在這段時間內，系統將由電容提供能量。

2.3.4 保護性設計

①灌封。

為了保護電路結構，電路板使用導熱環氧樹脂膠灌封固化而成。選用環氧樹脂作為灌封材料將電路部分灌封成一個組件，從而提升電路自身的抗沖擊能力[8]。灌封用環氧樹脂是由環氧樹脂主劑和固化劑組成。當對產品有額外工藝要求時，還會加入其他成分滿足稀釋、增韌等要求，若需要增加環氧樹脂的某一技術性能，可在環氧樹脂中添加填料，如活性炭粒子、玻璃微珠等[9-10]。其固化后產物分子結構緊致，分子間內聚力強；電性能好，粘結性強；內應力小、不易開裂；配方靈活，不含雜質，可保證電路結構在炮彈發射過程中不被損壞[11]。

②開關裝配。

過載開關安裝示意圖如圖7所示。

圖7 過載開關安裝示意圖Fig.7 Overload switch installation diagram

過載開關沿炮彈軸向安裝，既能滿足炮彈發射時過載開關的觸發條件，又能夠避免炮彈受到裝配和運輸過程中的振動而誤打開。

3 驗證與測試

本設計通過馬歇特錘擊試驗、車載試驗和實彈試驗三種方式進行驗證。

3.1 馬歇特錘擊試驗

馬歇特錘擊機是一種獲得高過載的裝置[12]，主要由擊錘、錘柄、輔助工具、機架、重錘等部分組成[13]。由于馬歇特錘的結構經過特殊設計，使得馬歇特錘撞擊加速度與馬歇特錘的齒數有固定關系，因而可以通過錘體上轉過的齒數來計算撞擊時的加速度值[14]。該方法操作簡便、成本低廉，只要有合適的試驗夾具及相關的測試儀器，就可獲得完整的試驗數據[15]。

3.2 電源并聯方案驗證

在試驗室，將電源系統手動上電，分別在大電容斷開與并入兩種狀態下進行馬歇特錘擊試驗。該試驗中并入電容后波形平穩。試驗結果表明，鋰電池與電容并聯的方案能在高過載發生時維持供電電壓穩定，保證電源供電可靠。

3.3 過載開關可靠性驗證

使用馬歇特錘擊機模擬炮彈發射瞬間的過載環境，利用電荷型沖擊傳感器采集馬希特錘擊試驗的過載過程，并記錄過載開關狀態。

在實彈試驗中，炮彈發射時產生的過載約15 000g，在過載開關的設計中，使加速度計開關與機械開關的觸發過載值分別在10 000g與13 500g左右。為了便于觀察記錄，在電路中加入了LED燈用于指示過載開關是否被打開。表1為不同齒數下過載開關狀態。圖8為17齒過載波形圖。開關的狀態驗證了過載開關設計的可靠性。

表1 不同齒數下過載開關狀態Tab.1 State of overload switch under different teeth number

圖8 17齒過載波形圖Fig.8 17-tooth over-carrier chart

3.4 車載試驗

為了驗證過載開關上電后記錄儀能夠可靠地記錄數據，分別在過載開關斷開與觸發的狀態下進行了車載試驗。該試驗中，兩個過載開關均沒有在車載試驗中觸發，在位姿測量系統上電工作后，記錄儀準確記錄了車載試驗中車輛的狀態。圖9為車載數據。該試驗驗證了過載開關不會在運輸過程中誤觸，記錄儀在打開時能夠準確記錄數據。

圖9 車載數據Fig.9 Vehicle data

3.5 實彈試驗

最后，將記錄儀裝入炮彈中進行了實彈打靶試驗。試驗時，炮彈搭載膛壓375.1 MPa，該條件下，過載約16 000g。通過回讀數據驗證了基于過載上電的彈載飛行數據記錄儀能夠準確地記錄炮彈的飛行數據，滿足了設計要求。

4 結論

本文設計了一種具有過載上電能力的彈載飛行數據記錄儀，采用機械開關與加速度計開關兩種方式，配合延時電路，實現了炮彈出膛后位姿測量系統的上電操作，保護了其內部的慣性器件。采用鋰電池與大電容并聯的方案保證了系統上電后供電電壓的可靠性。通過馬歇特落錘試驗驗證了過載開關的可靠性；通過車載試驗模擬了炮彈運輸過程，既驗證了過載開關不會在運輸過程中誤觸，又驗證了位姿測量系統上電后記錄儀能夠可靠的記錄數據。通過回收記錄儀回讀存儲數據，驗證了設計的可靠性，準確性。