火箭測試平臺多通道脈動壓力的同步采集與數據回收

（中國工程物理研究院總體工程研究所，四川 綿陽 621900）

通過火箭測試平臺對飛行過程[1]中彈頭各測點的脈動壓力[2-6]進行全過程測量，為脈動壓力的數值模擬預測、等效性[7]評價等提供數據支撐。在飛行過程中，獲取試驗平臺表面脈動壓力具有采樣率高、采集通道多、數據量大的特點。針對脈動壓力此類瞬態信號的多通道關聯采樣，對采樣通道同步精度有著較高的要求。同步采樣[7-8]的精度需要優于采樣周期2個數量級以上，過低的采樣同步精度將導致各通道的采集數據關聯度差，加大后續的數據分析難度，影響試驗成敗[8]。

針對數據回收，受限于彈艙空間，數采系統的體積和質量受到嚴格限制，無法通過堆砌體積和質量的方式增加系統的抗沖擊能力。多通道的數采系統也因此需分成多個子模塊進行設計，為減少彈艙內的電磁干擾，子模塊之間也無法共用同一個時鐘信號。盡管各模塊的時鐘頻率相同，晶振的頻率誤差和穩定度將在采樣時間的累積下導致采樣通道之間的同步精度逐漸變差，影響測試數據的關聯性[9-11]。

文中針對多通道脈動壓力的同步采樣，設計了一種同步采樣機制，通過采樣使能信號作為所有通道每一次采樣的起始信號，消除同步誤差積累，保證采樣同步精度。針對數據回收[12-15]，采用“采存分離”[14]的設計模式將存儲電路從數采系統中剝離，單獨對其進行抗沖擊防護，使之適應觸地過程的強沖擊環境。

1 多通道脈動壓力的同步采樣與數據存儲

1.1 采編模塊設計

采編模塊主要由 FPGA、晶振、模數轉換器（ADC）、RS422 總線芯片、線性穩壓電源（LDO）以及相關的配置電路構成，主要實現指令接收、40 路脈動壓力的數據采集與發送、回讀數據上傳等功能。由于彈艙安裝空間的限制，采編模塊被設計為2 個子模塊，每個子模塊負責20 路脈動壓力采集，每路采樣通道的采樣頻率為60 kHz，采樣位數為16 位。為減少彈艙內的電磁干擾，子模塊擁有獨立的時鐘源。

為減少FPGA 對IO 資源的需求，每4 個ADC構成一個采樣模組，采用菊花鏈模式進行工作。每個采編子模塊擁有5 個采樣模組，每個采樣模組對應1個變換器模組。由于2 個子系統擁有獨立的工作時鐘，盡管時鐘頻率一致，但時鐘自身的頻偏、溫漂和穩定度帶來的誤差將在時間的積累下逐漸擴大，進而導致子模塊之間的采樣同步時間逐漸擴大，最終導致采樣不同步。為保證在整個采樣時間內10 個采樣模組的采樣同步性，采用統一的同步觸發信號作為子系統的采樣使能信號，同步信號觸發一次，采樣組完成一次采樣。采編模塊組成如圖1 所示。

圖1 采編模塊組成Fig.1 Schematic diagram of acquisition and decoding module

通過控制同步信號的觸發頻率實現各通道的采樣頻率。經過測試，40 通道的同步采樣誤差被控在了5 個周期內。針對60 kHz 的采樣頻率，5 個周期的同步誤差所帶來的測試誤差可以忽略不計。

1.2 存儲模塊設計

存儲模塊僅實現數據的存儲與回收，通過自定義數據總線與采編模塊進行互聯，由采編模塊提供工作必需的電源、指令和數據。存儲模塊由2 個子模塊構成，每個子模塊對應1 個采編子模塊。

存儲模塊的電路主要由CPLD 和FLASH 構成，CPLD 作為控制器，控制FLASH 完成數據的存儲與回讀。自定義數據總線通過FPGA 與CPLD 的IO 直接實現，通信速率達到40 Mbit/s，保證采編模塊采樣得到的數據能夠實時傳輸至存儲模塊。FLASH 則采用1 GB 容量的NAND FLASH，保證飛行時間內采集得到的所有數據能夠被完整記錄。

存儲電路具有結構簡單、體積小，易于防護的特點，在抗沖擊防護結構的保護下能夠在高馬赫的觸地速度下生存，保證數據的安全回收。

1.3 風洞比對試驗

為了測試多通道脈動采集存儲系統采集數據的準確性與同步性，通過中國空氣動力發展與研究中心的某型風洞完成了2 種不同馬赫數條件下的試驗。通過比對采集系統與風洞各自得到的測試數據，驗證了采集系統的同步性滿足要求，部分測點的脈動壓力系數對比如圖2 所示。

圖2 部分測點的脈動壓力系數對比Fig.2 Comparison of pulsating pressure coefficients at some measuring points:a) measuring Points A1 and B1;b) measuring Points A2 and B2

2 高馬赫觸地速度下的數據回收

2.1 防護結構設計

受限于彈艙空間，2 個存儲子模塊被放入1 個結構體進行防護。防護結構分為內外兩層，通過環氧樹脂灌封成一個整體。

內層是聚四氟乙烯骨架，能夠有效隔絕外部強沖擊對電路的傷害。2 個存儲電路被平行放置于其中，支撐壁頂部及底部與外筒的交界處都做了圓角處理，避免出現應力集中導致存儲電路損壞。

外層是高強度質量比的合金外筒，避免在高過載、高沖擊環境下發生形變或斷裂導致電路上的FLASH 芯片被破壞，進而導致數據回收失效。合金外筒分為筒壁和端蓋，二者通過螺紋連接。端蓋有進膠孔，出氣孔以及連接器的安裝孔位。筒壁底部為安裝盤，通過螺釘固定。

在防護結構裝配完畢后，在真空狀態下采用環氧樹脂灌封形成一個整體，在恒溫環境固化后，形成存儲模塊，如圖3 所示。存儲模塊外徑為52 mm，高度為65 mm，質量為400 g。

圖3 存儲模塊外形Fig.3 Schematic diagram of the memory module

2.2 火炮試驗考核

在存儲模塊完成研制后，采用火炮加載方式的對其抗沖擊性能進行考核。為了模擬真實的觸地條件，結合火箭彈飛行落區的地形地貌以及地質條件，采用300 mm 厚的C30 水泥靶作為撞擊靶板。在火炮試驗前，將存儲模塊內的所有FLASH 存滿，在火炮試驗結束后，通過軟件對存儲模塊內的數據進行比對，確定存儲模塊的抗沖擊性能是否滿足要求。

在 3 次火炮加載試驗中，觸靶速度均超過1000 m/s，存儲模塊內的數據均正確回收，驗證了存儲模塊能夠經受火箭彈的觸地沖擊速度。

3 結論

1）通過觸發信號進行同步采集控制，40 通道脈動壓力的同步精度被控制在允許范圍內。

2）“采存分離”模式大幅度提高了數據回收系統的抗沖擊能力，在小體積、小質量的前提下保證數據可靠回收。