(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(shù)值模擬預(yù)測、等效性[7]評價等提供數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量大的特點。針對脈動壓力此類瞬態(tài)信號的多通道關(guān)聯(lián)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(yōu)于采樣周期2個數(shù)量級以上,過低的采樣同步精度將導(dǎo)致各通道的采集數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度差,加大后續(xù)的數(shù)據(jù)分析難度,影響試驗成敗[8]。
針對數(shù)據(jù)回收,受限于彈艙空間,數(shù)采系統(tǒng)的體積和質(zhì)量受到嚴(yán)格限制,無法通過堆砌體積和質(zhì)量的方式增加系統(tǒng)的抗沖擊能力。多通道的數(shù)采系統(tǒng)也因此需分成多個子模塊進行設(shè)計,為減少彈艙內(nèi)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(wěn)定度將在采樣時間的累積下導(dǎo)致采樣通道之間的同步精度逐漸變差,影響測試數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性[9-11]。
文中針對多通道脈動壓力的同步采樣,設(shè)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(shù)據(jù)回收[12-15],采用“采存分離”[14]的設(shè)計模式將存儲電路從數(shù)采系統(tǒng)中剝離,單獨對其進行抗沖擊防護,使之適應(yīng)觸地過程的強沖擊環(huán)境。
采編模塊主要由 FPGA、晶振、模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、RS422 總線芯片、線性穩(wěn)壓電源(LDO)以及相關(guān)的配置電路構(gòu)成,主要實現(xiàn)指令接收、40 路脈動壓力的數(shù)據(jù)采集與發(fā)送、回讀數(shù)據(jù)上傳等功能。由于彈艙安裝空間的限制,采編模塊被設(shè)計為2 個子模塊,每個子模塊負責(zé)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(shù)為16 位。為減少彈艙內(nèi)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(gòu)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(yīng)1個變換器模組。由于2 個子系統(tǒng)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(wěn)定度帶來的誤差將在時間的積累下逐漸擴大,進而導(dǎo)致子模塊之間的采樣同步時間逐漸擴大,最終導(dǎo)致采樣不同步。為保證在整個采樣時間內(nèi)10 個采樣模組的采樣同步性,采用統(tǒng)一的同步觸發(fā)信號作為子系統(tǒng)的采樣使能信號,同步信號觸發(fā)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(fā)頻率實現(xiàn)各通道的采樣頻率。經(jīng)過測試,40 通道的同步采樣誤差被控在了5 個周期內(nèi)。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。
存儲模塊僅實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲與回收,通過自定義數(shù)據(jù)總線與采編模塊進行互聯(lián),由采編模塊提供工作必需的電源、指令和數(shù)據(jù)。存儲模塊由2 個子模塊構(gòu)成,每個子模塊對應(yīng)1 個采編子模塊。
存儲模塊的電路主要由CPLD 和FLASH 構(gòu)成,CPLD 作為控制器,控制FLASH 完成數(shù)據(jù)的存儲與回讀。自定義數(shù)據(jù)總線通過FPGA 與CPLD 的IO 直接實現(xiàn),通信速率達到40 Mbit/s,保證采編模塊采樣得到的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r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(nèi)采集得到的所有數(shù)據(jù)能夠被完整記錄。
存儲電路具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小,易于防護的特點,在抗沖擊防護結(jié)構(gòu)的保護下能夠在高馬赫的觸地速度下生存,保證數(shù)據(jù)的安全回收。
為了測試多通道脈動采集存儲系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與同步性,通過中國空氣動力發(fā)展與研究中心的某型風(fēng)洞完成了2 種不同馬赫數(shù)條件下的試驗。通過比對采集系統(tǒng)與風(fēng)洞各自得到的測試數(shù)據(jù),驗證了采集系統(tǒng)的同步性滿足要求,部分測點的脈動壓力系數(shù)對比如圖2 所示。

圖2 部分測點的脈動壓力系數(shù)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
受限于彈艙空間,2 個存儲子模塊被放入1 個結(jié)構(gòu)體進行防護。防護結(jié)構(gòu)分為內(nèi)外兩層,通過環(huán)氧樹脂灌封成一個整體。
內(nèi)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(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致存儲電路損壞。
外層是高強度質(zhì)量比的合金外筒,避免在高過載、高沖擊環(huán)境下發(fā)生形變或斷裂導(dǎo)致電路上的FLASH 芯片被破壞,進而導(dǎo)致數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)裝配完畢后,在真空狀態(tài)下采用環(huán)氧樹脂灌封形成一個整體,在恒溫環(huán)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(zhì)量為400 g。

圖3 存儲模塊外形Fig.3 Schematic diagram of the memory module
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(jié)合火箭彈飛行落區(qū)的地形地貌以及地質(zhì)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(nèi)的所有FLASH 存滿,在火炮試驗結(jié)束后,通過軟件對存儲模塊內(nèi)的數(shù)據(jù)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(nèi)的數(shù)據(jù)均正確回收,驗證了存儲模塊能夠經(jīng)受火箭彈的觸地沖擊速度。
1)通過觸發(fā)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(nèi)。
2)“采存分離”模式大幅度提高了數(shù)據(jù)回收系統(tǒng)的抗沖擊能力,在小體積、小質(zhì)量的前提下保證數(shù)據(jù)可靠回收。