基于無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的爆炸沖擊波壓力存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)

章天平，孔德仁，王良全

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引 言

大口徑的爆破彈、戰(zhàn)斗部以及各類武器的毀傷作用主要是爆炸產(chǎn)物和沖擊波共同作用的結(jié)果. 爆炸產(chǎn)物通常作用于距離較近的目標(biāo)，而對(duì)于較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)主要是通過(guò)沖擊波造成毀傷. 因此，準(zhǔn)確獲取彈藥爆炸過(guò)程中沖擊波超壓數(shù)據(jù)，對(duì)于彈藥設(shè)計(jì)和毀傷威力評(píng)估具有非常重要的意義.

目前，常用的沖擊波壓力存儲(chǔ)測(cè)試方法主要有引線電測(cè)法、等效靶板法、生物實(shí)驗(yàn)法、存儲(chǔ)測(cè)試法. 本課題主要針對(duì)爆炸后實(shí)驗(yàn)人員無(wú)法進(jìn)入試驗(yàn)場(chǎng)的特殊工況下的沖擊波壓力存儲(chǔ)測(cè)試，而傳統(tǒng)的有線電測(cè)法、存儲(chǔ)測(cè)試法無(wú)法滿足該要求. 2006年，中北大學(xué)將遙測(cè)技術(shù)用于存儲(chǔ)測(cè)試，為沖擊波壓力存儲(chǔ)測(cè)試提供了新方法[1]； 2010年，中北大學(xué)王成帥將Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于存儲(chǔ)測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，但Zigbee傳輸速率低無(wú)法滿足大量數(shù)據(jù)的傳輸要求[2]； 2014年，中北大學(xué)提出一個(gè)結(jié)合無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線分布式測(cè)試方法，具有設(shè)備布置簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單及準(zhǔn)確度高的特點(diǎn)[3]; 2015年，年南京理工大學(xué)袁佳艷將GPS定位技術(shù)應(yīng)用于存儲(chǔ)測(cè)試，使得獨(dú)立節(jié)點(diǎn)間有了統(tǒng)一的時(shí)間基準(zhǔn)[4]； 2016年，軒青春基于WIFI實(shí)現(xiàn)無(wú)線組網(wǎng)，應(yīng)用于存儲(chǔ)測(cè)試，并增加斷線重連等功能[5]. 從上述現(xiàn)狀看，將無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)及存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合已成為存儲(chǔ)測(cè)試發(fā)展趨勢(shì)，但如何實(shí)現(xiàn)高精度、高速度、穩(wěn)定性強(qiáng)的數(shù)據(jù)采集及傳輸仍需進(jìn)一步研究. 因此，進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)基于無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)的沖擊波壓力存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)具有實(shí)際工程意義及需求.

論文設(shè)計(jì)了一種基于WIFI/Lora雙通信方式的無(wú)線存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，設(shè)計(jì)并調(diào)試了沖擊波壓力信號(hào)調(diào)理電路、采集存儲(chǔ)電路及無(wú)線傳輸機(jī)制. 設(shè)計(jì)了基于FPGA的邏輯控制，基于Nand Flash完善了負(fù)延時(shí)觸發(fā)存儲(chǔ)機(jī)制. 最后，采用分布式節(jié)點(diǎn)測(cè)試方法，通過(guò)無(wú)線傳輸及有線電測(cè)法獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過(guò)Matlab軟件進(jìn)行分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì).

1 總體方案設(shè)計(jì)

為了能在特殊工況下(即測(cè)試人員在試驗(yàn)結(jié)束后不能進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng))進(jìn)行多發(fā)彈的沖擊波壓力測(cè)試，需要設(shè)計(jì)一套基于存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)和無(wú)線組網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的沖擊波壓力存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng). 總體設(shè)計(jì)方案如圖 1 所示，測(cè)試系統(tǒng)主要由沖擊波壓力傳感器、無(wú)線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采集儀(節(jié)點(diǎn))、無(wú)線AP及基站和上位機(jī)及測(cè)試人員端組成. 沖擊波壓力傳感器連接數(shù)據(jù)采集儀作為一個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，在爆炸場(chǎng)中完成沖擊波壓力信號(hào)的采集存儲(chǔ)，通過(guò)中繼AP，傳輸至無(wú)線終端.

圖 1 沖擊波壓力存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖Fig.1 Overall design drawing of shock wave pressure storage test system

如圖 2 所示，系統(tǒng)可適用多種不同類型的傳感器信號(hào)輸入. 數(shù)據(jù)采集儀主要由采集存儲(chǔ)控制模塊、無(wú)線通信模塊兩部分構(gòu)成. FPGA主要控制數(shù)據(jù)采樣、存儲(chǔ)，以及狀態(tài)顯示. STM32主要負(fù)責(zé)多種通信方式以及充電管理. 整個(gè)系統(tǒng)由干電池組成的電源模塊供電，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行.

圖 2 數(shù)據(jù)采集儀功能拓?fù)鋱D

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

沖擊波壓力傳感器選擇PCB公司的ICP型傳感器113B系列，這種傳感器可用來(lái)測(cè)量動(dòng)態(tài)壓力，其測(cè)量范圍在0.34 MPa～100 MPa，具有響應(yīng)快、耐久性強(qiáng)、通帶范圍寬等優(yōu)點(diǎn)[5，6].

以ICP傳感器為例，在使用ICP傳感器工作時(shí)，需要2 mA～18 mA恒流驅(qū)動(dòng)，系統(tǒng)選用LM324芯片實(shí)現(xiàn)恒流源電路設(shè)計(jì)，獲得4 mA的恒定電流. 由于ICP傳感器的輸出信號(hào)是帶有直流偏置的電壓信號(hào)，需對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔直濾波. 由于沖擊波壓力噪聲主要是高頻分量，通過(guò)巴特沃斯低通濾波器濾除高頻噪聲，調(diào)理電路如圖 3 所示.

圖 3 信號(hào)調(diào)理電路原理圖

2.2 采集存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

沖擊波的脈沖寬度一般為1 ms左右，具有較寬的頻率范圍，主要能量集中在100 kHz以下[7]. 為了采集到完整的信號(hào)，AD采樣頻率設(shè)計(jì)為1 MHz. AD芯片選用美國(guó)Analog Devices公司的AD7671，它是一款16 b逐次逼近型高速高精度數(shù)模轉(zhuǎn)換器，可實(shí)現(xiàn)高速采樣，速率可達(dá)1 MSPS. 單次測(cè)量需要的存儲(chǔ)容量=采樣頻率×通道數(shù)×AD位數(shù)×采樣時(shí)間=1 MHz×1×16×1 s=16 Mb=2 Mbyte. 由于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)速度W必須大于采樣速度，則W>1 MHz×16 bit=2 Mbyte.

外部存儲(chǔ)器選擇三星公司的Nand Flash芯片K9W8G08U1M，容量為8 Gb，滿足多次存儲(chǔ)要求. 其頁(yè)編程速率為6.7 Mbyte/s，也大于采樣速度，滿足寫(xiě)入數(shù)據(jù)的要求.

3 無(wú)線傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)

課題采用WIFI/Lora雙通信方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線控制以及傳輸： 當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀距離上位機(jī)≥50 m時(shí)，通過(guò)Lora通信查看設(shè)備工作狀態(tài)并設(shè)置工作參數(shù)； 當(dāng)數(shù)據(jù)采集儀距離上位機(jī)≤50 m時(shí)，通過(guò)WIFI通信完成設(shè)備數(shù)據(jù)的上傳. 以STM32平臺(tái)作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)通信方式切換，同時(shí)搭載北斗模組ATG332D-5N-31，實(shí)現(xiàn)各測(cè)試節(jié)點(diǎn)時(shí)間同步.

Lora作為一種線性調(diào)頻擴(kuò)頻的調(diào)制技術(shù)，工作頻段主要包括434 MHz，868 MHz，915 MHz等，基本滿足遠(yuǎn)距離、低功耗的需求[8]. Lora模組選用安信可公司的RA-02模組，該模組采用SPI通信，射頻芯片SX1278可用于超長(zhǎng)距離通信，433 MHz頻率工作時(shí)發(fā)射功耗93 mA，接受功耗12 mA，待機(jī)功耗1.6 mA. 但Lora通信方式也存在不足，其最大可靠通信速率為37.5 Kbps，但此時(shí)的通信距離只有幾十米而已. 所以當(dāng)Lora用于遠(yuǎn)距離傳輸時(shí)，其傳輸速率必然很低，這時(shí)用于傳輸實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求.

圖 4 WIFI/Lora通信調(diào)試Fig.4 WIFI/Lora communication debugging

WIFI是最為常見(jiàn)的短距離無(wú)線技術(shù)，擁有較高的傳輸速率，工作頻段分為2.4 GHz和5 GHz兩種[9，10]. 本項(xiàng)目采用樂(lè)鑫的ESP8266模塊，該模塊搭載完整的自成體系的網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為slave搭載于其他Host運(yùn)行. WIFI透?jìng)鳎址Q透明傳輸，是一種用戶無(wú)需關(guān)注內(nèi)部具體實(shí)現(xiàn)即可完成從模塊A將數(shù)據(jù)傳輸至模塊B[11]. 其工作原理是： A模塊通過(guò)串口獲取數(shù)據(jù)后通過(guò)電磁波發(fā)送至另一個(gè)串口再傳輸至B模塊，上述過(guò)程在開(kāi)發(fā)人員看來(lái)，可認(rèn)為是A模塊直接傳至B模塊. 這種透?jìng)髂Ｊ骄哂械凸摹⑺俾士斓奶攸c(diǎn)，可以將數(shù)據(jù)傳輸至目標(biāo)地址，不改變其內(nèi)容以及長(zhǎng)度，符合沖擊波壓力存儲(chǔ)測(cè)試回收實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的課題要求. 如圖 4 所示，使用串口調(diào)試助手及網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手進(jìn)行通信調(diào)試，可實(shí)現(xiàn)狀態(tài)查看及通信模式切換.

4 FPGA控制及存儲(chǔ)機(jī)制設(shè)計(jì)

FPGA選用XC6SLX9-2CSG324I作為主控芯片，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)以及傳輸?shù)裙δ埽涔ぷ髁鞒倘鐖D 5 所示. 初始化完成上電后，可通過(guò)上位機(jī)設(shè)置采樣頻率、采樣時(shí)間、觸發(fā)方式等參數(shù)，同時(shí)擦除FLASH.

為了獲取完整的沖擊波壓力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用負(fù)延時(shí)觸發(fā)方式，系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)即開(kāi)始進(jìn)行200 ms預(yù)采樣. 芯片內(nèi)部包括兩片Chip，每片Chip又分為兩個(gè)Plane，命名為Plane1、Plane2. 如圖 6 所示，當(dāng)進(jìn)行預(yù)采樣時(shí)，數(shù)據(jù)先寫(xiě)入P11區(qū)域，當(dāng)P11寫(xiě)滿時(shí)，數(shù)據(jù)寫(xiě)入P21，當(dāng)P21數(shù)據(jù)達(dá)到1/2時(shí)，擦除P11，此時(shí)數(shù)據(jù)繼續(xù)被寫(xiě)入P21. 當(dāng)P21被寫(xiě)滿后，數(shù)據(jù)繼續(xù)寫(xiě)入P11，當(dāng)P11寫(xiě)滿一半時(shí)，擦除P21. 以上過(guò)程在觸發(fā)前循環(huán)，直至采集數(shù)據(jù)連續(xù)6次大于觸發(fā)閾值，負(fù)延時(shí)存儲(chǔ)區(qū)停止寫(xiě)入，此時(shí)采集的數(shù)據(jù)寫(xiě)入連續(xù)存儲(chǔ)區(qū)即P12、P22.

圖 5 FPGA控制流程圖Fig.5 FPGA control flow chart

圖 6 Nand Flash負(fù)延時(shí)觸發(fā)存儲(chǔ)機(jī)制Fig.6 Nand Flash negative delay trigger storage mechanism

5 性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)與分析

5.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)采集儀外殼上端設(shè)計(jì)如圖 7 所示，設(shè)計(jì)有電源開(kāi)關(guān)、狀態(tài)顯示、組網(wǎng)狀態(tài)顯示、信號(hào)輸入、上傳下載接口等幾大功能模塊. 這種方式方便試驗(yàn)人員觀察與操作，有利于設(shè)備調(diào)試、狀態(tài)查看以及定期維護(hù).

存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)電路板如圖 8 所示，STM32，F(xiàn)PGA主控芯片及AD等主要元器件均放置于板子中，Lora，WIFI、北斗模組通過(guò)SPI通信連接，采用鋰電池供電.

圖 7 數(shù)據(jù)采集儀外殼裝置圖Fig.7 Data acquisition instrument housing device diagram

圖 8 存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)電路板Fig.8 Storage test system circuit board

5.2 無(wú)線傳輸性能實(shí)驗(yàn)

在爆炸場(chǎng)中安裝防護(hù)裝置，將ICP傳感器通過(guò)同軸電纜連接無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀作為測(cè)試節(jié)點(diǎn)，采用分布式測(cè)試方法，節(jié)點(diǎn)布置如圖 9 所示： 在距離爆心5 m，7 m，10 m處分別設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn).

圖 9 分布式測(cè)試節(jié)點(diǎn)示意圖Fig.9 Schematic diagram of distributed test node

設(shè)置好參數(shù)后進(jìn)行試驗(yàn)，爆炸結(jié)束后測(cè)試人員通過(guò)上位機(jī)控制傳輸并獲取各個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)也通過(guò)有線電測(cè)法獲取沖擊波壓力數(shù)據(jù). 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)Matlab軟件處理，得到結(jié)果如圖 10 所示. 在無(wú)線傳輸?shù)玫降臄?shù)據(jù)中，5 m，7 m，10 m的沖擊波峰值時(shí)間分別為在0.501 s，0.500 1 s，0.5 s，超壓峰值分別為137.6 kPa，56.53 kPa，36.49 kPa； 在有線電測(cè)得到的數(shù)據(jù)中，5 m，7 m，10 m的沖擊波峰值時(shí)間分別為在0.501 s，0.500 1 s，0.5 s，超壓峰值分別為136.2 kPa，54.27 kPa，35.4 kPa. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制中心能夠?qū)Ω鞴?jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，并且通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)男问将@取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，總體測(cè)量誤差<4%.

圖 10 無(wú)線存儲(chǔ)測(cè)試及有線測(cè)試沖擊波壓力時(shí)程曲線Fig.10 Wireless storage test and wired test shock wave pressure time history curve

6 結(jié) 論

該測(cè)試系統(tǒng)將無(wú)線通信技術(shù)與存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了無(wú)線數(shù)據(jù)采集儀，具有布局簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，試驗(yàn)人員無(wú)需進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)控制各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)上傳，信號(hào)傳輸質(zhì)量高，回傳數(shù)據(jù)基本可靠，測(cè)量誤差符合工程要求.