彈載遙測防毀采編存儲系統的設計

鮑愛達，張澤宇，馬游春，杜壯波

(1.中北大學 電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051)

0 引言

近幾年來，由于爭議地區沖突對抗不斷升級，地緣政治博弈也越來越頻繁，各國都開始大力發展軍工產業。導彈憑借其制導精度高、打擊射程遠、作戰效果好等優點成為了各國武器裝備研究的重要方向之一[1]。開展真實的導彈靶場試驗，采集并存儲導彈在實際飛行過程中的各種數據參數能夠為優化導彈性能及可能的故障分析提供重要的理論依據。在檢測導彈的飛行狀態時，導彈系統中的多路模擬量和數字量信號是重要的被測對象之一[2]。

對導彈飛行數據的采集一般采用彈上遙測系統[3]，可以實現數據的實時傳輸，這樣研究員能通過地面接收站實時觀察導彈在飛行過程中多路信號的變化，及時對回傳的飛行數據進行分析與研究。但是遙測系統存在檢測區域的“黑障”[4-5]，很多復雜的環境都會影響到遙測數據的完整回傳。如導彈在水下、山脈疊巒等復雜的地勢環境和高溫、高壓、高沖擊的惡劣飛行環境中，都可能會出現部分數據的丟失，導致遙測采編存儲系統的數據傳輸不穩定。

針對以上問題，本文設計了一種彈載遙測防毀采編存儲系統。通過設計具有抗大沖擊、高過載的內外殼結構，有效保護了內部電路，提高記錄儀回收的成功率；同時采用遙測無線采集和固態記錄儀存儲兩者相結合的方式，對數據進行雙重備份，在導彈的飛行過程中實現對多路信號的完整采集與存儲，避免了遙測系統在復雜環境中重要數據丟失的隱患。

1 結構設計

導彈經飛行落地后需要回收記錄儀進行數據讀取，因此抗沖擊性是防毀傷記錄儀結構設計的一個重點[6-7]。抗沖擊性主要從兩方面研究，一是要保證電路系統能夠抵抗導彈飛行期間的高過載環境，使系統能夠正常工作，完成數據的采集；二是在導彈落地后，能夠保護電路系統在受到高沖擊時不損毀，回收后可以正常讀取存儲模塊中的數據。因此為了完整的讀取導彈的飛行數據，本文設計了一種具有較高抗沖擊能力的彈載防毀記錄儀結構。

1.1 外層結構設計

本文設計的防毀記錄儀的外層防護結構如圖1所示。設計的外層結構是一個內徑為51 mm，外徑為61 mm圓柱型結構，與測試導彈的直徑相等，便于防毀記錄儀在彈體上的安裝。在設計防毀記錄儀外層結構時，要從設備安置的便捷性和安全性這兩個方面去考慮。在外層結構側邊留有直徑18.17 mm的圓孔，方便與圍在防護結構外表面的拱形天線進行線路連接，這樣可以使記錄儀內部存儲模塊存儲的數據通過拱形天線實時發送給遙測地面接收站，實現數據的實時傳輸功能。同時外側要留有信號燈口和下載讀數接口，方便上位機進行讀數操作；為了提高防毀傷記錄儀抗高沖擊的能力，同時兼顧防護結構的強度和韌性，外殼結構選用35CrMnSiA材料[8]。它是一種合成鋼材料，在具有優良的強度和韌性的同時也易于加工鍛造。該合成鋼材料通過回火處理后，耐腐蝕性和抗氧化性都會大幅度提高，力學性能如抗拉強度值和屈服應力值都很高，是制造外殼的一種優秀材料。

圖1 防毀記錄儀的外層結構

1.2 內層結構設計

內部防護結構采用蛋形結構，其設計的原理是拱門結構，由于其外表面結構為凸型，因此可以將外界的壓力較為均勻地分散到結構的各個部分，抗壓、抗形變能力增強，從而大幅度降低了內部電路受到的壓力，保護內部電路和接口的完整，避免了應力波的損壞。蛋形結構內腔型為單個槽體，該結構的優點是內腔體外圍壁厚增加，抗形變能力進一步增強。蛋形結構的參數如下：內徑為26 mm，外徑為35 mm，高50 mm。槽體為長方體，長21 mm，寬16 mm，高33.5 mm。在蛋形結構的頂蓋留有安裝螺絲孔和走線孔，方便記錄儀回收后數據的讀取。設計的內層防護結構如圖2所示。

圖2 防毀記錄儀的內層結構

為了避免存儲電路板與內部結構發生碰撞，最大程度的減少電路板上元器件因擠壓碰撞而受到壓力過大，需要對記錄儀進行灌封，灌封材料選擇環氧樹脂[9]。環氧樹脂分為A、B兩種膠，在灌封前按1：1的比例充分混合，用玻璃棒均勻攪拌。等攪拌均勻后向結構內進行慢慢澆灌，直至將電路板與結構內部的空隙全部填滿密封。這樣電路板與蛋形結構成為一個整體，極大的增強了抗高沖擊的能力。

2 系統總體設計

彈載遙測防毀采編存儲系統主要由遙測采編單元、防毀記錄儀、遙測系統組成，如圖3所示。遙測采編單元主要完成對開關量信號、模擬信號與數字信號采集功能。防毀記錄儀主要對采集的數據進行記錄與保存，并且設備落地可承受高沖擊過載，保證數據完整不丟失，具備數據回讀的功能。遙測系統主要負責接收遙測采編單元傳來的數據，經信號調制及處理后，再通過天線發送給地面接收站，對數據進行接收并存儲。

圖3 彈載遙測采編存儲系統組成及框圖

3 硬件電路設計

3.1 采編單元總體設計

采編單元主要由主控模塊、模擬量信號調理模塊、數字量接口模塊、數據采集模塊及電源模塊組成，如圖4所示。采集的多路模擬量和數字量先經過信號調理電路及光耦隔離電路[10-11]，對其進行降壓處理和濾波降噪后，再輸入到主控模塊中。主控模塊選用XC3S400型號的FPGA作為主控芯片，集成了很多的RAM模塊和IP核，包含多個邏輯單元，具有強大的數據處理能力。該模塊主要實現了對各路信號添加幀頭、幀計數及幀尾的編幀功能，并將編幀后的數據通過RS422接口實時發送給遙測系統和防毀記錄儀。電源模塊為系統中各個模塊提供需要的工作電壓。模數轉換模塊對輸入的模擬信號進行模數轉換。

圖4 采編單元組成及框圖

3.2 模擬信號調理電路設計

模擬信號調理電路選用INA149芯片檢測飛行器在飛行過程中高壓模擬信號的變化。INA149不僅可以精準的測量高達±275 V共模電壓范圍內的微小差分電壓量，而且還可以對輸入的信號進行隔離、降噪、濾波[12]，完全能取代隔離運算放大器，簡化了電路設計。電路分別對56路5 V、20 V、70 V、350 V的模擬電壓信號進行降壓調理，調理后的信號通過4片16通道的模擬開關組，AD轉換模塊對信號進行采集。70 V電路設計原理如圖5所示。

圖5 模擬信號調理電路圖

3.3 LVDS接口電路設計

LVDS接收端選用了DS90LV048A接口芯片將LVDS并行信號轉化成串行信號，接收導彈在飛行過程中傳來的6路LVDS數字量信號[13]。LVDS信號接收電路一般具有很高的輸入阻抗，端接電阻“R5”取100 Ω，因此驅動器輸出的電流大部分都流過了100 Ω的匹配電阻，并產生了350 mV的電壓。為了增加抗噪聲性能，會在電源與地之間加濾波電容“C3”和“C4”，這樣可以減少高頻噪聲，電壓穩定，使電路各部分之間通過電源產生的耦合干擾降至最小。LVDS接口電路如圖6所示。

圖6 LVDS接口電路圖

考慮到遙測采編器在高溫高壓的惡劣環境中工作，為了提高系統整體的抗干擾能力，屏蔽LVDS接口電路對前置信號源可能造成的干擾，確保LVDS信號可以準確完整的被LVDS接受端接收，DS90LV048A芯片轉換后的LVDS信號通常需要再經過隔離器進行信號隔離[14]。因此在LVDS接口電路輸出端增加了高性能六通道的數字隔離器ISO7760。該器件的每個通道的輸入和輸出均由二氧化硅絕緣柵隔離，提高電路電磁抗擾度和低輻射的能力，實現了高抗噪性能。LVDS隔離電路如圖7所示。

圖7 LVDS隔離電路圖

3.4 RS422接口電路設計

RS422接口電路選用ADM2682E作為RS422接口協議芯片。該芯片內部集成5 kV rms隔離式DC-DC電源的RS-422收發器[15]，無需外部DC-DC隔離模塊，大大簡化了電路的設計。RS422數據接口電路主要負責接收4路數字信號，數據傳輸速率為5.28 Mb/s，對數字量信號進行記錄，RS422接口電路設計如圖8所示。

圖8 RS422接口電路圖

4 軟件邏輯設計

4.1 系統總體邏輯設計

設計系統時，硬件電路的設計是基礎，軟件邏輯的設計是關鍵，所以我們先對系統進行總體邏輯設計如圖9所示，主要包括數據采集、數據編幀、數據存儲、數據讀取4個部分。

圖9 系統總體邏輯框圖

數據采集：采編單元的模擬量接口電路和數字量接收模塊完成了導彈在飛行過程中飛行數據采集的功能。由于各個接口數據的傳輸速率不同，所以要在FPGA內部調用異步FIFO解決時鐘不匹配的問題[16]。由圖可知，將采集調理后的數據分別緩存至FPGA內11個FIFO中。

數據處理：FPGA內部的模數混合編幀模塊讀取11個FIFO數據緩沖器中緩存的數據，分別對不同FIFO中的數據添加幀標志、幀計數、幀長度等信息，進行模數混合編幀[17-18]，之后將編幀的數據緩存到FIFO12。FIFO12數據緩沖器將緩存的數據分別發送給遙測發送模塊和采集數據輸出模塊。遙測發送模塊將處理后的數據發送給發射機，發射機通過遙測天線將數據實時發回遙測地面接收站；采集數據輸出模塊通過RS422發送接口將數據傳輸給存儲單元的RS422接收模塊。

數據存儲和讀?。河捎赗S422接收模塊的寫入速率與Flash讀取速率不匹配[19]，需要在FPGA內部調用異步FIFO解決讀寫速率不匹配的問題，調用的FIFO_ctrld寫入和讀取寬度為8位，深度為2 k。RS422接收模塊將編幀的數據通過數據緩存器Flash_FIFO緩存至 Flash_ctrl控制模塊中。Flash控制模塊通過ce、rb、ale、cle控制線完成存儲芯片Flash的數據寫入及數據讀出上傳的功能；同樣地，為了解決Flash數據讀取和USB讀數模塊速率不匹配的問題，同樣在FPGA內部調用FIFO，調用的FT232_ctrl寫入和讀取寬度為8位，深度為2 k。若對Flash存儲模塊中存儲的數據進行數據回讀時，PC上位機通過USB方口線下發命令至FT232_ctrl控制模塊，Flash存儲器響應命令后，數據通過245_FIFO緩存至FT232_ctrl模塊中，從Flash讀出后再通過USB接口上傳至PC端[20]。

4.2 遙測發送模塊邏輯設計

遙測發送模塊主要實現了彈載防毀遙測采編存儲系統中采編單元與發射機之間數據傳輸的功能。在軟件設計中，遙測發送模塊按照遙測發射機的協議將發送給記錄儀的數據進行重新編幀。遙測控制邏輯的程序流程圖如圖10所示。

圖10 遙測發送模塊邏輯框圖

由于遙測的碼速率為4.8 Mbps，遙測采編器的數據下傳速率為2.5 Mbps，因此為了解決傳輸速率不匹配的問題，遙測發送模塊在對下傳數據進行編幀時需要添加同樣幀結構的無效數“CC”來保證遙測的碼速率，與遙測PCM碼流的脈寬相匹配。本設計中遙測系統轉發的PCM碼速率為4.8 Mbps，幀同步碼為“EB 90”，幀長為64字節。

5 功能測試

5.1 遙測功能測試結果

遙測發送模塊發送數據的接收測試結果如圖11所示。數據包括幀頭“EB 90”、幀計數連續遞增，無效數“CC”和有效數據。

圖11 遙測發送模塊發送數據的接收結果

如圖11所示，幀頭“EB 90”對齊，幀計數依次累加，證明數據傳輸完整準確，不存在數據丟失的問題。接收的數據試驗結果表明遙測發送模塊可以實現彈載遙測防毀采編存儲系統中采編單元與發射機之間數據傳輸的功能。

5.2 高壓模擬量電路的電壓采集試驗

為了驗證采編單元能夠采集到多路高壓模擬量信號，我們對多通道模擬量采集電路做了可靠性試驗，其中第48通道的實際輸入電壓值如圖12所示。

圖12 第48通道的輸入電壓值

彈載遙測防毀采編存儲系統設計第48通道來采集350 V的高壓模擬量。具體的測試過程為：將電壓源作為系統的信號產生源與系統進行聯調；等系統上電啟動后，電壓源分別設置不同的電壓值為系統提供電壓模擬信號，系統的采集存儲模塊開始對輸入的電壓模擬信號進行采集。100 V交流電壓源在60 s左右給系統提供輸入電壓；持續20 s后，交流電壓源變為180 V供電；持續20 s后，交流電壓源依次變為240 V、336 V為系統提供輸入電壓。從上圖中可以看出，采集的真實電壓值變化與實際操作相符，表明了系統的第48通道可以實現對350 V高壓模擬量信號采集的功能。

6 結束語

本文設計一種將遙測系統與防毀記錄儀相結合的彈載遙測防毀采編存儲系統，結合傳統的彈載動態測試技術，設計了具有抗高沖擊的防毀記錄儀內外層防護結構，保證了系統的穩定性；電路上設計模擬信號的調理電路和數字信號的接口電路，實現了對多路信號采集存儲的功能；軟件上完成了遙測發送模塊的邏輯設計；在測試中成功實現數據傳輸功能以及對高壓模擬量信號的采集功能，驗證了彈載遙測防毀采編存儲系統的可靠性和穩定性。彈載遙測防毀采編存儲系統的研究，對于評估導彈飛行狀態以及改進導彈性能有著重要意義和價值。