嵌入胸腔靶標的沖擊波存儲測試系統設計

摘" 要： 針對目前面向人體胸腔的沖擊波超壓測試研究較少的問題，設計了模擬人體胸腔的圓筒形靶標，建立了一種嵌入胸腔靶標的沖擊波超壓存儲測試系統，并對沖擊波特征參數實時提取技術進行研究。測試系統由FPGA控制，選用ICP型壓電式壓力傳感器，基于已有沖擊波存儲測試系統的基本功能，結合WiFi技術實現沖擊波特征參數的實時提取功能，進行了實驗室環境下系統功能檢測和外場試驗環境下的系統功能驗證。結果表明，測試系統能完整記錄胸腔靶標所受沖擊波壓力載荷的數據曲線并實時提取沖擊波特征參數，為人體胸腔在沖擊波壓力載荷下的毀傷機理研究提供了新的手段。

關鍵詞： 沖擊波； 人體胸腔靶標； FPGA； 存儲測試； 特征參數； 壓力傳感器

中圖分類號： TN06?34； TJ06" " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2024）05?0035?07

Design of shock wave storage and test system embedded in thoracic cavity target

ZHANG Xiya1， 2， WANG Daihua1， 2

（1. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. Key Laboratory of Instrumentation Science amp; Dynamic Measurement， Ministry of Education， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： In view of the less research on the shock wave overpressure test for human thoracic cavity， a cylindrical target simulating human thoracic cavity is designed， a shock wave overpressure storage and test system embedded in the thoracic cavity target is established， and the real?time extraction technology of shock wave characteristic parameters is studied. The test system is controlled by FPGA （field?programmable gate array）， and the ICP?type piezoelectric pressure sensor is adopted. On the basis of the basic functions of the existing shockwave storage and test system， the real?time extraction of shockwave characteristic parameters is realized in combination with the WiFi technology. The system function testing in the laboratory environment and the system function validation in the field test environment are carried out. The results show that the test system can completely record the data curve of the shock wave pressure load on the thoracic target and extract the shock wave characteristic parameters in real time， which provides a new means for the study of the destruction mechanism of the human thoracic cavity under the shock wave pressure load.

Keywords： shock wave; human thoracic target; FPGA; storage and test; characteristic parameter; pressure sensor

0" 引" 言

炸藥是戰斗部毀傷目標的能源物質，爆炸是一種極為迅速的能量釋放過程，炸藥瞬時化為一團火光，形成煙霧并產生巨響，附近形成強烈的沖擊波，對有生力量和建筑物造成傷害[1?2]。國內爆炸沖擊波的試驗測試方法主要采用電測法[3?9]，將具有超壓傳感器的測試儀布設在距離爆心一定距離和高度上，將傳感器的敏感面暴露在外界環境中來獲取各測點處的沖擊波超壓曲線。但是沖擊波壓力對人體的作用來自各個方向，采用傳統測試方法只能獲取某一點的測量數據，與人體在爆炸場中實際承受的沖擊波壓力有著明顯不同，所以對于人體所承受的爆炸沖擊波需要采用不同的測量方法[10]進行研究。

以往針對沖擊波對人體胸腔的毀傷機理研究中[11?17]，數值模擬和動物試驗是常用的研究方法，但建立胸腔實物模型并獲取其在沖擊波場中實測數據的工作很少，制約了對沖擊波對人體胸腔毀傷機理的研究。針對這一問題，本文設計了一種模擬人體胸腔的圓筒形靶標及可嵌入該靶標的微型沖擊波存儲測試系統，旨在建立一種針對人體胸腔受爆炸沖擊波毀傷的測量方法，為準確計算和評估爆炸沖擊波對人體胸腔的毀傷效果提供數據支撐。

1" 系統總體設計

1.1" 測試系統設計

針對測試目標，本文將測試系統分為三個部分，分別是現場的沖擊波測試儀、遠端計算機以及中間的無線通信部分，系統總體設計框架如圖1所示。

傳感器采集到沖擊波壓力信號后，將其傳輸至信號調理電路，通過直流耦合、信號增益、低通濾波將信號調理至適配AD轉換的要求，之后信號進入采集存儲模塊進行模數轉換和數據存儲。電源管理模塊負責低功耗設計并為各個模塊提供相應的工作電壓。無線通信部分采用WiFi通信技術，通過架設網橋實現遠端計算機與爆炸場內沖擊波測試系統之間的數據通信。遠端計算機部分借助專用數據處理軟件，具備WiFi和USB兩種通信方式，在試驗前進行工作參數設置和遠程系統監測，在試驗后提取特征參數和測試數據。

1.2" 胸腔靶標設計

以體重為75 kg的成年男性戰士體型為參照，設計了一個模擬人體胸腔的圓筒形靶標，如圖2所示。該靶標外形由高強度鋼制材料構成，高度為700 mm、直徑為305 mm，并在半高度位置以環繞的方式間隔90°均布4個微型測試儀。測試儀從圓筒內部安裝，嵌入圓筒內；傳感器安裝在微型測試儀前端并與圓筒弧面相接，保證整個外露面光滑平整。其中一個測試儀正對爆心，如此實現對前、后、左、右4個方向上的沖擊波壓力進行測量。

2" 硬件設計

2.1" 傳感器選型

目前沖擊波超壓傳感器主要分為兩種：壓阻式壓力傳感器與壓電式壓力傳感器[18]。壓阻式壓力傳感器具有良好的低頻特性，但易受火光和溫度的影響，這使其在爆炸沖擊波測試試驗中受到制約。PCB公司的ICP型壓電式壓力傳感器使用集成電路技術，內置電荷放大器，解決了試驗環境對傳感器的影響，輸出電壓為±5 V，響應時間小于1 μs，諧振頻率大于500 kHz，非線性小于1%FS，滿足沖擊波超壓信號的測試要求[19]。

2.2" 信號調理模塊設計

信號調理模塊作為連接傳感器與AD之間的橋梁，起到將傳感器輸出信號調理至與AD轉換相適配的作用。傳感器輸出信號中的直流偏置較高，使得后續處理存在困難，通常采用的交流耦合方式會影響信號的低頻響應，故采用直流耦合的方式并配合設計直流偏置消除電路。針對小信號測試需求，加入增益可編程的信號放大電路來保證AD量化誤差。設計了低通濾波電路以限制高頻雜波來保證測試精度。

2.3" 采集存儲模塊設計

采集存儲模塊完成對模擬信號的數字轉換、存儲與傳輸的功能。由FPGA控制信號采樣頻率，采用高速低功耗FLASH存儲器作為采集數據的存儲單元。采用EEPROM存儲系統的工作參數與提取的沖擊波特征參數。測試系統的主要傳輸方式是通過WiFi無線傳輸，負責遠程系統監測、數據與特征參數讀取的功能。USB作為有線傳輸手段，也可完成對測試系統的調試。

2.4" 控制模塊設計

控制模塊由主控芯片FPGA和單片機構成。FPGA主要完成系統初始化、接收上位機指令、控制AD采樣、識別沖擊波信號、控制存儲器等功能。單片機的主要功能包括接收FPGA定時參數并更新寄存器值，根據定時參數實現對無線部分和數字部分的低功耗電源管理功能。

2.5" 無線傳輸模塊設計

無線傳輸模塊由WiFi模塊、AP和網橋組成。WiFi模塊集成在測試儀內部，通過引出天線與AP通信，再通過網橋實現遠距離通信。由于爆炸場的強破壞性，天線不能架的太高，無線近地傳輸性能要好。AP距離爆心要盡可能遠，功率要保證無線傳輸距離滿足要求。

2.6" 電源管理模塊設計

電源管理模塊為測試系統提供用電需要。采用8.4 V鋰電池供電，通過升壓和降壓芯片實現電平轉換，供電給傳感器和各個模塊。當測試系統完成沖擊波超壓信號的采集和存儲后，進入低功耗模式以延長待機時間。

3" 軟件設計

3.1" 主控程序設計

系統上電后，FPGA對每個模塊進行復位和初始化。硬件復位后，先讀取狀態參數：如果系統仍處于數據保護狀態，則無法進行新的存儲操作，但可以進行參數設置和數據讀取；在非保護狀態下，系統才可以進行采、存操作。

系統初始化流程如下：基線調理至設定電壓，根據EEPROM中的工作參數設置放大器增益、AD采樣率、觸發閾值、記錄時長。系統初始化完成后，可隨時通過計算機更改系統的工作參數。在工作狀態下，系統持續采樣傳感器信號，并根據觸發閾值和外觸發信號做出觸發判斷。在未觸發狀態下，采樣數據不斷寫入FIFO存儲器，即負延遲區，不進行FLASH數據存儲工作。信號達到觸發閾值后，AD采樣數據通過FIFO寫入FLASH，同時計算沖擊波超壓峰值、正壓作用時間和沖量。當寫入FLASH的數據長度達到設定值時，停止數據采樣和存儲，并設置系統進入數據保護狀態，將提取的沖擊波特征參數寫入EEPROM。系統主控程序流程如圖3所示。

3.2" 計算機軟件設計

根據模塊化設計思想，計算機軟件可分為4個部分：模式選擇、指令交互、波形顯示和數據讀取。4個模塊協同工作，實現計算機的軟件功能設計。

在USB數據交互模式下，計算機通過USB接口與FT600Q芯片交互，FT600Q獲得指令后與FPGA指令控制模塊交互。在WiFi數據交互模式下，計算機通過無線網絡與WiFi模塊交互，WiFi模塊獲取指令后再與FPGA交互。指令交互流程如圖4所示。

4" 系統功能驗證及現場試驗測試

4.1" 實驗室環境下功能驗證

系統調試完成后，首先在實驗室環境下對系統的主要功能進行驗證，如圖5所示。

系統的主要功能包括數據采集、數據存儲和數據讀取。由信號發生器產生標準的1 kHz正弦波作為信號源，由系統采集存儲后讀取數據，計算機軟件的顯示結果如圖6所示。由波形可以看出，測試系統完整地記錄了1 kHz的正弦波信號，驗證了系統采、存、讀功能的正確性。

在實驗室環境下驗證無線傳輸速率，通過計算機控制無線模塊對測試儀進行10 MB的數據讀取，記錄數據傳輸時間，求出傳輸速率。共進行了5次實驗，在數據量均為10 MB時，傳輸用時分別是70 s、68 s、69 s、70 s、70 s，傳輸速率分別是1 198 Kb/s、1 233 Kb/s、1 215 Kb/s、1 198 Kb/s、1 198 Kb/s，平均傳輸速率是1 208 Kb/s，傳輸速率滿足使用需求。

4.2" 現場試驗驗證

為進一步評估系統的適用性，參加了某靜爆試驗沖擊波超壓測試，現場布局如圖7所示。在試驗準備階段，將胸腔靶標固定于爆炸場內某距離處，與爆心同高，以正對爆心的傳感器為前測點，按順時針方向依次為左側點、后測點和右測點。在距離靶標100 m處布設AP與網橋，在距離試驗現場3 km處架設遠程網橋與計算機。胸腔靶標照片如圖8所示。布置完畢后通過人工檢測，確保系統工作正常，測試人員撤離至遠程控制端。

試驗結束后，在遠程控制端無線讀取沖擊波超壓特征參數，隨后傳輸沖擊波超壓測試曲線。本文給出其中2次試驗的測試結果，沖擊波超壓曲線如圖9、圖10所示，沖量曲線如圖11、圖12所示。特征參數提取統計表見表1。

從測試結果可以看出：測試系統完整記錄了沖擊波曲線，并提取出沖擊波特征參數；靶標正面朝向沖擊波時，前測點的沖擊波壓力遠大于其他三個測點，左、右測點的沖擊波壓力基本一致，后測點受到的沖擊波壓力最小且正壓作用時間最長；前測點沖量最大，左右測點沖量基本一致，前、后測點沖量大于左右兩側的沖量。

5" 結" 論

本文設計的沖擊波存儲測試系統經實驗室檢測，各項功能正常。經現場試驗檢測，可完整記錄胸腔靶標4個方向所受沖擊波壓力載荷曲線，實時提取了沖擊波特征參數。測試結果表明，測試系統穩定可靠，可用于模擬人體胸腔在爆炸試驗中的沖擊波超壓測試，可為評估爆炸沖擊波對人體胸腔的毀傷機理提供數據支撐。

注：本文通訊作者為王代華。

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