基于ZYNQ+GPS的抗干擾爆炸零時獲取技術研究

摘" 要： 針對爆炸場中彈藥爆炸零時難以獲取以及多個測試設備難以同步觸發、時間同步性差等問題，文中設計了一種基于ZYNQ+GPS的爆炸零時獲取系統。該系統使用ZYNQ芯片作為控制核心，采用GPS同步技術對系統進行同步授時，為系統提供了高精度時鐘。此外，針對惡劣的爆炸環境，系統采用了DDR+EMMC存儲結構和磁耦隔離技術，有效地提高了系統的存儲效率與可靠性。理論分析并驗證了在GPS正常工作條件下，系統之間的最大時間誤差為2 μs。實驗結果表明，該系統具有良好的時間同步性，能獲取到精確的爆炸零時，為構建彈藥爆炸威力場提供了有效的時間數據。

關鍵詞： 存儲測試； 時間同步； 爆炸零時獲取； 同步觸發； GPS； ZYNQ

中圖分類號： TN606?34" " " " " " " " " " " " " "文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " " 文章編號： 1004?373X（2025）05?0001?06

Research on anti?interference explosion zero?time acquisition technology"based on ZYNQ+GPS

WANG Xiaoxin1， ZHANG Bin1， CHU Wenbo2， LI Chenkai1， ZHAO Dong’e1

（1. School of Information and Communication Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. School of Mechanical and Electrical Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： In view of the difficulty in obtaining the zero time of the ammunition explosion， and the difficulty in synchronous triggering and poor time synchronization of multiple test equipment in the explosion field， an explosion zero?time acquisition system based on ZYNQ+GPS is designed. In the system， the chip ZYNQ is used as the control core， and the GPS synchronization technology is used to synchronize the timing of the system， so as to provide the high?precision clock for the system. In addition， in view of the harsh explosive environments， the storage structure DDR+EMMC and magnetic coupling isolation technology are adopted for the system， so as to effectively improve the storage efficiency and reliability of the system. Theoretical analysis and verification have shown that the maximum time error between the system is 2 μs under normal GPS working conditions. Finally， the test results show that the system has good time synchronization and can obtain accurate zero time of explosion， providing reliable time parameters for reconstructing the ammunition explosion space?time field.

Keywords： storage testing; time synchronization; explosion zero?time acquisition; synchronous trigger; GPS; ZYNQ

0" 引" 言

隨著高效毀傷精確打擊武器系統的發展，各類彈藥通過爆炸產生的大量高速破片以及爆炸沖擊波進行殺傷和摧毀目標，破片的飛行速度和沖擊波壓力參數測試對于各類彈藥的設計有著重要的指導意義[1?3]。根據彈藥的爆炸特性準確對測試系統進行觸發是測試成功的重要條件之一。

針對彈藥爆炸實驗的觸發系統設計，文獻[4]提出了斷靶觸發方式，斷靶觸發是將信號線纏繞在彈體上，爆炸時信號線斷開，通過產生電信號的變化來觸發測試系統；文獻[5]設計了一種聲光觸發方案，依據爆炸產生的強光和聲音進行觸發；文獻[6]提出了一種GPS同步時間觸發方式，該方案在設備內部預設一個觸發時間，當GPS時間與預設時間相同時，自動觸發測試系統。目前在彈藥爆炸實驗中，上述觸發方式存在以下幾個問題。

1） 由于實驗中一般是人為引爆彈藥，導致彈藥爆炸的具體時間根本無法確定，因此在實驗中不會使用GPS時間觸發方式。靶場中測試設備多采用斷靶觸發以及光觸發等傳統的觸發方式，但在測試中無法獲得彈藥爆炸的準確時間。

2） 彈藥實驗中通常采用在彈藥周圍大面積布設傳感器的方法來獲得彈藥的破片和沖擊波參數，需要在現場布置若干個測試設備[7]。而分布于現場的多個測試設備是相互獨立的，空間上的分散以及觸發方式的不同會導致各系統之間難以同步觸發和測量。

針對以上彈藥參數測試領域存在的問題，本文設計了一種基于ZYNQ+GPS的爆炸零時獲取系統。該系統以ZYNQ為控制核心，利用GPS同步授時技術獲得高精度的系統時鐘，可以得到較為精確的彈藥爆炸零時，并同時觸發多個測試設備。在測試設備時鐘精度差的情況下，可以通過本文系統為多個測試設備提供統一的時間基準，從而得到破片和沖擊波信號的時間參數。

1" 系統組成和工作原理

1.1" 系統結構組成

彈藥爆炸零時是指彈藥產生火光的時間點，是構建彈藥爆炸威力場的重要參數。彈藥爆炸零時獲取技術的缺失會對實驗結果以及后續的彈藥爆炸場的構建造成較大的影響。因此，本文設計了一種基于ZYNQ+GPS的爆炸零時獲取系統，并采用斷靶觸發以及光觸發等外觸發方式聯合爆炸零時獲取系統的方法來獲得彈藥爆炸零時。

爆炸零時獲取系統主要實現了對外觸發信號的響應、記錄并保存脈沖信號到來的時間，為其他系統分發脈沖信號等功能。爆炸零時獲取系統總體結構如圖1所示。系統以ZYNQ芯片為核心，采用多個隔離電源給數字電路和模擬電路分開供電，并且使用磁耦隔離器將數字電路與模擬電路隔離，為系統的電子器件提供隔離和防靜電保護；使用GPS同步授時技術確保系統擁有高精度時鐘；采用DDR+EMMC緩存存儲結構實現了時間數據的緩存與存儲；系統配備一塊顯示屏幕，可以隨時查看系統中存儲的時間數據。此外，系統體積小、功耗低、便于攜帶，適用于各種環境。

系統工作示意圖如圖2所示。當彈藥爆炸，系統檢測到外觸發信號（斷靶信號或火光信號）后，系統會記錄彈藥的爆炸零時[t0]，并為多個測試設備輸出脈沖信號使其觸發，測試設備開始采集。實驗結束后，通過測試設備設定的采集參數、傳感器的位置和記錄的爆炸時間[t0]，可以得到破片、沖擊波到達某一位置的具體時間以及它們的持續時間，即可將測試設備測得的數據放在統一時間軸，對彈藥爆炸場的重構起著重要作用。

1.2" GPS同步單元的工作原理

GPS（全球定位系統）是一種基于衛星導航的定位技術，可以向全球范圍內提供精確定時和定位的功能。GPS用戶通過接收多顆衛星信號對位置以及時間信息進行補償和計算，從而完成同步授時服務。其主要原理是通過衛星的原子鐘信號來校準接收機時鐘，從而實現高精度授時，授時精度可以達到納秒級別。

系統使用GPS模塊輸出的脈沖信號與串口數據校正時鐘，對系統進行同步授時。脈沖信號是GPS模塊輸出一個周期性的脈沖信號，且該脈沖信號的上升沿與整秒時刻同步，設備收到同步脈沖后進行校時，消除內部時鐘的走時誤差。GPS模塊經過對位置以及時間信息的補償后會發送串行數據，串口數據是GPS模塊以串行數據流的方式輸出的時間信息，GPS模塊每秒發送一次串行數據，通過對串行數據的解碼得到UTC時間。GPS模塊的秒脈沖與串行數據時序如圖3所示。系統利用串行數據中的UTC時間對秒脈沖到來的時間進行準確標定，后將UTC時間同步到系統時鐘[8?10]。

2" 系統設計

2.1" 基于GPS的同步授時單元設計

GPS同步單元主要由ZYNQ芯片、GPS模塊、高精度晶振等器件組成。本文系統采用u?box公司旗下的高精度GPS授時模塊MAX?M10S，該模塊可以同時跟蹤和接收GPS、伽利略、北斗等多個信號，并且采用SiT5711高精度晶振，該晶振在振動、沖擊以及電磁干擾等復雜環境下具有優異的穩定性。

GPS同步單元結構如圖4所示，ZYNQ芯片中包含PL端（FPGA）和PS端（ARM）等兩大模塊[11]。PL端主要負責接收來自GPS模塊的秒脈沖信號和來自高精度晶振的時鐘信號；PS端則通過通用異步收發器（UART）與GPS模塊進行串行數據的接收以及命令控制，并且對串行數據中UTC時間進行提取與記錄。

當GPS模塊正常工作時，會周期性地發送精確的秒脈沖信號與串行數據。系統檢測到秒脈沖信號的上升沿時，開始等待并查詢來自GPS模塊的串行數據，當系統接收并提取串行數據中的UTC時間后，將其緩存在內部寄存器中。等下一個秒脈沖信號到來時，將緩存的UTC時間加1 s后賦值給系統時間，以此往復，即可得到高精度的系統時間。若出現GPS信號中斷或干擾故障情況時，系統則采用高精度晶振提供的周期信號進行計時。GPS同步單元工作流程圖如圖5所示。

2.2" 系統抗干擾設計

彈藥爆炸釋放大量的能量會引起周圍電磁場的劇烈變化，導致電磁脈沖的產生。這種電磁輻射可以對電子設備的通信系統和電力系統產生嚴重的干擾甚至損壞[12]。因此，需要在電路板信號輸入端和輸出端設計隔離電路來提高設備的抗干擾能力以及設備的可靠性和穩定性。

對于隔離電路的設計，需要考慮到輸入?輸出端隔離、各路信號之間的隔離、供電電源之間的隔離[13]。本文系統采用ADUM226N雙通道數字隔離器來實現信號輸入?輸出端的隔離，該隔離器是一種雙通道磁耦隔離器，其中有一個正向通道和一個反向通道，隔離器兩側電源電壓的工作范圍為1.8～5 V，有良好的兼容性，同時還具有電壓轉換功能。隔離器內部包含兩個專用的隔離變壓器，可使隔離器兩端沒有直接的電氣連接，隔離電壓高達5 000 Vrms。磁耦隔離電路設計如圖6所示，實現了信號電壓在3.3 V與5 V之間的相互轉換。對于供電電源之間的隔離，則采用ADUM6028隔離式DC?DC轉換器，該電源隔離器輸出電流為60 mA，具有隔離穩壓功能，可以實現電源之間隔離，并且在電路板上對各路信號之間進行了“地”隔離，阻斷了“地”干擾的傳播途徑，使信號之間無直接回路連接，避免了各路信號之間的相互干擾。

在系統設計中，電路板的信號輸入端和輸出端都采用如圖6所示的隔離電路。其中電路板的信號輸入使用的是磁耦隔離器的正向通道（VIA和VOA管腳），而信號輸出使用的是磁耦隔離器的反向通道（VIB和VOB管腳）。在彈藥爆炸瞬間，系統檢測到外部輸入信號電壓的變化后，PL端（FPGA）會控制信號輸出I/O口由低電平變為高電平，并持續2 ms，即系統輸出一個脈沖寬度為2 ms的5 V脈沖信號。

2.3" 基于ZYNQ的高速存儲結構設計

ZYNQ芯片內部沒有集成存儲單元，且內部的RAM掉電又會丟失數據，因此需要為系統搭載一枚存儲芯片來保證系統的可靠性。EMMC是一種嵌入式、非易失的存儲芯片，它主要由NAND FLASH、FLASH控制器和eMMC協議接口等組成，以BGA的形式封裝在一起，具有體積小、功耗低、容量大、掉電不易丟失的優點[14?15]。它的存儲單元是NAND FLASH，NAND FLASH不能連續寫入數據[16]，且有ms級別的擦除時間，大大降低了FLASH總體寫入速度。同時，若直接采用ZYNQ內部RAM來緩存數據會占用系統大部分硬件資源，并且可能導致數據丟失，需要添加緩存芯片來緩存較為龐大的數據流。DDR具有低功耗、存數據速度快和容量大的特點[17]。系統采用DDR+EMMC的存儲結構來緩存存儲實驗數據，其中DDR作為緩存單元，EMMC作為存儲單元。

在核心板硬件設計中，DDR3芯片和EMMC芯片都掛載在PS端，而PL端負責信號輸入、輸出和記錄時間數據，因此在數據緩存存儲控制過程中，需要將PL端的數據傳輸到PS端。在ZYNQ中，PL端與PS端通過AXI總線進行通信以及數據傳輸工作，并且讀寫操作能夠相互獨立操作，實現數據的雙向傳輸。

整體的數據存儲流程圖如圖7所示。當外觸發信號到達時，PL（FPGA）端記錄外觸發信號到達時刻的數據，數據通過FIFO緩存后經AXI總線發送到PS（ARM）端，后將數據寫入到DDR3中，達到設置的采樣時長后，將DDR3中的數據按順序讀出并存儲在EMMC中，防止數據丟失。

在Vivado的debug調試環境下利用ILA IP核觀察ZYNQ芯片內部實時信號，如圖8所示。由圖8可知，當AWVALID信號為高電平時，AXI總線控制器向DDR3寫入32位的數據，每寫入一個數據后，DDR3的地址發生變化。

3" 誤差分析與驗證

3.1" 時鐘誤差分析

系統時鐘誤差主要由GPS模塊授時本身的誤差以及系統內部晶振固有誤差構成。其中GPS模塊的時間誤差是納秒級別，且不會隨時間的流逝而累加；而高精度晶振的誤差具有累加性。

本文系統采用的GPS授時模塊為MAX?M10S，其時間脈沖信號的精度可以達到60 ns；SiT5711高精度晶振的精度為1 ppm（百萬分之一），即每秒產生的最大誤差為1 μs。系統設置每秒同步一次GPS時間，當GPS信號良好，且工作正常時，系統誤差最大值在同步前一刻產生，系統時鐘的最大誤差為1 μs；當檢測到GPS信號異常，GPS模塊不會輸出秒脈沖信號和串行數據時，無法進行時間同步，則使用系統內部計時，此時系統誤差就是晶振誤差，每秒最大偏差為1 μs，并且誤差隨著時間的流逝一直累加，直到GPS重新授時成功。系統誤差示意圖如圖9所示。

3.2" 實驗室驗證

3.2.1" 系統時鐘誤差測試

為了保證系統在爆炸場中可以使用，需要在實驗室反復驗證GPS同步單元的可靠性。在實驗室中采用兩套爆炸零時獲取系統進行實驗驗證，實驗現場圖片如圖10所示。首先，給系統上電并連接GPS天線，等待GPS模塊授時成功，確保GPS模塊產生準確的秒脈沖和串行數據；之后使用信號發生器、火光觸發器以及斷靶線分別作為外觸發方式，使兩套系統同時觸發，觀察兩個系統記錄的觸發信號的時間差。

經過多次實驗，兩個系統測得的觸發信號的時間差如圖11所示。由圖11可知，在采用斷靶、火光和信號發生器等不同觸發方式時，兩個設備測得的最大時間差是1.58 μs，最小時間差是30 ns。系統之間的時間差與每個系統的時鐘誤差有關。在系統工作正常時，如果每個系統的時鐘誤差最大值都為1 μs，并且偏差方向相反，那兩個系統之間的時間差最大為2 μs。因此，實驗測得兩個系統的時間差均在理論誤差范圍之內。

3.2.2" 系統延時測試

系統輸入信號和輸出信號的波形如圖12所示。當輸入同一個觸發信號時，兩個設備同時輸出脈沖信號，且輸入信號與輸出脈沖信號之間的延時小于2 μs。

3.3" 外場實驗

在靜爆場實驗，將火光觸發器與爆炸零時獲取系統放在離彈藥炸心50 m處，將爆炸零時獲取系統的輸入端口連接到火光觸發器，輸出端口連接到其他測試設備。圖13是某次靶場實驗現場系統放置圖。表1是某次靶場實驗的測試結果。

實驗證明，爆炸零時獲取系統可以很好地適用于靶場實彈測試實驗中，在實驗中可以獲取爆炸零時，且同時觸發多個設備。系統穩定可靠、操作簡單、工作量小、無需掩體，可以滿足靶場彈藥測試要求。

4" 結" 語

針對破片參數測試領域中多設備難以同步觸發、時間同步性差以及彈藥爆炸零時難以獲取等問題，本文設計了一種基于ZYNQ+GPS的爆炸零時獲取系統，提出了外觸發方式聯合爆炸零時獲取系統測得彈藥爆炸零時的方法。本文系統采用GPS同步授時技術為系統提供了高精度時鐘；面對惡劣的爆炸環境，系統搭載了磁耦隔離芯片，提高系統的可靠性和抗干擾性；使用DDR+EMMC的緩存存儲結構來存儲數據。另外，該系統具備設計簡單、體積小、可靠性高等優點，適用于各種實驗環境，實驗人員也可以根據具體實驗任務進行多設備聯用。經過實驗驗證，在測試設備時鐘精度較差的情況下，該設備可以精準獲取彈藥的爆炸零時，并且時間精度可以達到微秒級別，能夠為構建彈藥爆炸威力場提供可靠的時間參數。

注：本文通訊作者為趙冬娥。

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基金項目：國家自然科學基金項目（62205307）；山西省基礎研究計劃（自由探索類）（202203021212113）

作者簡介：王孝鑫（2000—），男，山西運城人，碩士研究生，主要研究方向為光電探測、信號處理、武器毀傷測試。

張" 斌（1985—），男，山東臨沂人，博士研究生，高級實驗師，主要研究方向為光電探測、光電目標識別、武器毀傷測試。

褚文博（1994—），男，內蒙古赤峰人，博士研究生，內蒙古北重集團博士后，副教授，主要研究方向為光電測試技術與儀器。

李宸凱（1994—），男，山西太原人，博士研究生，主要研究方向為光電檢測、信息與信號處理、武器毀傷測試。

趙冬娥（1970—），女，山西臨汾人，博士研究生，教授，主要研究方向為光電信息技術及儀器、智能測控系統、圖像處理與機器感知、光譜成像應用、激光干涉測量。