李亞娟,尤文斌,楊卓靜,祖 靜

(1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室山西太原 030051;2.中國地質(zhì)調(diào)查局水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)調(diào)查中心,河北保定 071051)

0 引言

近年來,隨著沖擊波存儲(chǔ)測試技術(shù)的不斷發(fā)展,將無線傳輸技術(shù)應(yīng)用于沖擊波存儲(chǔ)測試領(lǐng)域已成為趨勢[1]。

沖擊波測試系統(tǒng)就是用于武器的空氣靜爆試驗(yàn)的沖擊波測量,通過測量距爆心不同距離的沖擊波超壓值、超壓持續(xù)時(shí)間、沖擊波的傳播速度及衰減規(guī)律,作為評價(jià)武器系統(tǒng)殺傷力的有效手段[2]。目前,常用的沖擊波場超壓測試方法有引線電測試法和存儲(chǔ)測試法。引線電測法是將壓力傳感器置于爆炸測試現(xiàn)場,信號(hào)記錄儀及計(jì)算機(jī)等設(shè)備置于遠(yuǎn)離現(xiàn)場的掩體內(nèi),測試信號(hào)通過電纜傳輸[3]。存在的問題:1)布置電纜引線費(fèi)時(shí)費(fèi)力;2)電起爆信號(hào)和爆炸產(chǎn)生的電磁干擾通過電纜引線耦合進(jìn)入測試系統(tǒng),常會(huì)造成誤觸發(fā)或帶來很大的噪聲[4]。存儲(chǔ)測試法是將由傳感器、適配電路、A/D轉(zhuǎn)換器、存儲(chǔ)器、控制電路、接口以及電源等組成為一個(gè)微型化測試裝置置于爆炸現(xiàn)場,記錄完畢后回收測試裝備。其不足:1)無法監(jiān)控測試裝置狀態(tài);2)不能第一時(shí)間獲取測試數(shù)據(jù),回收過程可能存在耗時(shí)長、回收困難或意外掉電等風(fēng)險(xiǎn)。因此,本文基于存儲(chǔ)測試、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等技術(shù),提出了一種無線控制的沖擊波超壓負(fù)延時(shí)存儲(chǔ)測試方法。

1 存儲(chǔ)測試與無線控制

1.1 存儲(chǔ)測試

彈藥靜爆試驗(yàn)時(shí)沖擊波場中電磁場干擾、超高壓、環(huán)境溫度最高時(shí)達(dá)2 600℃左右。在這樣惡劣的環(huán)境下要想保證測量儀器可靠工作,采用存儲(chǔ)測試技術(shù)具有很大的優(yōu)勢。采用存儲(chǔ)測試技術(shù)的測試裝置的工作原理為:將傳感器和全部外圍電路放置在一個(gè)耐高溫高強(qiáng)度的保護(hù)殼體內(nèi),只有傳感器的敏感面露在外面感受被測量壓力,這樣惡劣的工作環(huán)境就不會(huì)影響到測試電路的正常工作;然后將整個(gè)測試裝置直接放入測試環(huán)境中,信號(hào)被記錄下來并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器內(nèi),記錄完畢后回收測試裝備。測試裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 存儲(chǔ)測試結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Memory test block diagram

在存儲(chǔ)測試中,存儲(chǔ)器是主要部件之一。常用的存儲(chǔ)器靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(SRAM)具有讀寫速度快、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠、讀寫操作簡單、不用擦除的優(yōu)點(diǎn),因此被廣泛使用。但是SRAM 存在集成度較低、容量小,數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器電源切斷后丟失,功耗較大,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)速度慢、易出現(xiàn)存儲(chǔ)無效區(qū)等問題。

1.2 無線控制與Zigbee網(wǎng)絡(luò)

根據(jù)文獻(xiàn)[5]中附錄c超壓場對人體殺傷判據(jù)的依據(jù),操作人員控制處的沖擊波超壓應(yīng)小于0.03 MPa,距爆炸中心的距離一般為幾百米。若使用引線電測試法,需要布設(shè)長距離的電纜。由于測試環(huán)境的惡劣、沖擊波破壞性大,現(xiàn)場固定和保護(hù)要求高,造成布設(shè)非常不方便。測試信號(hào)通過電纜長距離傳輸必然受到爆炸沖擊波強(qiáng)火光、強(qiáng)沖擊波場和強(qiáng)電離場的干擾,同時(shí)沖擊波作用于信號(hào)傳輸電纜會(huì)因“電纜效應(yīng)”產(chǎn)生虛假信號(hào)疊加在被測信號(hào)上引起干擾[3]。

近幾年低功耗無線射頻技術(shù)在物流、工業(yè)、建筑、醫(yī)療、軍事等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。低功耗射頻技術(shù),最知名的就是藍(lán)牙(Bluetooth)和ZigBee技術(shù),其中,藍(lán)牙技術(shù)推廣較早,已經(jīng)有了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ),很多消費(fèi)電子設(shè)備上都有藍(lán)牙收發(fā)裝置。ZigBee技術(shù)則興起得較晚,但是發(fā)展速度很快,特別是家電和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域。

Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量具有特定功能的傳感器節(jié)點(diǎn)通過自組網(wǎng)的無線通信方式,相互傳遞信息,協(xié)同地完成特定功能的智能專用網(wǎng)絡(luò)[6]。傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.2 Sensor network architecture

Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)主要是為自動(dòng)化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立,每個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可支持多于30個(gè)的傳感器,每個(gè)傳感器可以有8種不同的接口方式。它是一種新型的應(yīng)用于短距離范圍內(nèi),低速率傳輸?shù)臒o線通訊技術(shù),與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成,主要具有功耗低、節(jié)點(diǎn)體積小成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、兼容性好等特點(diǎn)。

2 無線控制的沖擊波存儲(chǔ)測試方法

本方法將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與存儲(chǔ)測試技術(shù)融合,在數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)可靠電路同步觸發(fā)、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)傳輸。采用星型結(jié)構(gòu)組網(wǎng)形式,即一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)與多個(gè)無線傳感器從節(jié)點(diǎn)相互通信的組網(wǎng)方式。無線控制的沖擊波測試原理框圖如圖3所示,無線通信模塊實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)測試裝置之間指令和數(shù)據(jù)的傳輸。

圖3 無線控制的沖擊波測試原理框圖Fig.3 Wireless-controlled block diagram of the test shock

無線模塊主節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)連接置于安全距離外的控制室,主要負(fù)責(zé)對無線傳感器從節(jié)點(diǎn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、同步觸發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)復(fù)位等控制。從節(jié)點(diǎn)對應(yīng)連接存儲(chǔ)測試系統(tǒng),主要完成沖擊波場測量的信號(hào)獲取與傳輸,放置于爆炸環(huán)境之中。計(jì)算機(jī)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái),發(fā)送各種控制指令,接受主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)及狀態(tài)指令,并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)裝置是無線傳感器節(jié)點(diǎn)重要一環(huán),任務(wù)是捕獲目標(biāo)信號(hào)。本存儲(chǔ)測試裝置使用CPLD結(jié)合單片機(jī)共同控制兩片閃存,可現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集、量化和存儲(chǔ)記錄沖擊波波形。其原理框圖如圖4。

圖4 數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)裝置原理框圖Fig.4 Block diagram of data acquisition and storage device

CPLD主要用于需要同時(shí)完成的同步信號(hào)如地址發(fā)生器、時(shí)鐘等的數(shù)字邏輯。單片機(jī)完成判斷、運(yùn)算和控制。CPLD和單片機(jī)共同控制A/D變換器、雙Flash閃存存儲(chǔ)操作。CPLD和單片機(jī)的組合實(shí)現(xiàn)了邏輯時(shí)序高速可靠和控制命令的簡單易行。電源是3.6 Ah/7.4 V可充電電池,由穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換為模擬電路和數(shù)字電路所需的5 V和3.3 V電壓為各個(gè)芯片供電。NAND結(jié)構(gòu)的閃存具有容量大、讀寫速度快、非易失、可擦除與重復(fù)性編程等優(yōu)點(diǎn),非常適合于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。CPLD控制將數(shù)據(jù)傳給無線通信模塊。USB接口用于在測試中天線毀壞時(shí),數(shù)據(jù)可以由單片機(jī)控制通過USB芯片傳輸給計(jì)算機(jī)。

軟件編程時(shí)即為各無線從機(jī)分配好地址編號(hào),上電后主機(jī)以廣播方式對所有從機(jī)發(fā)出一組設(shè)定好的問詢碼,從機(jī)收到后將統(tǒng)一設(shè)定好的應(yīng)答碼和自身編號(hào)按順序依次回傳給主機(jī),檢測通信是否正常。

在引爆前計(jì)算機(jī)通過中斷方式給出同步觸發(fā)信號(hào),無線主機(jī)接收到中斷信號(hào)(保持200 ms)后以廣播方式發(fā)送,保證觸發(fā)信號(hào)的同步性。從機(jī)在接收到觸發(fā)信號(hào)前保持低功耗狀態(tài)等待中斷信號(hào),接收到觸發(fā)信號(hào)后輸出相應(yīng)指令,進(jìn)行判斷、執(zhí)行和設(shè)置參數(shù),完成對相應(yīng)的測試裝置觸發(fā)和采集控制。完成后無線從機(jī)進(jìn)入休眠狀態(tài),以防止爆轟區(qū)電磁場對測試電路的干擾。

負(fù)延時(shí)實(shí)現(xiàn)原理:兩片閃存存儲(chǔ)總?cè)萘糠譃閮蓚€(gè)單元,被測信號(hào)未到時(shí),存儲(chǔ)器保持循環(huán)記錄在第一個(gè)單元,儲(chǔ)存的內(nèi)容不斷被擦除改寫;當(dāng)觸發(fā)信號(hào)到來時(shí),測試電路觸發(fā),負(fù)延遲計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù),數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)向第二單元開始進(jìn)行順序記錄。負(fù)延遲長度根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定。計(jì)數(shù)結(jié)束后地址發(fā)生器停止工作,沖擊波超壓壓力信號(hào)得以存儲(chǔ)。記錄完畢后進(jìn)入休眠狀態(tài),等待讀數(shù)和擦除。負(fù)延時(shí)功能可以將觸發(fā)前的一段信息有效保存,從而得到完整的超壓測試曲線,以保證數(shù)據(jù)的完整性。

測試裝置采集存儲(chǔ)完畢,給無線模塊一個(gè)喚醒信號(hào),無線模塊回傳給主機(jī)一個(gè)包含存儲(chǔ)完畢和該機(jī)地址編號(hào)的信號(hào),主機(jī)按編號(hào)點(diǎn)名向各從機(jī)發(fā)出傳回?cái)?shù)據(jù)的命令碼。從機(jī)通過外接I/O口讀取存儲(chǔ)器里的數(shù)據(jù),然后通過SPI口發(fā)送給無線通信模塊并以一定的時(shí)序控制無線模塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密、加自身編號(hào)地址校驗(yàn)碼、壓縮等處理過程,以保證數(shù)據(jù)在傳輸過程中的安全性。無線主機(jī)處理后譯出數(shù)據(jù)和從機(jī)地址編號(hào)信息,主控CPU將它們存入按從機(jī)編號(hào)分配好的計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器空間里。

3 測試驗(yàn)證

本方法經(jīng)實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定和多次模擬試驗(yàn)后,在靶場對云爆彈進(jìn)行了沖擊波超壓測試工作:6套超壓存儲(chǔ)測試裝置分布在3個(gè)成120°夾角半徑方向上,15 m和20 m位置各方一套裝置。爆心離地面高度為1.5 m,控制室距爆心250 m。其分布圖如圖5所示。

圖5 靜爆沖擊波超壓測點(diǎn)的布置Fig.5 Arrangement of static explosion shock wave overpressure measuring points

本次實(shí)驗(yàn)對6發(fā)云爆彈靜爆進(jìn)行了超壓測試,捕獲有效數(shù)據(jù)31條,無效數(shù)據(jù)分析原因?yàn)榻硬寮唇佑|好引起誤觸發(fā)。表1為其中一發(fā)超壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

圖6為由數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)裝置捕獲的20 m處1#測點(diǎn)和15 m處4#測點(diǎn)超壓值數(shù)據(jù),通過無線數(shù)據(jù)傳輸發(fā)送到距離爆心200 m處計(jì)算機(jī),經(jīng)過濾波等處理后的曲線。

表1 超壓數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表Tab.1 Overpressure data tables

圖6 沖擊波測試曲線Fig.6 Shock test curve

1#測點(diǎn)峰值18.5 kPa,正壓區(qū)作用時(shí)間6.9 ms,到達(dá)峰值時(shí)間為5.13 ms;4#測點(diǎn)峰值22.1 kPa,正壓區(qū)作用時(shí)間8.8 ms,到達(dá)峰值時(shí)間為5.0 ms.。從表1可以看出相同距離的測點(diǎn)沖擊波到達(dá)時(shí)間基本一致,由圖5可以看出超壓峰值基本符合沖擊波衰減規(guī)律。完好的數(shù)據(jù)顯示了無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在測試中的可靠性和實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明無線控制的負(fù)延時(shí)存儲(chǔ)測試方法可控、同步、數(shù)據(jù)完整,是十分可行和成功的。

4 結(jié)論

本文提出了無線控制的負(fù)延時(shí)存儲(chǔ)測試方法。該方法用Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)控制沖擊波場中存儲(chǔ)測試裝置的觸發(fā)和采集和數(shù)據(jù)傳輸,并使用負(fù)延時(shí)功能完整記錄有效數(shù)據(jù)。解決了傳統(tǒng)方法中布線難、干擾大、無法實(shí)時(shí)監(jiān)測和及時(shí)獲取數(shù)據(jù)等問題。試驗(yàn)表明:該方法具有操作簡單,穩(wěn)定可靠,低功耗,抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。在爆炸環(huán)境惡劣的環(huán)境中能夠完整存儲(chǔ)測量數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控,快速檢測整個(gè)系統(tǒng),及時(shí)獲取測試系統(tǒng)的的運(yùn)行狀況。因此,在其他爆炸測試系統(tǒng)領(lǐng)域有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。

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