沖擊波超壓無線式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的研究

張建偉, 馬鐵華, 杜紅棉, 楊卓靜

（1 中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 電子測(cè)試技術(shù)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

近十幾年來，國內(nèi)外科研工作者利用各種測(cè)試方法對(duì)大威力爆炸沖擊波進(jìn)行了大量詳細(xì)的分析研究。測(cè)試方法很多，而存儲(chǔ)測(cè)試法較為常用。存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)具有體積小、低功耗、抗干擾、不易損壞，不需要外引線等特點(diǎn)，比較適合沖擊波場(chǎng)的測(cè)試。在實(shí)際應(yīng)用中，要將存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)預(yù)先置入被測(cè)環(huán)境，等記錄完畢后直接去現(xiàn)場(chǎng)用計(jì)算機(jī)讀取測(cè)試數(shù)據(jù)。但是現(xiàn)行沖擊波場(chǎng)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)存在以下不足：(1)無法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)狀態(tài)：測(cè)試系統(tǒng)置入爆炸現(xiàn)場(chǎng)后，就無法確知系統(tǒng)狀態(tài)。 (2)超壓沖擊波信號(hào)時(shí)基不統(tǒng)一，也就是說沒有一個(gè)作為沖擊波信號(hào)到來的參照時(shí)間點(diǎn)。無線通信技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問、診斷，具有互操作性等優(yōu)點(diǎn)。如果把無線通信技術(shù)運(yùn)用到存儲(chǔ)測(cè)試中，將有效的解決傳統(tǒng)測(cè)試方法的不足[1]。在分析傳統(tǒng)測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，我們提出了一種沖擊波超壓無線式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

無線傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)有兩部分組成：(1)上位機(jī)和無線ZigBee模塊組成的檢測(cè)中心系統(tǒng)。(2)無線ZigBee模塊、Msp430單片機(jī)、光藕、存儲(chǔ)測(cè)試裝置組成的測(cè)試節(jié)點(diǎn)硬件系統(tǒng)。其中存儲(chǔ)測(cè)試裝置有沖擊波測(cè)試電路和傳感器兩部分組成。無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)形式是星形網(wǎng)絡(luò)，因此只需要一個(gè)中心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)即可。整體設(shè)計(jì)框圖如下圖1所示[7]。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)整體框圖

無線中心傳感網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)發(fā)送設(shè)置參數(shù)、無線觸發(fā)，以及將接收到的數(shù)據(jù)顯示在主機(jī)界面上。無線終端傳感網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)無線數(shù)據(jù)的接收，MSP430單片機(jī)主要是為存儲(chǔ)測(cè)試裝置設(shè)置參數(shù)以及讀取測(cè)試裝置數(shù)據(jù)。測(cè)試裝置主要是存儲(chǔ)爆炸沖擊波的數(shù)據(jù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 Zigbee無線通信模塊

根據(jù)文獻(xiàn)，超壓場(chǎng)對(duì)人體殺傷判據(jù)的依據(jù) ,無線控制平臺(tái)處的沖擊波超壓應(yīng)小于 0.03MP，無線控制平臺(tái)距爆心的距離一般為幾百米[2]。因此我們選用上海順舟科技公司生產(chǎn)的SZ05系列無線數(shù)據(jù)通信模塊。它集成了符合ZIGBEE協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器。SZ05系列無線通信模塊分為中心協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)，這三類設(shè)備具備不同的網(wǎng)絡(luò)功能。設(shè)備在硬件結(jié)構(gòu)上完全一致，只是設(shè)備嵌入軟件不同，只需通過跳線設(shè)置或軟件配置即可實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)備功能。

通過無線ZigBee技術(shù)組建星形傳感網(wǎng)絡(luò)，利用TI公司生產(chǎn)的MSP430單片機(jī)組建中央控制電路。本測(cè)試系統(tǒng)主要由單片機(jī)控制將裝置RAM中的數(shù)據(jù)傳送給計(jì)算機(jī)，另外，試驗(yàn)前，要接收計(jì)算機(jī)的編程數(shù)據(jù)給測(cè)試系統(tǒng)編程。為了在計(jì)算機(jī)、無線模塊以及單片機(jī)之間可靠地進(jìn)行通信，通信協(xié)議是必須的。我們采用的通信協(xié)議是簡(jiǎn)單可靠的握手協(xié)議[3]。

2.2 存儲(chǔ)測(cè)試模塊

存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)主要由傳感器、模擬模塊、數(shù)字模塊（數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)）、無線模塊、USB讀數(shù)模塊、計(jì)算機(jī)和安裝裝置(殼體)等組成，測(cè)試系統(tǒng)原理框圖見圖2，沖擊波超壓的測(cè)試環(huán)境相當(dāng)惡劣，殼體除了具有屏蔽作用之外還要求它具有很強(qiáng)的抗沖擊能力，能夠起到保護(hù)殼體內(nèi)部測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分的作用，所以殼體采用高強(qiáng)度的剛體結(jié)構(gòu)，最大能夠承受10MPa以上的沖擊波壓力[4]。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖

存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)工作過程如圖2所示。測(cè)試系統(tǒng)上電后、測(cè)試實(shí)驗(yàn)開始前用計(jì)算機(jī)通過USB或者無線模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置完畢后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)采樣狀態(tài)，等待觸發(fā)。如果采用無線觸發(fā)方式，則計(jì)算機(jī)通過無線模塊發(fā)送觸發(fā)命令，系統(tǒng)觸發(fā)進(jìn)入測(cè)試數(shù)據(jù)記錄階段。在整個(gè)采樣階段，傳感器將爆炸沖擊波超壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)，經(jīng)過濾波放大電路后輸送到A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)在FPGA的控制下儲(chǔ)存到閃存中，等待數(shù)據(jù)記錄完成。測(cè)試系統(tǒng)記錄10s后自動(dòng)下電，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)完畢，等待讀取數(shù)據(jù)。讀數(shù)時(shí)，系統(tǒng)重新上電，通過USB讀數(shù)模塊讀取閃存中的數(shù)據(jù)，直到數(shù)據(jù)讀取完為止。此時(shí)可擦除測(cè)試系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)，下電等待下次實(shí)驗(yàn)[8]。

沖擊波超壓無線式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物如圖3所示。

圖3 沖擊波超壓無線式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

2.3 測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中至關(guān)重要，它主要包括FPGA控制程序設(shè)計(jì)、USB讀數(shù)程序設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)3部分，它們貫穿于測(cè)試系統(tǒng)工作的整個(gè)過程。FPGA程序控制A/D轉(zhuǎn)換器和閃存的各種工作狀態(tài)；USB程序主要通過設(shè)計(jì)GPIF固件的波形圖來控制USB讀數(shù)[5]；計(jì)算機(jī)軟件包括計(jì)算機(jī)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)讀取與數(shù)據(jù)處理等方面工作。設(shè)計(jì)內(nèi)容如圖4所示。

圖4 軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容

3 實(shí)際應(yīng)用及結(jié)果分析

該系統(tǒng)應(yīng)用于云爆彈的爆炸威力測(cè)試，當(dāng)時(shí)氣象條件為0.927標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；濕度20%；溫度－13℃ ～－5℃。6套裝置分別布置在距爆心15 m和20 m處，并且規(guī)律的布置在3條射線上，3條射線分別成120°夾角。1、2、3號(hào)裝置布置在半徑為15 m的圓周上，4，5，6號(hào)布置在半徑為20 m的圓周上。無線控制平臺(tái)在距爆心200 m土山的掩體內(nèi)[6]?，F(xiàn)場(chǎng)布置圖如圖5所示。

圖5 云爆彈的爆炸威力測(cè)試布設(shè)圖

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)多發(fā)彈丸進(jìn)行爆炸實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程比較成功，本文對(duì)其中一發(fā)彈丸得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見表1。

裝置1和裝置4測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過無線zigbee模塊回傳到掩體內(nèi)的計(jì)算機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)顯示，圖6為經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)曲線：

從表1可以看出相同距離的測(cè)點(diǎn)沖擊波到達(dá)時(shí)間一致，超壓峰值基本符合沖擊波衰減規(guī)律，數(shù)據(jù)都較好，基本在無線ZigBee同步算法誤差范圍之內(nèi)。圖6顯示的曲線完整，證明了裝置無線通信的可靠性。實(shí)驗(yàn)證明，測(cè)試節(jié)點(diǎn)越多，越能顯示無線ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)星形組網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果頁證明了整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性。

表1 測(cè)點(diǎn)情況統(tǒng)計(jì)表

圖6 無線模塊傳回的壓力數(shù)據(jù)曲線圖

4 結(jié)論

沖擊波超壓無線式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)將通信領(lǐng)域先進(jìn)的ZigBee無線技術(shù)應(yīng)用到存儲(chǔ)測(cè)試中來，并且以完善的軟硬件電路設(shè)計(jì)，保證了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，體現(xiàn)了多學(xué)科交差互動(dòng)的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)獨(dú)立，同樣適用于其他壓力場(chǎng)的測(cè)試，具有很大的推廣價(jià)值。

[1]張愛萍.沖擊波的測(cè)試[D].太原:華北工學(xué)院,1998.

[2]中國人民解放軍第三十二試驗(yàn)訓(xùn)練基地.GJB 5212 -2004云爆彈定型試驗(yàn)規(guī)程[S].北京:總裝備部軍標(biāo)出版發(fā)行部出版,2004.

[3]孫利民,李建中.無線傳感網(wǎng)絡(luò)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2005:1-17.

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