基于ARM的彈丸姿態(tài)測量及數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計*

朱平安 張曉龍

(1.陸軍軍官學(xué)院兵器工程教研室 合肥 230031)(2.陸軍軍官學(xué)院高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實驗室 合肥 230031)

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基于ARM的彈丸姿態(tài)測量及數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計*

朱平安1張曉龍2

(1.陸軍軍官學(xué)院兵器工程教研室 合肥 230031)(2.陸軍軍官學(xué)院高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實驗室 合肥 230031)

彈載記錄儀作為彈丸飛行試驗中獲取彈丸飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)的測量手段之一,近年來越來越受到重視和普遍使用。論文以測量彈丸轉(zhuǎn)速、方位角和高度為目的設(shè)計的彈載記錄儀,主要由微控制器、電源模塊、采集單元、存儲單元等組成,具有體積小、功耗低、精度高及抗高過載能力強等特點。試驗證明,該彈載記錄儀完全滿足高精度測量、抗高過載的要求。

記錄儀; ARM; BMP085; HMC5883L

Class Number TJ410.6

1 引言

近年來,隨著信息化彈藥的發(fā)展,對炮彈精確制導(dǎo)控制要求越來越高,為此,通常在研發(fā)時需要獲取彈丸在飛行過程中各種測試數(shù)據(jù),然后對數(shù)據(jù)分析、改進設(shè)計參量使炮彈性能達到戰(zhàn)技指標(biāo)要求。對比以前采用統(tǒng)計分析大量設(shè)計試驗取得的數(shù)據(jù)來評估炮彈性能的方法,遙測和彈載記錄儀作為兩種各具特色的測試手段,以試驗次數(shù)少、可靠性高等優(yōu)點更能勝任獲取彈丸在飛行試驗中的各項數(shù)據(jù)。然而遙測相對比較復(fù)雜,且試驗成本較高和易干擾,一般情況下很少采用[1]。彈載記錄儀是搭載在彈丸上的數(shù)據(jù)采集和記錄設(shè)備,能實時存儲記錄彈丸的飛行試驗數(shù)據(jù)并可靠回收數(shù)據(jù),因其成本低、抗過載、采集率高、容量大等優(yōu)點而普遍使用。

本文設(shè)計的彈載數(shù)據(jù)記錄儀主要用于測試彈丸在飛行過程中的轉(zhuǎn)速、方位角和高度,最后彈丸回收后在上位機上對記錄的數(shù)據(jù)進行分析,具有體積小、功耗低、響應(yīng)速度快及抗高過載能力強等特點。

2 總體設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,主要由微控制器、電源模塊、采集單元(包括用于測轉(zhuǎn)速的線圈電路、測方位角的磁傳感器和測高度的氣壓傳感器)、存儲單元以及為在上位機進行后續(xù)處理所需的RS-232接口電路組成[2],其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)原理圖

2.2 工作過程

炮彈發(fā)射后,由彈上電源供電,系統(tǒng)開始工作:微控制器ARM首先判斷預(yù)先設(shè)置的引腳18(PB0)為高電平有效,以此來區(qū)分系統(tǒng)是進行數(shù)據(jù)采集還是讀取存數(shù)芯片數(shù)據(jù),默認高電平采集數(shù)據(jù),低電平讀取數(shù)據(jù);然后ARM發(fā)出采集指令,線圈隨炮彈旋轉(zhuǎn)而切割地磁線,產(chǎn)生的信號經(jīng)差分放大后輸入至ARM,同時磁傳感器得到指令實時測量彈丸在地球磁場中的相關(guān)數(shù)據(jù)(用于解算實時方位角),氣壓傳感器采集彈丸飛行的氣壓、溫度參數(shù)(用于解算彈丸實時高度);幾個采集單元獲取的數(shù)據(jù)經(jīng)ARM處理后存入外部存儲單元,等到系統(tǒng)回收后在上位機上進行處理分析。

2.3 抗過載設(shè)計

由于系統(tǒng)在彈丸飛行過程中要經(jīng)歷高速、高過載、高沖擊等惡劣環(huán)境。因此,為提高系統(tǒng)的抗過載能力,對PCB電路板采用雙層設(shè)計,所有電子元器件選用小封裝、貼片式,并在系統(tǒng)裝配時對PCB電路板進行固體灌封處理[3]。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 器件選型

設(shè)計要求在彈丸飛行全軌跡中,以2分鐘總時存儲采集的彈丸姿態(tài)量,由于時間短、采集的參量較多,要求微控制器的運算性能要高,本系統(tǒng)選用意法公司基于ARM cortex-M3系列的32位芯片STM32F101C8T6[4]作為微控制器(MCU),主頻為36MHz,工作電壓為2.0V～3.6V,內(nèi)嵌一個10通道的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器,2個I2C總線接口,2個SPI接口,3個USART接口和3個16位的通用定時器以及一個串行線JTAG調(diào)試口(SWJ-DP),并有64KB FLASH ROM和10KB RAM。該芯片滿足實現(xiàn)MCU需要的低成本、低功耗、高速計算性能和先進中斷系統(tǒng)響應(yīng)的平臺要求[5～6]。

為滿足彈上器件小體積、高精度以及抗過載的要求,結(jié)合ARM固件屬性,對所需量進行采集的芯片選型如下: 1) 磁傳感器選用的是霍尼韋爾公司一種表面貼裝的高集成芯片HMC5883L[7～8]三軸磁傳感器,內(nèi)部包括放大器、自動消磁驅(qū)動器、偏差校準(zhǔn)、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器等集成電路。相比其他磁傳感器,HMC5883L采用的各向異性磁阻(AMR)技術(shù),能使羅盤方位角精度達到1°～2°。 2) 氣壓傳感器選用德國BOSCH公司的一款高精度、超低功耗數(shù)字氣壓傳感器BMP085[9～11],其壓力測量范圍為30～110kPa(相當(dāng)于海拔-500m～9000m),絕對精度可以達到0.03hPa(0.25m),滿足彈丸飛行的最大高度值,而且體積小、穩(wěn)定性好,具有抗高過載性能。 3) 存儲芯片采用WINBOND公司的四線制spi FLASH芯片W25Q64BVSSI對測得的數(shù)據(jù)作非易失實時存儲。W25Q64BVSSI共有64Mbit的存儲容量,具有讀寫速度快、電可擦除、容量大、價格低等特點。 4) 線圈產(chǎn)生的信號用一片軌到軌儀表運放器來實現(xiàn)信號的放大濾波功能,且該運放具有低偏置輸入電流和低偏置電壓特點。

3.2 電源電路設(shè)計

考慮到為方便電源供電,系統(tǒng)在滿足各模塊電路對電源電壓要求的范圍內(nèi)采用3.3V電源供電。如圖2所示,先將彈上+5V直流電源通過一個低壓差線性調(diào)節(jié)器LM117IMP-3.3[12]降壓到3.3V,然后通過3.3V電源為RAM、磁傳感器、氣壓傳感器、存儲芯片和RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片提供能量。LM117IMP-3.3具有電流限制和熱保護功能,輸出電流可達800mA,溫度范圍為-40℃～125℃,其輸出端使用兩個并聯(lián)鉭電容(10nF和100nF)來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。

圖2 電源電路

3.3 接口電路設(shè)計

由于HMC5883L與BMP085采用I2C接口通信,W25Q64BVSSI采用SPI接口進行數(shù)據(jù)傳輸,使得各芯片與ARM的連接電路變得簡潔方便。而ARM的內(nèi)置ADC可供線圈電路的模擬輸入信號實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換,因此ADC電路無需再設(shè)計,只需將模擬信號輸入AD引腳。

4 主要部分軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件從總體上以模塊化設(shè)計思路,將整個程序按功能分為幾個模塊,在KEIL ARM MDK 4.7開發(fā)環(huán)境下采用C語言進行編程。系統(tǒng)在上電后進入復(fù)位狀態(tài),然后進行程序初始化,包括初始狀態(tài)、引腳功能選擇、中斷初始化以及各接口初始化。在進入采集工作流程之前,先確定ARM的18引腳為高電平,然后分別轉(zhuǎn)入不同的采樣程序,并將采集好的數(shù)據(jù)打包實時存入到外置FLASH中,工作120s后自動停機,回收后的系統(tǒng)通過上位機進行處理,給出數(shù)據(jù)列表或波形曲線。主流程如圖3所示。

圖3 主流程框圖

4.1 線圈模擬信號AD轉(zhuǎn)換

線圈產(chǎn)生的模擬信號經(jīng)放大濾波后從10引腳(PA0_WKUP)輸入,這個引腳復(fù)選功能為ADC的0通道,因此ADC采用單通道多次轉(zhuǎn)換模式進行采樣。初始化前對ADC進行配置如下:

ADC_ScanConvMode = DISABLE(ADC只用一個通道);

ADC_ContinuousConvNode = ENABLE(連續(xù)轉(zhuǎn)換模式);

ADC_Externa(TrigConv_None) (外部觸發(fā)為軟件觸發(fā),設(shè)置好后還要調(diào)用庫函數(shù)ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1,ENABLE)。

由MCU時鐘控制器提供ADCCLK時鐘和PCLK(APB2時鐘)同步,一般情況下PCLK2時鐘設(shè)為與MCU時鐘形同。ADC使用若干個ADCCLK周期對輸入電壓采樣,采樣周期數(shù)目可以通過ADC_SMPR1和ADC_SMPR2寄存器中的SMP[2:0]位而更改。每個通道可以以不同的時間采樣。總轉(zhuǎn)換時間如下計算:

TCONV=采樣時間+12.5個周期

例如:

當(dāng)ADCCLK=14MHz和1.5周期的采樣時間

TCONV=1.5+12.5=14周期=1μs

采樣流程如圖4所示。

圖4 線圈信號采樣

4.2 HMC5883L I2C讀操作

磁傳感器HMC5883L由于內(nèi)部高度集成處理功能,輸出的三個軸上的磁數(shù)據(jù)以數(shù)字信號可以直接輸入MCU中,并通過MCU轉(zhuǎn)換為角度值存入FLASH芯片中,只要開始設(shè)置好測量模式,然后按照I2C總線協(xié)議進行數(shù)據(jù)通訊。如圖5所示為連續(xù)讀出HMC5883L采集內(nèi)部數(shù)據(jù)流程。

圖5 HMC5883L I2C接口驅(qū)動流程圖

4.3 BMP085采集流程

圖6 BMP085測量流程圖

BMP085在出廠時都儲存有11個校準(zhǔn)數(shù)據(jù)(AC1～AC6、B1、B2、MB、MC、MD),微控制器初始化以后,從BMP085的E2PROM中讀出這11個校準(zhǔn)數(shù)據(jù),然后循環(huán)讀取未補償?shù)臏囟戎礥T和壓力值UP,再以UT和UP為參量計算出實際溫度T和補償后的壓力P。最后,將得到的實際溫度和壓力數(shù)據(jù)打包處理,并以BCD碼格式存入FLASH存儲器中。圖6為BMP內(nèi)部測溫度、壓力的驅(qū)動程序流程圖。

5 結(jié)語

本文以ARM為基礎(chǔ),搭載磁傳感器和氣壓傳感器,設(shè)計了一種具有體積小、精度高、功耗低、抗高過載和接口方便等特點的彈載數(shù)據(jù)記錄儀,通過某型號彈載實驗證明,本文設(shè)計的系統(tǒng)可行性好、正確性高,對彈丸在飛行過程中的轉(zhuǎn)速、方位角和高度的測量結(jié)果符合預(yù)期要求。

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Design of Recorder for Projectile Attitude Measurement and Date Based on ARM

ZHU Ping’an1ZHANG Xiaolong2

(1.Weapon Engineering Teaching and Research Section,Army Officer Academy,Hefei 230031)(2.The High Overload Ammunition Guidance and Information Awareness Lab,Army Officer Academy,Hefei 230031)

As a measuring method which can be used to gain projectile flight state data during a projectile flight test.missileborne data recorder has been paid increasing attention and has been generally used.The missileborne data recorder is composed of MCU,power module,acquisition unite and storage unite which aims at measuring the speed,azimuth,and height of projectile.Small size,lowpower consumption,high precision and strong anti high overload capacity are the mainly features.The test shows that the requirements of high precision measurement and anti high overload capacity can be met.

record,ARM,BMP085,HMC5883L

2014年8月11日,

2014年9月29日

朱平安,男,副教授,研究方向:信息化彈藥技術(shù)。張曉龍,男,碩士,研究方向:信息化彈藥技術(shù)。

TJ410.6

10.3969/j.issn1672-9730.2015.02.039