高旋彈用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉寧 蘇中

摘 要： 針對高旋彈數(shù)據(jù)分析與存儲的實(shí)時(shí)性、小空間、低功耗、大容量要求，設(shè)計(jì)適用于高旋彈用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)；并提出一種數(shù)據(jù)處理與存儲方法，實(shí)現(xiàn)了常規(guī)炮彈在飛行過程中的傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理與獲取。首先針對高旋彈工作環(huán)境與數(shù)據(jù)采集過程進(jìn)行分析，確定數(shù)據(jù)處理與存儲需求；結(jié)合需求，利用Cortex?M7與FPGA的雙核心架構(gòu)配以外部并行高速ADC，實(shí)現(xiàn)傳感器信號的采集與處理，利用高速FMC總線控制大容量片外FLASH，實(shí)現(xiàn)處理數(shù)據(jù)的存儲，在此硬件基礎(chǔ)上，提出了同步高速數(shù)據(jù)采集與存儲方法。通過高速轉(zhuǎn)臺地面試驗(yàn)和實(shí)彈飛行驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的正確性，其對常規(guī)炮彈彈道環(huán)境力以及制導(dǎo)化研究具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 高旋彈； 數(shù)據(jù)處理； 高速數(shù)據(jù)采集； 傳感器信號； 數(shù)據(jù)存儲； 實(shí)彈飛行

中圖分類號： TN919?34； TP212.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）14?0083?05

Design of real?time data processing and storage system for high?spinning projectile

LIU Ning1， SU Zhong1，2

（1. School of Automation， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100101， China；

2. Beijing Key Laboratory of High?Dynamic Navigation Technology， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100101， China）

Abstract： In allusion to the requirements of real?time performance， small space， low power consumption， and large capacity of high?spinning projectile data processing and storage， a real?time data processing and storage system applicable for the high?spinning projectile is designed， and a data processing and storage method is proposed， so as to realize real?time processing and acquisition for sensor data of the conventional cannonball during flight. The working environment and data acquisition process of the high?spinning projectile are analyzed to determine the data processing and storage requirements. In combination with the requirements， the dual core architecture of Cortex?M7 and FPGA equipped with the external parallel high?speed ADC is adopted to realize the acquisition and processing of sensor signals， and the large?capacity chip external Flash controlled by the high?speed FMC bus is adopted to realize the storage of processed data. On the basis of the above hardware， the synchronous high?speed data acquisition and storage method is put forward. The correctness of the system function was verified by means of the ground test of the high?speed rotary table and live ammunition flight， which has a great application value for the research of ballistic environmental force and guidenization of the conventional cannonball.

Keywords： high?spinning projectile； data processing； high?speed data acquisition； sensor signal； data storage； live ammunition flight

0 引 言

利用火炮發(fā)射的戰(zhàn)術(shù)級常規(guī)炮彈來壓制和毀傷集群目標(biāo)、炮彈和導(dǎo)彈發(fā)射陣地、艦船等目標(biāo)，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭不可或缺的武器系統(tǒng)[1]。這種常規(guī)炮彈大多數(shù)采用高旋體質(zhì)，依靠高速旋轉(zhuǎn)（轉(zhuǎn)速大于36 000 （°）/s）來保持穩(wěn)定和命中精度。高旋彈在發(fā)射和飛行過程中動態(tài)參數(shù)的獲取對其性能分析極其重要，可以對彈體試驗(yàn)以及使用過程中所發(fā)生故障的機(jī)理進(jìn)行分析，為其驗(yàn)證、優(yōu)化設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。目前，低成本高旋彈，尤其是中大口徑榴彈在試驗(yàn)中經(jīng)常遇到引信早炸、瞎火等問題。為了分析引起這些問題的原因，需要對彈體飛行過程中的動態(tài)參數(shù)進(jìn)行測試[1?3]。

早在1996年，美國就研制出了相關(guān)的測量裝置，能夠有效獲取高旋彈體的相關(guān)環(huán)境力學(xué)特性[4?5]。受制于電子元器件以及相關(guān)技術(shù)水平，國內(nèi)對其目前僅進(jìn)行理論分析，沒有針對這類高旋彈體進(jìn)行相關(guān)測試。如中北大學(xué)、南京理工大學(xué)等高校，均開展了相關(guān)研究，但據(jù)其公開資料分析，其采集速率、實(shí)時(shí)性均未能滿足相關(guān)要求。綜上所述，目前急需能夠檢測高旋彈體動態(tài)參數(shù)的儀器。針對這一問題，提出一種適用于高旋彈體特別是中大口徑榴彈實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理與存儲方法，實(shí)現(xiàn)高旋彈體動態(tài)參數(shù)獲取。通過高速轉(zhuǎn)臺地面試驗(yàn)和實(shí)彈飛行，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的正確性，對常規(guī)炮彈彈道環(huán)境力以及制導(dǎo)化研究具有很大的應(yīng)用價(jià)值。

1 高旋彈數(shù)據(jù)處理與存儲要求

目前的中大口徑榴彈，其轉(zhuǎn)速均大于36 000 （°）/s，最大可到108 000 （°）/s，即300 rad/s；初速大于600 m/s；過載大于10 000 g；飛行時(shí)間多在2 min以內(nèi)。在如此惡劣的環(huán)境下，對彈上電子設(shè)備提出的要求是極其嚴(yán)酷的，重點(diǎn)表現(xiàn)在高旋彈體的動態(tài)數(shù)據(jù)測量[6]，需要大量的傳感器，典型的有陀螺儀、加速度計(jì)、磁強(qiáng)計(jì)等。對于這類傳感器信號，多以模擬量輸出為主[1，5?6]。結(jié)合中大口徑榴彈的工作特點(diǎn)和測量要求，所提供的高旋彈數(shù)據(jù)處理與存儲要求為：數(shù)據(jù)更新率為200 kHz；功耗小于2.5 W； 存儲時(shí)長大于10 min；數(shù)據(jù)采集通道數(shù)量為16路；尺寸要求小于29 mm×40 mm，可放置于通用引信內(nèi)[7?11]。

2 系統(tǒng)工作原理

以中大口徑榴彈為例，通過對引信進(jìn)行改造，將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與存儲裝置放于其中，如圖1所示。

安裝的傳感器包括：冗余的三軸壓阻式加速度計(jì)、三軸磁強(qiáng)計(jì)。傳感器數(shù)據(jù)經(jīng)信號處理后，由FPGA操作高速ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，同時(shí)利用FMC總線將數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳至主控制器中，主控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，包括量綱變換和誤差補(bǔ)償，不對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和壓縮，最后操作FLASH，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。

3 總體方案設(shè)計(jì)

高旋彈數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)整體組成框架如圖2所示。從軟件與硬件實(shí)現(xiàn)角度分析，單獨(dú)FPGA即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、存儲與處理，但是軟件開發(fā)成本太大，且在FPGA調(diào)試過程中耗時(shí)耗力，需要在有限的資源下進(jìn)行合理的分配。而在硬件上增加一塊ARM芯片，將主邏輯、FLASH驅(qū)動存儲、USB通信等要求邏輯性較強(qiáng)的部分，交給成熟的ARM芯片，開發(fā)成本大大降低。

3.1 硬件架構(gòu)研究

如圖2所示，系統(tǒng)的核心處理框架采用Cortex?M7核心的處理器配以FPGA的雙核架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。選用的Cortex?M7核心處理器為意法公司生產(chǎn)的32位MCU+FPU，其采用高性能內(nèi)核，工作頻率高達(dá)216 MHz，具有單浮點(diǎn)單元（SFPU）精度，支持所有的ARM單精度數(shù)據(jù)處理指令和數(shù)據(jù)類型，還能實(shí)現(xiàn)完整的DSP指令集和增強(qiáng)應(yīng)用安全性的存儲器保護(hù)單元（MPU）[12]。而FPGA則采用Actel公司的ProASIC 3 FLASH型FPGA，具體型號為A3P600。兩者之間通過FMC總線相連，F(xiàn)PGA被視為Cortex?M7的SRAM進(jìn)行訪問，F(xiàn)PGA主要進(jìn)行ADC的操作和數(shù)據(jù)的FIR濾波，Cortex?M7還通過FMC總線與FLASH進(jìn)行通信，操作FLASH。為了避免總線互擾，增加了總線鎖存器進(jìn)行FLASH和SRAM數(shù)據(jù)鎖存。除此之外，對外的人機(jī)接口、存儲邏輯能，均通過Cortex?M7完成，涉及到的主要人機(jī)接口有USB，USART，具體架構(gòu)如圖3所示。

3.2 軟件邏輯設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件邏輯設(shè)計(jì)主要是驅(qū)動層和應(yīng)用層編寫。同時(shí)應(yīng)用層還重點(diǎn)涉及與后臺主控計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交互處理，具體分析如下所述。

3.2.1 驅(qū)動層軟件

驅(qū)動層軟件主要涉及FPGA中的ADC讀取邏輯、FIR濾波、FMC匹配驅(qū)動；同時(shí)還涉及Cortex?M7中的FMC總線驅(qū)動、USB驅(qū)動、USART驅(qū)動、定時(shí)器驅(qū)動等。

1） ADC讀取邏輯

高旋彈用數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)中選取的ADC為ADI公司的并行同步16位ADC，其讀取采用并口模式，通過FPGA與ADC相連接，相關(guān)管腳的操作時(shí)序如圖4所示。

利用FPGA通過編寫狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)上述邏輯。

2） FIR濾波

ADC的更新率為200 kHz，而對于整個彈體運(yùn)動特性而言，滾轉(zhuǎn)頻率低于500 Hz，故進(jìn)行FIR設(shè)計(jì)時(shí)將截止頻率設(shè)計(jì)為500 Hz。采用Hamming窗函數(shù)實(shí)現(xiàn)FIR濾波器。

3） FMC總線驅(qū)動

FMC（Flexible Memory Controller）可外接SDRAM，SRAM，NOR FLASH，NAND FLASH以及各種能夠匹配該接口的外設(shè)。在本系統(tǒng)中FPGA作為Cortex?M7的SRAM外設(shè)存在，F(xiàn)LASH為NAND FLASH。這種設(shè)計(jì)的難點(diǎn)是總線互擾問題，為了避免互擾沖突，采用總線鎖存器，加于FMC總線與FLASH之間。由于SRAM操作頻繁，所以會對FLASH數(shù)據(jù)線進(jìn)行鎖存，達(dá)到同時(shí)操作互不干擾的目的。

4） FLASH操作驅(qū)動

由于采用FMC總線操作，大大降低了FLASH驅(qū)動編寫的復(fù)雜度，在ST公司公布的圖形化驅(qū)動選擇工具Cube中，即可輕松完成對外界FLASH、外界SRAM的操作。

5） 其余外部接口驅(qū)動

其余外部接口包括USB，USART和相關(guān)定時(shí)器。其中，USB采用ST公司提供的USB虛擬串口驅(qū)動，用USB虛擬串口，實(shí)現(xiàn)高速傳輸。而USART接口采用RS 422形式，用于進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)監(jiān)控。定時(shí)器主要用于邏輯分配和時(shí)間片輪轉(zhuǎn)使用。

3.2.2 應(yīng)用層軟件

應(yīng)用層軟件主要涉及采集時(shí)序控制、存儲時(shí)序控制、人機(jī)交互操作、工作邏輯處理。文獻(xiàn)[5]給出了用于記錄慣性測量組合數(shù)據(jù)的硬件回收裝置，其中，對于具體軟件流程，僅給出了FLASH相關(guān)操作的流程，并未將這類問題系統(tǒng)化、模塊化。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要思想就是將復(fù)雜問題進(jìn)行對象化、模塊化設(shè)計(jì)。軟件具體流程圖如圖5所示。

軟件流程具體如下：

1） 初始化。初始化工作的重點(diǎn)是針對硬件部分而言，包括傳感器的邏輯初始化、ADC的上電復(fù)位、FPGA的上電激活等。

2） 自檢。自檢完成對傳感器、FPGA、通信、FLASH的檢查。

3） 工作模式判斷。高旋彈用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)主要工作模式有兩個：寫操作和讀操作。該模式通過主控計(jì)算機(jī)經(jīng)USB接口或USART接口進(jìn)行配置，具有斷電續(xù)存功能。

4） 寫操作時(shí)間片任務(wù)。寫操作主要是對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，觸發(fā)FPGA將ADC數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)回傳給主控制器，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲到FLASH中。共涉及的子任務(wù)包括：ADC數(shù)據(jù)讀取子任務(wù)、數(shù)據(jù)緩存子任務(wù)和數(shù)據(jù)FLASH存儲子任務(wù)。其中ADC數(shù)據(jù)讀取子任務(wù)為最高優(yōu)先級任務(wù)，其工作頻率為200 kHz；數(shù)據(jù)緩存子任務(wù)與數(shù)據(jù)FLASH存儲子任務(wù)將在下一節(jié)仔細(xì)介紹。

5） 讀操作時(shí)間片任務(wù)。讀操作主要是對存儲進(jìn)FLASH中的數(shù)據(jù)進(jìn)行回讀，將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)幀的形式進(jìn)行上傳，供用戶使用。任務(wù)涉及的子任務(wù)包括：FLASH頁讀取子任務(wù)、地址管理子任務(wù)和數(shù)據(jù)上傳子任務(wù)。三個子任務(wù)均以時(shí)間片任務(wù)的形式存在，工作頻率為1 kHz。數(shù)據(jù)上傳子任務(wù)包括USB數(shù)據(jù)上傳和USART數(shù)據(jù)上傳，前者按整頁數(shù)據(jù)上傳與FLASH頁讀取子任務(wù)同步，后者按數(shù)據(jù)幀格式上傳，1幀數(shù)據(jù)周期為1 ms，上傳方式通過上位機(jī)進(jìn)行控制和切換。

4 高速數(shù)據(jù)采集與存儲方法

寫操作時(shí)間片任務(wù)操作中涉及的ADC數(shù)據(jù)讀取子任務(wù)、數(shù)據(jù)緩存子任務(wù)和數(shù)據(jù)FLASH存儲子任務(wù)三個子任務(wù)。如何高效實(shí)時(shí)穩(wěn)定運(yùn)行，是本系統(tǒng)算法的核心關(guān)鍵。在本系統(tǒng)中，采用乒乓緩存的方式進(jìn)行多時(shí)刻ADC數(shù)據(jù)緩存，待緩存達(dá)到FLASH存儲要求時(shí)，將數(shù)據(jù)存儲進(jìn)FLASH中。假設(shè)ADC采集的16路A/D數(shù)據(jù)為[ai，k]，其中i為對應(yīng)通道，k為對應(yīng)時(shí)刻。定義緩沖序列為[Buffn]，n為緩沖序列個數(shù)。[Buffn]中以數(shù)據(jù)幀的形式存在，幀格式如表1所示。

利用[ai，k]數(shù)據(jù)組成數(shù)據(jù)幀[sk]，將[sk]實(shí)時(shí)緩存進(jìn)[Buffn]中。其中[Buffn]的長度為FLASH的頁長度。將[Buffn]存滿后，會調(diào)用下一個緩存[Buffn+1]，同時(shí)數(shù)據(jù)緩存子任務(wù)會以消息形式通知數(shù)據(jù)FLASH存儲子任務(wù)，將[Buffn]數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，待存儲完成后會釋放[Buffn]的占有命令，即數(shù)據(jù)緩存子任務(wù)又可操作[Buffn]進(jìn)行數(shù)據(jù)緩存。同理，利用該輪換機(jī)制，確保存儲的實(shí)時(shí)性。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 樣機(jī)制作

樣機(jī)中點(diǎn)電路采用堆棧式設(shè)計(jì)，分5層進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括：接口電路板、二次電源電路、傳感器與信號處理電路、ADC電路、核心處理電路，電路結(jié)構(gòu)圖如圖6所示，制作的樣機(jī)如圖7所示。

5.2 地面模擬試驗(yàn)

利用地面高速轉(zhuǎn)臺（杭州訊領(lǐng)科技公司產(chǎn)品），對系統(tǒng)進(jìn)行地面測試，測試照片如圖8所示。其中，高速轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速為300 rad/s，對系統(tǒng)進(jìn)行去全功能測試，采集到的數(shù)據(jù)曲線如圖9所示。

5.3 實(shí)物飛行試驗(yàn)

以某型榴彈為對象，將該系統(tǒng)進(jìn)行搭載飛行試驗(yàn)，進(jìn)行該榴彈的飛行過程環(huán)境力數(shù)據(jù)記錄。其發(fā)射過載大于15 000 g，轉(zhuǎn)速達(dá)300 rad/s，地面回讀的部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖10所示。

從圖10中可以看出，在飛行過程中，彈體的振動信息均被完全復(fù)原，通過對加速度計(jì)進(jìn)行分析，其在飛行過程中（出炮口后）最大軸向過載為4.9 g，橫法向加速度計(jì)排除掉離心力后，振動過載最大達(dá)10 g。該數(shù)據(jù)皆與彈道雷達(dá)測試數(shù)據(jù)吻合。驗(yàn)證了本系統(tǒng)的工作性能。

6 結(jié) 論

綜上所述，本文研制的系統(tǒng)能完整地將高旋彈上測量用傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)進(jìn)行處理與存儲，較好地解決了目前高旋彈體動態(tài)參數(shù)檢測的難題。提出的一種適用于高旋彈體特別是中大口徑榴彈實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集處理與存儲系統(tǒng)，通過高速轉(zhuǎn)臺地面試驗(yàn)和實(shí)彈飛行，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的正確性。該系統(tǒng)對常規(guī)炮彈彈道環(huán)境力以及制導(dǎo)化研究具有很大的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)具有較高的使用價(jià)值。

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