沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂國(guó)輝，鄭敬辰，李士業(yè)，惠 麗，韓月強(qiáng)，湛 暉，姜 旭，李孝友

(黑龍江大學(xué) a.電子工程學(xué)院;b.光纖傳感技術(shù)國(guó)家地方聯(lián)合工程研究中心;c.計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院;d.數(shù)據(jù)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，哈爾濱 150080)

0 引 言

爆炸是物質(zhì)系統(tǒng)的一種極為迅速的物理或化學(xué)的能量釋放和轉(zhuǎn)化過程，它能在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出大量的爆炸物碎片和能量，產(chǎn)生高溫同時(shí)放出大量高溫高壓氣體，在周圍介質(zhì)中造成高壓[1]。局部高壓將瞬時(shí)壓縮相鄰空氣使其向外膨脹，相鄰空氣又會(huì)影響它們的相鄰空間，在這種相互影響下壓力向周圍延續(xù)，最后形成沖擊波。沖擊波產(chǎn)生的局部高壓向外擴(kuò)張過程中，將會(huì)對(duì)目標(biāo)造成損傷甚至將其毀滅。因此沖擊波毀傷作用為武器毀傷威力的主要評(píng)估參數(shù)，同時(shí)也為武器研制和改進(jìn)的一個(gè)重要的參考依據(jù)。

對(duì)爆炸沖擊波的研究主要分為：①設(shè)計(jì)爆炸場(chǎng)沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)采集;②對(duì)采集到的沖擊波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。在彈藥研發(fā)過程中，準(zhǔn)確地測(cè)量沖擊波超壓的極值、正壓作用時(shí)間和比沖量等關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)評(píng)估毀傷提供重要的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[2]。

1 沖擊波的分析

當(dāng)炸彈在空氣中爆炸時(shí)，爆炸產(chǎn)物以爆炸處為中心向四周飛速擴(kuò)散，對(duì)旁邊的空氣產(chǎn)生劇烈的擠壓作用，空氣受到爆炸產(chǎn)物的擠壓作用，壓強(qiáng)、密度和溫度迅速升高，同時(shí)有一個(gè)稀疏波從空氣向爆炸處傳播，在它們的共同作用下形成了初始沖擊波[3-4]。

圖1 爆炸沖擊波壓力變化曲線Fig.1 Curve of pressure change of explosion shock wave

由于沖擊波傳遞過程中能量迅速損失，爆炸產(chǎn)物的速度和能量與爆炸距離呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，沖擊波所具有的速度和能量隨著距離的增加越來(lái)越小，迅速衰減至0。沖擊波傳播速度和能量的衰減過程分為兩個(gè)階段，見圖1。爆炸剛發(fā)生時(shí)，能量快速向周圍的空氣層傳播，使爆炸處的壓強(qiáng)高于周圍壓強(qiáng)，形成壓強(qiáng)梯度，這就出現(xiàn)了“正壓區(qū)”，如圖1中AB段所示。BC段為負(fù)壓區(qū)。

在系統(tǒng)調(diào)研軍工靶場(chǎng)對(duì)沖擊波超壓測(cè)試實(shí)際需求的基礎(chǔ)上，以嵌入式系統(tǒng)為核心設(shè)計(jì)制作了沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置，對(duì)沖擊波超壓信號(hào)進(jìn)行動(dòng)態(tài)采集。根據(jù)測(cè)試要求將多個(gè)沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置按照一定規(guī)律布設(shè)于爆炸場(chǎng)中，在爆炸時(shí)對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行采集，并將其存儲(chǔ)在內(nèi)置安全數(shù)字存儲(chǔ)卡(Secure Digital Memory Card，SD卡)中，在裝置收到讀取命令后通過無(wú)線模塊將數(shù)據(jù)上傳，若考慮數(shù)據(jù)安全，可通過SD卡導(dǎo)入數(shù)據(jù)。

2 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置的分析

本文所設(shè)計(jì)的沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置包括觸發(fā)模塊、信號(hào)采集模塊、控制模塊、無(wú)線傳輸模塊和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。傳感器為壓電式?jīng)_擊波傳感器，模擬信號(hào)由ADS7891高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并利用STM32微型處理器控制SD卡及LoRa、WiFi等外設(shè)實(shí)現(xiàn)了對(duì)沖擊波數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與無(wú)線高速傳輸。沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置原理框圖見圖2。

圖2 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置原理框圖Fig.2 Schematic diagram of shock wave overpressure data acquisition device

圖3 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集工作流程Fig.3 Work flow chart of shock wave overpressure data collection

系統(tǒng)的工作過程見圖3。在采集裝置布設(shè)完成后，計(jì)算機(jī)向采集裝置發(fā)送開機(jī)指令，裝置收到指令后開機(jī)，等待采集信號(hào)的到來(lái)；爆炸后產(chǎn)生的光信號(hào)作用于觸發(fā)模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行觸發(fā)，觸發(fā)后傳感器系統(tǒng)對(duì)沖擊波信號(hào)進(jìn)行采集；傳感器采集到的模擬連續(xù)信號(hào)經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字離散信號(hào)；轉(zhuǎn)換完成后的信號(hào)在嵌入式芯片的控制下存入SD卡；在數(shù)據(jù)讀取過程中，上位機(jī)向采集裝置發(fā)送數(shù)據(jù)傳輸指令，采集裝置收到指令后通過WiFi將采集到的沖擊波超壓數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)；在不進(jìn)行測(cè)試時(shí)，上位機(jī)向采集裝置發(fā)送關(guān)機(jī)指令，裝置進(jìn)入關(guān)機(jī)狀態(tài)以減小功耗。

圖4 沖擊波測(cè)量傳感器ICP113B26結(jié)構(gòu)示意圖和外觀Fig.4 Shock wave measurement sensor ICP113B26 schematic structure and appearance

3 沖擊波數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 壓力傳感器選型

目前在各種沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置中，壓電式傳感器得到了廣泛應(yīng)用。壓電式傳感器的靈敏度和信噪比等指標(biāo)，適用于沖擊波超壓數(shù)據(jù)的采集。本裝置中也使用壓電式傳感器采集沖擊波信號(hào)。此次設(shè)計(jì)中采用了PCB公司出品的ICP113B26壓電晶體傳感器作為傳感器探頭，其結(jié)構(gòu)示意圖與外觀見圖4，主要性能指標(biāo)見表1。

表1 PCB113B26主要性能指標(biāo)Table 1 Main performance indicators of PCB113B26

3.2 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用了具有低功耗、高速并行接口的逐次逼近(Successive Approximation Register，SAR)型14位A/D轉(zhuǎn)換器ADS7891。轉(zhuǎn)換速率最高可達(dá)3 MSPS，其內(nèi)置了2.5 V基準(zhǔn)電壓源。該器件提供14位并行數(shù)據(jù)輸出接口，并且具有8字節(jié)輸出模式，可輸出8位轉(zhuǎn)換信號(hào)，便于與8位處理器的總線接口。IN端口允許的輸入擺幅達(dá)到±200 mV，可以針對(duì)A/D轉(zhuǎn)換器和傳感器之間的接地電壓不匹配的情況進(jìn)行補(bǔ)償，并消除共模噪聲。ADS7891具有休眠(Nap)模式，在休眠模式中，設(shè)備以較低的轉(zhuǎn)換率運(yùn)轉(zhuǎn)，休眠模式可有效降低ADS7891的功耗。

STM32F4的FSMC總線支持8/16/32位數(shù)據(jù)寬度，本裝置中ADS7891芯片的輸出數(shù)據(jù)的寬度為14位，本文中FSMC總線使用16位寬進(jìn)行傳輸，并將FSMC總線的D14與D15接地置零，避免多余數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。ADS7891與STM32的接線圖見圖5。

使用Matlab軟件對(duì)測(cè)試得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到的線性相關(guān)系數(shù)為0.997 6，線性度良好，擬合曲線見圖6。A/D轉(zhuǎn)換電路實(shí)驗(yàn)中輸入電壓與輸出電壓數(shù)據(jù)的線性關(guān)系完全符合沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置的精度要求。

圖5 A/D轉(zhuǎn)換模塊接線圖Fig.5 A/D conversion module wriring diagvam

圖6 A/D轉(zhuǎn)換輸入-輸出曲線Fig.6 A/D comversion input-output curve

圖7 SD卡內(nèi)部功能和管腳圖Fig.7 SD card internal functions and pin diagram

3.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)

在A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換傳感器采集的信號(hào)后，需要將其實(shí)時(shí)存儲(chǔ)起來(lái)以便于后續(xù)分析處理或者將其傳輸?shù)缴衔挥?jì)算機(jī)，存儲(chǔ)模塊的設(shè)計(jì)是十分必要的。

本設(shè)計(jì)所選用的STM32F4芯片中搭載了FLASH芯片，具有快速存儲(chǔ)功能，在燒寫程序代碼之后仍有大量剩余，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單次沖擊波數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。但對(duì)于本裝置所要求的多次重復(fù)采集的設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)說(shuō)，內(nèi)置FLASH芯片的存儲(chǔ)容量略顯不足，內(nèi)置FLASH芯片主要用于對(duì)單次沖擊波數(shù)據(jù)的緩存，在將單次實(shí)驗(yàn)完成后，將FLASH芯片存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至SD卡中進(jìn)行存儲(chǔ)，并將FLASH芯片中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)擦除，以為下一次實(shí)驗(yàn)留出空間，實(shí)現(xiàn)對(duì)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。SD卡的內(nèi)部功能和管腳見圖7。

LoRa技術(shù)是Semtech公司在2013年提出并推廣的一種低功耗廣域網(wǎng)(Low Power Wide Area Network，LPWAN)技術(shù)，它已成為遠(yuǎn)距離、低速率、低成本、低功耗和大規(guī)模組網(wǎng)通信的技術(shù)[5]。通過近年來(lái)的研發(fā)和應(yīng)用，LoRa技術(shù)已在遠(yuǎn)程抄表、智慧農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[6-7]。本文選用LoRa與WiFi技術(shù)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)裝置的遠(yuǎn)程通信。在接收指令時(shí)使用LoRa技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的指令傳輸；在讀取數(shù)據(jù)時(shí)采用WiFi無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咚倥c可靠性。在沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置中使用這兩種技術(shù)，滿足了采集裝置的無(wú)線傳輸需求。信號(hào)傳輸?shù)乃俣?DR)由帶寬(BW)、擴(kuò)頻因子(SF)和編碼率(CR)共同決定。高速率意味著傳輸速度的提升，但是通信距離會(huì)降低，反之低速率雖然傳輸速度降低，但是傳輸距離會(huì)增加。計(jì)算公式為：

(1)

有線通信通過數(shù)據(jù)線傳輸信號(hào)，對(duì)于不屬于傳輸線上的設(shè)備來(lái)說(shuō)其數(shù)據(jù)在硬件上是不能被訪問的，但無(wú)線通信的傳輸介質(zhì)是整個(gè)空間，因此LoRa所發(fā)送的數(shù)據(jù)會(huì)被同處于相同信道和相同速率的設(shè)備接收，如果同一參數(shù)下存在多個(gè)LoRa設(shè)備，那么數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收過程將會(huì)變得十分混亂。本文使用LoRa進(jìn)行主從組網(wǎng)，需要為整個(gè)LoRa網(wǎng)絡(luò)提供統(tǒng)一的通信協(xié)議，議使處在網(wǎng)內(nèi)的設(shè)備遵循通訊協(xié)有條不紊的運(yùn)行。

數(shù)據(jù)采集完成后，可將存儲(chǔ)在SD卡中的沖擊波超壓數(shù)據(jù)通過無(wú)線發(fā)送的方式將沖擊波超壓數(shù)據(jù)發(fā)送到特定的用戶終端上，有效提高爆炸沖擊波測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的安全性。本文采用WiFi無(wú)線通信模塊ESP-07與STM32嵌入式微處理器相連，將SD卡內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線傳輸。

WiFi模塊在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中有兩種工作模式，可以工作在接入點(diǎn)(Access Point，AP)模式或者是站點(diǎn)(Station，STA)模式。在AP模式下，WiFi模塊是網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，允許其它無(wú)線設(shè)備接入，并且AP與AP之間可以互連。在STA模式下，WiFi模塊作為客戶端，連接到AP創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)。在本設(shè)計(jì)中，采集裝置所使用的WiFi模塊均設(shè)置為STA模式，在此模式下，各個(gè)采集裝置既可以加入AP組建的基礎(chǔ)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)(Infra)，也可以由多個(gè)采集裝置組成自組網(wǎng)(Adhoc)。

當(dāng)沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置通過無(wú)線指令傳輸模塊收到控制端發(fā)出的數(shù)據(jù)傳輸指令之后，控制芯片STM32對(duì)SD卡中存儲(chǔ)的沖擊波超壓數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并通過WiFi傳輸芯片將讀取到的數(shù)據(jù)高速傳輸至上位機(jī)中。

3.4 控制模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊波數(shù)據(jù)采集裝置各部分的控制，本裝置使用了兩片STM32F407VGT6作為整個(gè)裝置的控制芯片。其內(nèi)置了自適應(yīng)實(shí)時(shí)存儲(chǔ)加速器(Adaptive Real-Time Memory Accelerator，ARTMA)，并且集成了浮點(diǎn)運(yùn)算單元(Float Point Unit, FPU)和DSP指令集，提升了控制算法的執(zhí)行速度和代碼效率。

圖8 控制模塊電路圖Fig.8 Control module circuit diagram

控制模塊由主控制芯片UA和從控制芯片UB組成，見圖8?？刂菩酒琔B實(shí)現(xiàn)對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊的控制并使用內(nèi)置的FLASH芯片在收到觸發(fā)信號(hào)后對(duì)單次采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，一段時(shí)間后結(jié)束單次采集任務(wù)，將緩存的數(shù)據(jù)傳輸給UA；控制芯片UA接收UB傳出的數(shù)據(jù)，并在每一組數(shù)據(jù)后添加換行符，便于后期處理，然后將其通過FATFS文件管理系統(tǒng)存入SD卡中，實(shí)現(xiàn)對(duì)多次采集數(shù)據(jù)的大容量存儲(chǔ)。在控制芯片通過LoRa模塊收到上位機(jī)發(fā)送的相應(yīng)指令后使用WiFi網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)傳輸采集到的沖擊波超壓數(shù)據(jù)[8]。并且可通過LoRa模塊與計(jì)算機(jī)進(jìn)行長(zhǎng)距離通訊，根據(jù)接收指令管理裝置中的各個(gè)模塊。兩塊STM32F407芯片UA和UB之間通過串口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸，在通信時(shí)，使用軟件握手協(xié)議保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確。

4 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置的制作及模擬實(shí)驗(yàn)分析

本文使用Altium Designer進(jìn)行PCB版圖的繪制。繪制的PCB版圖見圖9(a)，元器件焊接完成后沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置電路實(shí)物圖見圖9(b)。

為檢驗(yàn)高速數(shù)據(jù)采集電路的性能，使用NF WF1968任意函數(shù)發(fā)生器輸出不同頻率的正弦波信號(hào)，由沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采集，驗(yàn)證沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置的功能。NF WF1968信號(hào)發(fā)生器輸出正弦波時(shí)最高可達(dá)200 MHz，輸出其余波形時(shí)最高輸出頻率為70 MHz，并且支持使用任意波形編輯器產(chǎn)生任意波形。在爆炸過程中，沖擊波超壓曲線的頻帶為0～100 kHz，完全可使用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)代替沖擊波信號(hào)。在本次模擬實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生幅度為5V的正弦波信號(hào)代替?zhèn)鞲衅鹘尤胄盘?hào)調(diào)理電路，調(diào)諧正弦波頻率，檢驗(yàn)高速數(shù)據(jù)采集效果。具體的實(shí)驗(yàn)流程見圖10。

圖9 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置Fig.9 Shock wave overpresure data acquisition device

圖10 沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集模擬實(shí)驗(yàn)流程圖Fig.10 Flow chart of simulation experiment of shock wave overpressure data acquisition

圖11 沖擊波超壓測(cè)試數(shù)據(jù)頻譜圖Fig.11 Shock wave overpressure test data spectrum

信號(hào)發(fā)生器分別產(chǎn)生50、100、150、200、250 kHz的正弦波信號(hào)時(shí)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的波形與采集裝置采集到的波形見表2。

在模擬實(shí)驗(yàn)中，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)為50～250 kHz。在采集裝置對(duì)各個(gè)頻率的正弦波完成動(dòng)態(tài)采集，響應(yīng)迅速，幅值穩(wěn)定，應(yīng)用Matlab軟件對(duì)上述采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到的頻譜圖見圖11，與信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)頻率完全相符。

表2 信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的波形與采集裝置采集波形對(duì)比表Table 2 Comparison of the waveforms generated by the signal generator and the waveform collected by the acquisition device

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)制作了一種沖擊波超壓數(shù)據(jù)采集裝置，具有動(dòng)態(tài)性能好、體積小、遠(yuǎn)程控制和近程傳輸結(jié)合的優(yōu)點(diǎn)。采集量程為3.45 MPa，采樣頻率最高為3 MSPS，使用STM32F4微控制芯片代替FPGA作為主控芯片，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了對(duì)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的收集。本裝置實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)連續(xù)多次采集和存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)的高速傳輸，遠(yuǎn)程指令傳輸，具有高度的集成性。通過采集信號(hào)發(fā)生器的高頻信號(hào)，驗(yàn)證了采集裝置的性能，滿足沖擊波超壓信號(hào)采集需求。