可多次触发的大容量炮口冲击波测试系统研究.pdf

文章编号：16 7 3-319 3（2 0 2 3)0 5-0 56 8-0 7JOURNALOFNORTH UNIVERSIOFCHINA(NATURALSCIENCEEDITION)(Sum No.211)（总第2 11期）2023No.5Vol.44中北大学学报（自然科学版）2023年第44卷第5期可多次触发的大容量炮口冲击波测试系统研究薛瑞华1.2，王代华1-2，刘彬1.2，卫宁3，杨晓辉（1.中北大学电子测试技术重点实验室，山西太原0 30 0 51；2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西太原0 30 0 51；3.晋西工业集团有限责任公司，山西太原0 30 0 2 7摘要：为在连续火炮射击试验中获取炮口冲击波超压参数，本文提出了一种可多次触发的大容量炮口冲击波测试系统。系统通过多重内触发产生多次触发信号，运用Flash存储器实现大量数据记录，使用USB3.0来保证数据传输的高效性。针对试验中某次射击可能出现的未触发问题，采用同步记录触发时刻的方案，以保证数据与射击次数相互对应。在3次连续炮口冲击波试验中，两个测试系统共获取5条超压测试数据，并分辨出2#测点第2 次试验为未触发。测试系统性能稳定，数据可靠，可被进一步推广应用。关键词：炮口；冲击波；多重触发；大容量存储中图分类号：TJ410.6文献标识码：Adoi:10.3969/j.issn.1673-3193.2023.05.013Research on Multi-Trigger High Capacity Test System forMuzzle Shock WaveXUE Ruihual-2,WANG Daihua-2,LIU Bin-2,WEI Ning,YANG Xiaohui?(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science&.Dynamic Measurement(North University of China),MinistryofEducation,Taiyuan030051,China;3.JinxiIndustriesGroupCo.,Ltd.,Taiyuan030027,China)Abstract:In order to obtain the overpressure parameters of muzzle shock wave in continuous gun firingtest,a multi-trigger large capacity muzzle shock wave test system was proposed.The system generatedmultiple trigger signals through multiple internal triggers,used flash memory to record a large amountof data,and used USB3.O to ensure the high efficiency of data transmission.In order to solve the prob-lem of non triggering which may occur in a certain shot in the test,the scheme of recording the triggertime synchronously was adopted to ensure that the data corresponded to the number of shots.In thethree successive muzzle shock wave tests,the two test systems obtained 5 overpressure test data,and dis-tinguish the second test of two test points as not triggered.The test system has stable performance andreliable data,which can be further promoted and applied.Key words:muzzle;shock wave;multi-trigger;mass storage0引言随着现代火炮技术的不断发展，炮口口径逐步增加，攻击性能愈发强大，炮口有害现象也更加突出。炮口冲击波作为一种有害元素，不仅会损害炮口，而且对现场操作人员的听觉和内脏等具有一定的损伤2-3。因此，在火炮设计研发工作中，炮口冲击波成为重点研究方向。传统的冲收稿日期：2 0 2 3-0 1-2 0作者简介：薛瑞华（1998 一），男，硕士生，主要从事动态测试技术的研究。通信作者：王代华（197 7 一），男，副教授，博士，主要从事动态测试技术及智能传感器系统的研究。569可多次触发的大名容量炮口冲击波测试系统研究（薛瑞华等）（总第2 11期）击波测试主要分为引线电测法和存储测试法-5。引线电测法不仅需考虑测试现场的引线固定与防护工作，而且会造成信号的损耗6-7 。由于炮口火焰、冲击波及其他干扰，引线电测法不适用于火炮炮口冲击波测试。存储测试法将传感器与记录仪集成一体，测试适用性更强8 。相较于其他毁伤冲击波测试，炮口冲击波测试具有连续性的特点。因此，传统的单次触发、单次存储模式并不适用于炮口冲击波测试，测试系统应具有大容量、多触发的功能。文献中关于炮口冲击波的研究主要集中在硬件设计、重触发技术和负延时等方面9-11。本文结合硬件设计，在采、存、读方面对信号流进行分析，并提出了一种大容量冲击波存储测试仪系统。系统以FPGA作为主控芯片，通过内触发逻辑设计实现多重触发功能，通过对AD与Flash的控制实现大容量存储设计，通过USB3.0实现了对大量数据的读取。系统操作简单，稳定性好，可较好地满足连续炮口射击中对冲击波的测试要求。1系统总体设计系统采用模块化设计，主要由信号调理模块、模数转换模块、FPGA控制模块、FLASH存储模块、USB3.0数据读写模块和上位机模块组成，系统总体设计如图1所示。信号调理模块主要实现对冲击波信号的偏置、放大和滤波12-141。FPGA作为主控制器，通过指令控制，在数据采集阶段控制AD模块进行采样，在触发控制下将数据写人FLASH模块，在数据读取阶段读出FLASH数据，并将数据传递给USB3.0模块，以保证数据传输的准确性。FPGA控制器T上位机传感器指令控制信号调理模块转换触发控制FIFOFIFOUSBFlash控制3.0数据存储数据读取Flash存储器图1系统总体设计框图Fig.1Block diagram of system overall design2多重触发技术研究在测试工作中，触发方式一般包含外触发和内触发。外触发方式一般通过外触发线进行触发。然而，在连续的火炮测试工作中，需要多次布置外触发线，操作复杂，很难保证测试的高效性。内触发方式通过系统内部主控制器对采样信号的判断进行实现，能很好地实现多重自触发，产生多次触发信号，可以满足高效的炮口冲击波测试需求。在火炮炮口测试环境中，内触发阈值的选择应稍大于环境噪声叠加后的基线。通过编程将触发阈值写入测试系统中，在信号采集阶段将采样信号值与触发阈值不断进行比较，通过设置一定的余判断次数来降低误触发的风险。系统在触发态下进行数据存储，在记录完成后进人下一发试验的待触发态，直到达到设定的触发次数，以此实现多重内触发。多重内触发的原理如图2所示。开始阅值编程采样否触发是数据存储触发否次数是结束图2多重内触发原理框图Fig.2Schematic diagram of multiple internal trigger3大容量存储技术研究3.1数据采存接口电路设计数据采存电路将冲击波模拟信号转为数字信号，并进行存储。AD转换器采用14bit并行逐次逼近型的AD7484，由FPGA控制采样频率。FLASH存储器具有存储容量大及读写速率快等特点15。系统选用Micron公司的8 bit64GbitNANDFLASH存储器，整片存储器有8 192 个块，每个块包含12 8 页，每页有8 192 字节。通过8位命令/地址/数据复用端口实现与FPGA通信。数据采存原理如图3所示。中北大学学报（自然科学版）5702023年第5期U1AC1102AGND2CBIASC214748REFOUTR1100KAGNDC31474940REFIND14GNDC41021039ADDI3REFSELD1338ADDT2D12SICNAL737ADDITVIND1136ADDIO16D10U2AAD_STBY35ADD9STBYD9FL_CLE1629FL_DOGND1734AD.D8CLEDQONAPD8FLALE1730FLDTT8D733ADD7FLWE18ALEDQ131FLD23V3AD.RD19RDD628ADD6FLRE8WEDQ232FLD3GND2027ADD5REDQ3WRITED5FL-R/BI741FLD4AD.BUSY2126AD.D4R/B1DQ4BUSYD4FL-R/B2642FLD5DLG3V332VDRIVED325ADD3FLCEI9R/B2DQ543FLD6L1ADCONV4124ADD2CETDO6CONVSTD2FLCE21044FLD710uHADRESET42RESETD123ADDIFLWP19CE2DQ722ADDOWPDOGND43MODE2C544MODE1GND:-HDLG3V345CLIP104图3信号采存原理图Fig.3Schematic diagram of signal acquisition and storage3.2数据采存逻辑设计在信号采集过程中，FPGA通过控制CONVST信号来控制AD采样频率，BUSY信号指示模数转换过程，在上升沿后产生14位并行数据。图4为模数转换接口时序图。CONVST_NBUSY_NDATA13:0图4模数转换接口时序图Fig.4Sequence diagram of ADC interface在信号存储过程中，Flash需要实时存储AD转换结果。Flash的所有控制操作时序均为写开始命令、写地址、写结束命令。在块操作中先检查对象块是否为坏块，每个块的第一个备用区域位置包含坏块标记，坏块标记为一个字节的0，通过读这个地址来判断是否为出厂坏块。对于使用坏块，在擦除块结束后，读取状态寄存器第0 位的值，返回0 表示成功擦除，返回1则表示擦除失败。若擦除失败，则判定此块为使用坏块，并将此块标记为坏块，即将一个字节的0 写人在此块的第1个备用区域中。坏块检查流程如图5所示。FPGA通过写人命令将数据写入Flash相应的地址中。Flash写操作为页写，即一次性写入一页的数据量。为了解决AD转换速率与Flash存储速率以及数据位宽不匹配的问题，将14bitAD数据通过高位补零转为16 bit数据后，拆分为高8 bit与低8bit写人FIFO缓存。数据采存工作流程为：1）Fl a s h 进行块检查，查找并擦除有效块；2）等待AD写人FIFO数据够1页数据量；3）Flash进行页写操作。数据采存状态如图6 所示。开始否非8 191块是读坏块标记块地址+1寄存器值结束坏块标记否寄存器写人值为FFHO0H是是擦除开始块擦除失败图5坏块检查流程图Fig.5Flowchart for checking bad blocks写FIFO8192字节8AD采样FIFO写Flash擦除读FIFO有效块图6数据采存状态图Fig.6State diagram of data acquisition and storage3.3数据记录方案根据测试要求，AD采样速率选择2 MSPS，爆炸产生的冲击波正压作用时间为毫秒级16 。因此，单次触发信号记录长度选择2 M字节，记录时间为0.5s，同时，火炮发射时间间隔也应大于0.5s。在不考虑坏块的情况下，6 4Gbit存储器理论上可以记录40 96 次。在触发信号来临后，触发次数进行递增，在0.5s的记录时间内触发次数只变化一次。对触发571可多次触发的大容量炮口冲击波测试系统研究（薛瑞华等）(总第2 11期）时刻变量分配两个字节，针对触发次数进行监测，步长为0.5s。第一次触发为零时刻，每0.5s监测触发次数是否变化，最快可实现9h内触发时刻的记录，将每次触发次数先存入FIFO缓存，在触发次数达到设定值后，将触发时刻值存人Flash中。为了保证大容量多次记录，在触发时刻之前进行循环记录即负延时记录，在触发时刻后进行正向记录。考虑Flash写人为页写，页大小为8192字节，故将负延时长度定为8 192 字节。负延时在FIFO空间内进行循环记录，设置FIFO容量为16 38 4字节，分配前8 192 字节为负延时空间。负延时数据记录方式为使用FIFO的先进先出特性，在写满FIFO前8 192 字节后，先读出两个字节，再写入新的AD采样数据，不断重复进行此环节，实现FIFO空间内的循环记录。触发前的负延时数据记录如图7 所示。写读出819116383FIFO负延时数据正向记录数据图7触发前冲击波信号记录示意图Fig.7 Schematic diagram of shockwave signal recording beforetrigger signal approaching在触发信号来临之后对Flash进行页编程，第1次页编程的前两个字节为触发次数，在写满Flash的两个块之后停止正向记录，进行下次触发的负延时记录，触发后冲击波信号记录示意图如图8 所示。写人页编程回口8191819216383FIFO触发次数负延时数据正向记录数据图8 触发后冲击波信号记录示意图Fig.8 Schematic diagram of shockwave signal recording afterthe arrival of trigger signal4数据读取技术研究4.1数据读取电路接口设计数据读取电路负责将Flash中读取的数据发送给上位机，具体任务包括Flash数据读取和USB3.0数据传输。相较于网口设计，USB3.0功耗更低，电路设计较简单，开发成本较低 17 。针对连续触发冲击波测试，需要测试系统工作时间更久，因此，选用USB3.0数据传输方案。系统采用FTDI公司的FT600Q芯片进行USB3.0接口电路设计，该芯片支持USB3.0数据传输协议，同时兼容USB2.0，有2 45和多通道两种工作模式，内置FIFO缓存区大小为16 kbyte，FI FO 读写时钟为10 0 MHz或6 6 MHz，工作模式与读写时钟均可通过外部硬件进行配置。USB3.0电路设计如图9所示。FT600Q与FPGA通过16 bit并行接口进行通信，FT600Q与计算机通过两对高速差分信号和一对USB2.0兼容差分信号进行通信。C606n.MTSGNDX318pFY5才-ONCNC4二二7643U20C60533一XInMIS57GND18pFGND3V31556FTD15VCC33DATA_15X31655FT.D14IXDATA_14XI1754FT.D13OXDATA_13P31853FT_D12DPDATAL_123V319VCCIO523V3VCC33P220GND51GNDDMR60521VD1050IVGND.RREF1.6K1%3V32249CNDVDDAGNDIV2348FTDIIVD10DATA_11C603P5儿2447FT_D1OTODNDATA_10C602P60.1uF2546FT.D9TODPDATA_90.1uFIV2645FT.D8VD10DATA_8P827443V3RIDNVCCIOP928439VIVaLVIVaFT.CLKtVIVaSTVIVRIDPIVIVaVIVaVIVaCLKOIACIND9602SQCN二图9USB3.0电路设计Fig.9Designof USB3.O circuit2023年第5期中北大学学报（自然科学版）5724.2大容量数据读取逻辑设计由于数据位宽和时钟频率不同，在数据读取过程中增加FIFO进行数据缓存，而Flash读取仍为页读取，即一次Flash读取8 192 字节。Flash读取之前需要寻找有效块，而在块内的读取速度相同，因此，上位机通过FT600Q一次性读取1M字节并进行数据处理。FT600Q采用2 45模式，在此模式下FT600Q单个读写缓存区空间为4000字节。USB3.0数据读写状态机转换如图10所示。在IDLE状态下检测接收缓存区RXF_N信号，若为低，则进读状态，否则进行写状态判断。在读状态下，FT600Q接收缓存区数据读完之后重新进人IDLE状态。写状态通过发送缓存区TXE_N信号进行判断，若为低，则进人写操作，否则回到IDLE状态。在写操作过程中先进行Flash读操作并将数据通过FIFO进行缓存，在写满后一次性写人FT600Q的写缓存区。elseRXF=1RXF_N=0FT600读RESETIDLE读写判断TXE_N=OFIFO满TXE=1FT600写写FIFOelseelse图10USB3.0数据读写状态机转换图Fig.10USB3.O data read/write state machine transition diagram5现场试验验证为验证此系统的实用性与稳定性，进行了某炮口冲击波超压测试。在距离炮管下方1.5m且水平间隔1.5m的位置，布置两个冲击波超压测点，1#为靠近炮口端测点，2#为远离炮口端测点。将测试设备置于地面坑内，共进行3发不同装弹试验，测试系统完成了3次自触发并记录超压数据，现场测点布置如图11所示。测试系统如图12 所示。试验结束后读取的第1发超压测试曲线如图13所示，测试结果统计见表1。1#2#图11某炮口冲击波超压测点现场布局图Fig.ll Site layout of a muzzle shock wave overpressuremeasuring point图12测试系统实物图Fig.12Test systemphysical diagram0.50.40.30.20.10W-0.10246810t/ms(a)1#测点0.25r0.200.150.100.050-0.050246810t/ms(b)2#测点图13某炮口冲击波超压测试部分曲线Fig.13Part curves of the muzzle shock wave overpressure test表1某炮口冲击波超压测试结果统计表Tab.1Statistical table of muzzle shock wave overpressure test results发次测点触发时刻/s超压/MPa正压作用时间/ms1#00.42361.91912#00.21223.5981#152.50.26591.82022#1#2320.30322.29132#2320.19953.680从图13可以看出，炮口冲击波超压曲线有多个峰值。1#测点由于离炮口较近，测试峰较尖锐，第1个峰超压为0.42 36 MPa，第2 个峰超压为0.38 6 7 MPa。2#测点由于远离炮口，测试峰较弱，但仍能从曲线上看出多个峰值，符合炮口冲击波的传播规律。通过两个测点触发时刻的对比以及触发时刻与试验现场高速摄影时间的对比，发现2#测点第2 次触发时刻数据2 32 s应为573可多次触发的大容量炮口冲击波测试系统研究（薛瑞华等）（总第2 11期）第3次试验结果，而第2 次试验应为未触发。试验实现了测试数据与触发次数的对应工作。在同一发炮口试验中靠近炮口端超压值相对较大，且波动明显，而其正压作用时间较短，6结 论本文介绍了一种可多次触发的大容量炮口冲击波测试系统，针对火炮试验射击的连续性，通过连续自触发与合理的数据采存方案实现了大容量存储设计，通过USB3.0实现了大容量数据的传输。通过现场测试进行实测验证，完成了两个超压测点在连续3次火炮射击试验中的数据记录，共获取5条有效超压数据，较好地验证了系统的可靠性与稳定性，能满足炮口冲击波的测试需求。参考文献：1王丹宇某大口径火炮炮口有害现象的模拟仿真 D.南京：南京理工大学，2 0 2 1.2 陈学文，赖富文，牛博怀，等应用于炮口冲击波的生物表面压力测试系统.兵器装备工程学报，2022，43(5):2 6 1-2 6 5.CHEN Xuewen,LAI Fuwen,NIU Bohuai,et al.Pressure measurement system of biological surfaceapplied to muzzle shock waveJ.Journal of Ord-nance Equipment Engineering，2 0 2 2,43(5):2 6 1-265.(in Chinese)3许智熠，狄长安，潘绪仲，等穿戴式火炮人机工效测试评估方法研究 J.国外电子测量技术，2 0 2 2，41(1):106-112.XU Zhiyi,DI Chang an,PAN 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