WLAN技术在静爆威力测试中的应用

夏永乐,张志杰*,刘子健,王代华

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;3.北方置业集团,北京 100089)



WLAN技术在静爆威力测试中的应用

夏永乐1,2,张志杰1,2*,刘子健3,王代华1,2

(1.中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原 030051;2.中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原 030051;3.北方置业集团,北京 100089)

冲击波测试中测点分布数量较多,难以集中管理以及监测各测点的状态存在困难,并且测试参数一旦设置好在现场难以更改。针对以上问题,设计了基于WLAN技术的冲击波测试系统。建立了能有效覆盖各测试节点的无线网络,实现了所有测点远程集中管理、运行状态监测以及测试数据无线传输,并且可现场设置节点测试参数,以适应测试环境的变化,提高了系统的灵活性。设计了硬件电路和软件时序相结合的方法智能管理节点无线模块,有效降低了系统功耗并实现了可循环进行多次不同的测试。采用多参数组合的负延迟分区存储数据的方法,有效获取了完整的冲击波信号并减少了随机触发前的冗余数据。系统参加了多次弹药测试实验,验证了系统的稳定性、可靠性。

存储测试;WLAN;冲击波;超压;ICP传感器

爆炸冲击波是衡量弹箭毁伤效应的重要组成部分,准确测量冲击波超压可以为武器威力评价、毁伤效能以及地面防护提供可靠依据[1-2]。当前国内外冲击波超压测试主要有2种途径:引线电测法和存储测试法[3-4]。存储法解决了引线法中布线繁杂、抗干扰能力差以及给信号叠加噪声等问题[5-6],可分布于测试场内实现多点测试,但存储法的缺点是无法监测测试系统工作状态[7],并且每次试验后需要回收测试装置读取数据,很大程度上影响测试效率。随着无线的发展,无线技术在冲击波测试中也得到了应用[8-10],但测点数量较多时则难以集中管理与统一控制。冲击波超压峰值和持续时间随着弹药的当量和测点到爆心距离的变化十分显著[11],传统测试系统在测试前设置好参数,一旦测试环境发生变化或者参数设置不当则造成测试失败,并且难以现场更改参数,灵活性较差。另外,传统测试采用的连续采样存在大量冗余数据存储和系统存储容量不足的矛盾[12]。

本文通过研究冲击波存储测试原理并结合WLAN技术,建立了能有效覆盖所有测试节点的无线网络,实现了所有测试节点远程集中管理和运行状态监测,以及测试数据无线传输。另外,无线传感器采用独特的结构设计,提高了节点的便捷性、存活率。节点的无线模块采用智能化控制,并且其天线采用外置PCB贴片天线,避免了常规天线对测试信号造成干扰。系统的可靠性、优越性在多次弹药静爆试验得到了验证,并有效测得了冲击波超压。

1 系统整体设计方案

系统采用了由一个中心网络节点,多个终端无线传感器网络节点组成的无线局域网络,系统总体设计框图如图l所示。通过无线网络,系统中央控制台可远程控制所有无线传感器节点。控制台发送相应的控制指令,实现设置各节点的工作参数、控制数据传输、融合处理与显示的功能。无线网络主要负责转发主控制台的指令和回传数据。无线传感器节点,根据测试需求按一定规律布置于爆炸场中,完成冲击波场测量的信号获取与传输的工作。另外,无线传感器节点还设有USB接口,当无线网络故障时可通过USB接口有线读取数据,确保数据不丢失,进一步提高系统可靠性。

图1 系统总体设计框图

2 无线传感器节点设计

无线传感器节点是整个测试系统的核心,主要完成信号的采集与存储,并根据接收的指令将数据通过无线网络传输至控制台。节点主要由数据采集存储模块、无线通信模块和电源智能管理模块组成。

2.1 数据采集存储模块

数据采集存储模块是无线传感器节点设计的重要环节。数据采集存储模块主要由ICP传感器、程控放大器、运算放大器、低通滤波器、AD转换器、FPGA、单片机、存储器及USB芯片等组成,模块框图如图2所示。爆炸冲击波具有初值高、衰减快、持续时间短等特点,其测试是一个瞬态过程,这就要求传感器的响应时间很快,往往要求在数us以内。因此传感器选用PCB公司的ICP压电传感器,其响应时间小于1 μs,非线性小于l%FS,十分适用于冲击波压力信号的测试。AD转换器选用14 bit低功耗、逐次逼近型的AD7484,其最高采样频率可达3 MHz。另外,存储器选用了具有存储量大、掉电数据不丢失特点的闪存,避免因掉电导致的数据丢失。

图2 数据采集存储模块框图

由于触发具有随机性,等待时长难以预料,为了获得完整的冲击波信号和降低触发前的冗余数据,采用了多参数组合的负延迟分区存储数据的方法。其中可编程的组合参数包括:AD采样频率、负延迟长度、数据存储大小。首先按地址把闪存分为两个存储区,第1区为负延迟区,第2区为测试信号存储区;实验开始时,测试节点进入循环采样状态(数据存储在负延迟区),负延迟计数器开始计数,存储器先按块擦除数据,然后按页往里写数据,写满一块之后,擦除下一块地址继续写数据,直到将已设定容量的第1区写满为止,期间若信号未到来,则写满后跳回到该区首地址,继续以先擦除后写数据的方式循环;如果期间信号到来电路触发(Tr=1时),则负延迟计数器停止计数,数据转向第2区开始进行顺序记录。当记录数据达到设定容量之后,停止采集数据,进入休眠状态等待读数和擦除,负延迟分区存储写入示意图如图3所示。

图3 负延迟分区写数据示意图

图4负延迟分区读数据示意图

正确读取存储数据是再现测试过程的关键环节。读取数据示意图如图4所示,ac段为第1区,cd段为第2区,b点为具有随机性的触发点。先读取触发点(b点)的地址,读之前需要判断其与c点的地址是否相等。若相等,则从a点开始顺序读取第1区和第2区的数据;若不等,则按箭头的方向先读bc段数据,然后跳到首地址,读取ab段数据,这样就完成第1区的读数。再跳到第2区,从c点按顺序读取cd段的数据。这样负延迟功能可有效保存触发前的一段信息,进而得到完整的超压测试曲线。系统设置可编程的AD采样频率为500 kHz、1 MHz、2 MHz和3 MHz。另外,负延迟长度可设为64 kWord、128 kWord、256 kWord、512 kWord,数据存储大小可设512 kWord、1 MWord、2 MWord、4 MWord,8 MWord。根据不同的测试对象和实验环境,通过上位机对以上参数进行合理的组合配置并且在现场可进行更改,这大大提高了系统的灵活性和适应环境的能力。采集的数据可通过单片机控制USB芯片传输到计算机中,也可以通过FPGA控制无线通信模块进行转发。

2.2 WLAN无线通信模块

由于冲击波超压测试现场环境比较恶劣,每次测试的间隔比较短,人员进入现场不方便,也不便于回收装置来读数,无线通信模块的任务就是完成计算机和数据采集存储测试模块之间指令和数据的无线传输。无线通信模块是构建有效可靠的无线网络的关键,节点WLAN通信模块选用了新力维公司的支持串口透传的无线模块。该模块支持802.11b/g标准、内置TCP/IP协议栈和WiFi通讯模块驱动,该模块具有以下特点:①提供标准UART、I2C和SPI等3种接口方式,天线可外置;②WiFi断线检测并在网络恢复之后自动重新连接;③支持可靠数据传输协议TCP,可设为TCP服务器或者客户端;④支持以AP为中心的星型网络和Ad-Hoc模式的对等网络,以及支持IEEE 802.11 b/g无线MAC标准,能够对传输速率自动调节。

串口传输具有使用简单、控制方便、占用引脚少优点,故选用UART作为FPGA控制器与无线模块之间的通信接口。无线通信模块与FPGA的接口如图5所示,通过TXD、RXD、CTS和RTS 4个引脚实现数据的收发,为保证数据的可靠传输,采用硬件流控的方式对数据进行控制,在高速模式下实现数据传输。无线模块在使用之前,需要根据设计要求对相关参数进行设置。搭建好WLAN网络后,测试节点通过无线链路接入到WLAN网。控制台通过网线将指令发到AP中而后通过无线链路传到各测试节点,节点接收到指令后由其内部的控制器根据自身状态和预设的指令集完成相应操作。

图5 FPGA与无线模块接口电路图

2.3 电源智能管理模块

电源智能管理模块主要给传感器和相关芯片供电。ICP传感器要求20 V～30 V且为恒流源供电,而系统使用8 V锂电池组供电,电源管理模块中专门设计了DC-DC升压变换及恒压-恒流变换电路,将8V的电源升压到24V,再通过恒流管变换成电流输出,以满足ICP传感器的供电要求。另外,还为模拟电路提供5V电压,给数字电路提供3.3 V和1.2 V电压。为了尽可能降低节点功耗,采用硬件电路和软件时序相结合的方法实现智能化管理无线模块。传感器节点的控制面板上设有无线开关,可手动控制开启。测试开始前手动打开无线开关,建立好无线链路后,通过控制台远程设置好节点参数并回读状态,以确保节点处于设定的正确工作状态,确认好后软件关闭无线,等待节点触发。节点一旦触发,单片机立刻检测到该中断信号并在60 s后控制无线模块开启,而不是立即开启。这样是为了避免炸药爆炸时造成的恶劣环境干扰无线通信,影响测试系统数据的传输。无线模块具有上电自动重新连接的功能,恢复通信后通过控制台进行数据读取等工作,完成后再通过软件关闭无线模块,以准备进行下一次实验。这一独特的设计不仅使无线模块智能工作并有效降低功耗,而且可循环进行多次测试、大大提高了测试效率。

3 无线局域网络的构建

无线局域网络主要实现控制台与各传感器节点的通信,负责转发主控制台的指令和回传数据,由各节点的无线模块,无线AP和控制台(计算机)组成。传感器节点和控制台采用主从架构,即C/S结构,使用socket连接进行通信。为了提高两者连接的成功率和实时性,防止因连接超时造成无法建立通信,将传感器节点设为服务器模式,控制台设为客户端模式。通信时由控制台发起请求,节点的无线模块能实时对端口进行扫描,及时响应控制台发来的请求并建立通信。根据相应规范给网络中的传感器节点、AP、和控制台分配相应的IP地址,并对节点进行编号,不同的节点其地址分配策略不同。但必须要保证所有的装置都处于同一频段,这里将无线传感器节点IP统一使用192.168.1.1XX,其中XX是2～99以内的任意整数,就是实际的传感器节点编号。例如,编号为13号的节点,其无线模块IP设为192.168.1.113,同时在上位机软件设计中将设备号和IP进行绑定,就可直接显示设备号,简洁明了,方便测试。各设备相关参数设置见表1,其中无线AP与控制台采用网线连接。

表1 无线网络相关参数设置

图6 主控制程序流程图

4 软件设计

4.1 系统的主控制程序设计

测试前需要根据爆炸当量及测试距离确定相关参数,可以通过控制台对无线传感器节点进行工作状态设定,包括:触发电平、系统增益编程、A/D采样频率、存储长度等操作。无线传感器节点执行完毕后,向控制台反馈状态信息。若存在异常,实验人员应立即采取相应措施,以确保对节点实时监控。待所有设定完成后,通过软件将节点的无线模块关闭以降低系统功耗,等待节点触发。爆炸完成后,节点触发同时其无线模块自动上电,以准备传输测试数据。基于以上分析,系统的主控制程序设计流程如图6所示。

4.2 上位机设计

上位机软件是系统控制中心,用户可通上位机即可控制整个系统。上位机主要完成:发出相应的控制命令,将测试数据进行处理与显示等。上位机软件采用LabVIEW设计,具有很好的人机交互界面。

整个程序以事件结构为核心框架编写,一个事件去完成一项功能,具体实现功能如下:USB或WIFI通信方式选择,参数设置与回读,系统状态扫描与监测,节点无线模块开启与关闭,采集数据读取与显示、系统休眠及复位。上位机控制界面如图7所示。

图7 上位机控制界面

5 电路标定与实测实验

系统设计完成后,完成了电路调试及标定工作。标定方法:选用Agilent公司的33521A信号发生器输出标准信号,由测试系统采集幅值为0.25 V的100 kHz正弦波信号。采样完毕后,将存储数据传输至计算机,利用上位机读取信号幅值的数字量。仅改变正弦信号的幅值,每次以0.25 V为步长递增,按上述步骤进行10次实验,测得10组标定数据。然后将数据利用最小二乘法进行线性拟合。设电压量为,对应的数字量为,则满足如下回归方程:

Yi=axi+b+εi

(1)

式中:ε表示其他随机因素对数字量Y的影响,服从正态分布N(0,δ),表2为12套电路系统的拟合结果。为了便于读值,按照所拟合的结果,将上位机设计为显示相应的电压值。

表2 12套电路系统的拟合结果

为了提高系统在恶劣环境下的可靠性及野外工作能力,将无线传感器节点各模块集成一体并巧妙装配于耐冲击的钢体外壳中。并选用不易被击中高存活率的,且满足无线通信要求的外置PCB无线。装配好的无线传感器节点如图8所示。ICP传感器和PCB天线安装在上表面,并且使传感器敏感面和PCB天线与外壳的上表面齐平,这样保证有效的获取冲击波信号,同时避免天线对信号造成干扰。上表面设计了用螺纹固定的保护盖,用来保护其下方的系统控制面板,并设有固定孔用于测试时的加固。控制面板包括:电源和无线开关、充电接口、USB接口及状态指示灯。可根据指示灯状态直观的获知测试系统的状态。测试前,打开电源和无线开关,测试节点则自动加载之前设定的工作参数,随即进人待触发状态。若需要修改工作参数,可利用上位机通过无线或USB设置参数。另外可通过上位机进行系统状态扫描,在远端即可获悉系统工作状态,若不在设定的状态可重新设定,以确保测试节点处在正确的工作状态。

图8 无线传感器节点实物照片

图11 冲击波超压测试曲线

实测试验:被测某型号弹药由木质支架架高0.8 m,以弹药在地面的投影为爆心。测试节点以爆心为圆心在地面上按夹角为120°的2个方向布设,布设半径(测点到爆心的距离)分别是2 m、3 m和4 m,并且使各测试节点天线的主瓣方向朝向无线AP,无线AP距离爆心100 m,而控制台置于安全的掩体处。图9是现场布置示意图,图10是测试现场,图11是爆炸后方向1上所记录的冲击波超压测试曲线。表3给出了该发弹药2个方向上各节点测试数据的处理结果。从测试结果可以得出,随着测点离爆心距离增大,冲击波超压峰值呈递减的规律[13],这充分体现了爆炸冲击波的传播特性。

图9 现场节点布置图

图10 弹药静爆试验测试现场

表3 实验测试结果

半径/m节点编号超压值/MPa持续时间/ms冲量/(Pa·s)210.2132.8315220.2453.1308230.2372.9329240.2162.8296350.1564.1152360.1763.7161370.1644.3159380.1834.4168490.0785.91124100.0816.41214110.0676.21094120.0715.7102

5 结语

本文在传统存储测试技术基础上,结合WLAN技术进行创新,开发了一种新型的静爆威力测试系统。其测点不仅具有数据采集、存储的功能,而且自身为网络节点可实现无线局域网络的组建,同时各测点能独立的工作并及时响应控制中心的命令发送状态信息和测试数据。该系统具有很多优点:构建了组网简单、可靠的无线局域网络,实现了对测试节点的集中管理、远程状态监控以及测试数据的无线传输。通过无线实现对测试节点现场设置灵活多变的参数,以适应测试环境的变化,提高了系统的灵活性。测试节点采用集成一体以及独特的结构设计,提高了测试系统的智能化和可靠性。智能管理无线模块,可循坏进行多次实验,提高了测试效率。另外,可以通过增加中继AP的方法实现远距离的无线传输及控制。系统在多次实弹测试实验中得到了很好的应用。该系统为冲击波超压测试提供了可靠有效的测试手段,可为各类弹药的实验和威力评价等提供可靠的实测依据。

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Application of WLAN Technology in Static Burst Power Test

XIAYongle1,2,ZHANGZhijie1,2*,LIUZijian3,WANGDaihua1,2

(1.Science and Technology on Electronic Test and Measurement Laboratory,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory for Instrumentation Science and Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan Shanxi 030051,China;3.North Zhiye Group,Beijing 100089,China)

Aimed at the problem that large numbers of measuring points can not be managed centrally and monitored entirely and the test parameters can not be amended on the scene in the shock wave overpressure measurement,the testing system based on the WLAN technology is designed. It has the function of controlling and monitoring all test nodes centrally,transmiting the test data by the wireless network,also setting the test parameters of nodes on site to adapt to different environments and increase system flexibility. The wireless module of node which is controlled intelligently by the hardware circuit and software time can reduce the power consumption effectively and complete multiple different tests circularly. The method of divided part data storage with the multiparameter’s negative delay can record the complete data and reduce the redundant data before the random trigger effectively. The validity and superiority of the proposed system are further verified by applying it to actual measurement experiments.

memory testing;WLAN;shock wave;overpressure;ICP(Integrated Circuit Piegoelectric)sensor

夏永乐(1990-),男,江西上饶人。硕士研究生,研究方向为动态测试与智能仪器、冲击波超压测试,nucxyl@163.com;

张志杰(1965-),男,山西五台人。现任中北大学教授、博导,仪器科学与技术学科带头人之一,主要从事动态测试理论、技术与应用,信号处理理论与技术的研究。担任中国计量测试协会压力专业委员会委员;中国机械工业教育协会仪器科学与技术教学委员会委员;教育部仪器科学与技术教学指导委员会协作委员,zhangzhijie@nuc.edu.cn。

2014-10-28 修改日期:2014-12-18

C:7210G;7320V

10.3969/j.issn.1004-1699.2015.03.026

TJ410.6

A

1004-1699(2015)03-0449-06