冲击波超压数据采集装置的设计与实现

吕国辉，郑敬辰，李士业，惠 丽，韩月强，湛 晖，姜 旭，李孝友

(黑龙江大学 a.电子工程学院;b.光纤传感技术国家地方联合工程研究中心;c.计算机科学与技术学院;d.数据科学与技术学院，哈尔滨 150080)

0 引 言

爆炸是物质系统的一种极为迅速的物理或化学的能量释放和转化过程，它能在极短的时间内释放出大量的爆炸物碎片和能量，产生高温同时放出大量高温高压气体，在周围介质中造成高压[1]。局部高压将瞬时压缩相邻空气使其向外膨胀，相邻空气又会影响它们的相邻空间，在这种相互影响下压力向周围延续，最后形成冲击波。冲击波产生的局部高压向外扩张过程中，将会对目标造成损伤甚至将其毁灭。因此冲击波毁伤作用为武器毁伤威力的主要评估参数，同时也为武器研制和改进的一个重要的参考依据。

对爆炸冲击波的研究主要分为：①设计爆炸场冲击波超压数据采集装置实现数据的动态采集;②对采集到的冲击波数据进行分析。在弹药研发过程中，准确地测量冲击波超压的极值、正压作用时间和比冲量等关键参数，对评估毁伤提供重要的数据基础[2]。

1 冲击波的分析

当炸弹在空气中爆炸时，爆炸产物以爆炸处为中心向四周飞速扩散，对旁边的空气产生剧烈的挤压作用，空气受到爆炸产物的挤压作用，压强、密度和温度迅速升高，同时有一个稀疏波从空气向爆炸处传播，在它们的共同作用下形成了初始冲击波[3-4]。

图1 爆炸冲击波压力变化曲线Fig.1 Curve of pressure change of explosion shock wave

由于冲击波传递过程中能量迅速损失，爆炸产物的速度和能量与爆炸距离呈现递减趋势，冲击波所具有的速度和能量随着距离的增加越来越小，迅速衰减至0。冲击波传播速度和能量的衰减过程分为两个阶段，见图1。爆炸刚发生时，能量快速向周围的空气层传播，使爆炸处的压强高于周围压强，形成压强梯度，这就出现了“正压区”，如图1中AB段所示。BC段为负压区。

在系统调研军工靶场对冲击波超压测试实际需求的基础上，以嵌入式系统为核心设计制作了冲击波超压数据采集装置，对冲击波超压信号进行动态采集。根据测试要求将多个冲击波超压数据采集装置按照一定规律布设于爆炸场中，在爆炸时对冲击波信号进行采集，并将其存储在内置安全数字存储卡(Secure Digital Memory Card，SD卡)中，在装置收到读取命令后通过无线模块将数据上传，若考虑数据安全，可通过SD卡导入数据。

2 冲击波超压数据采集装置的分析

本文所设计的冲击波超压数据采集装置包括触发模块、信号采集模块、控制模块、无线传输模块和数据存储模块等。传感器为压电式冲击波传感器，模拟信号由ADS7891高精度模数转换芯片进行转换，并利用STM32微型处理器控制SD卡及LoRa、WiFi等外设实现了对冲击波数据的存储与无线高速传输。冲击波超压数据采集装置原理框图见图2。

图2 冲击波超压数据采集装置原理框图Fig.2 Schematic diagram of shock wave overpressure data acquisition device

图3 冲击波超压数据采集工作流程Fig.3 Work flow chart of shock wave overpressure data collection

系统的工作过程见图3。在采集装置布设完成后，计算机向采集装置发送开机指令，装置收到指令后开机，等待采集信号的到来；爆炸后产生的光信号作用于触发模块对系统进行触发，触发后传感器系统对冲击波信号进行采集；传感器采集到的模拟连续信号经过A/D转换模块转换为数字离散信号；转换完成后的信号在嵌入式芯片的控制下存入SD卡；在数据读取过程中，上位机向采集装置发送数据传输指令，采集装置收到指令后通过WiFi将采集到的冲击波超压数据传输给上位机；在不进行测试时，上位机向采集装置发送关机指令，装置进入关机状态以减小功耗。

图4 冲击波测量传感器ICP113B26结构示意图和外观Fig.4 Shock wave measurement sensor ICP113B26 schematic structure and appearance

3 冲击波数据采集系统的设计

3.1 压力传感器选型

目前在各种冲击波超压数据采集装置中，压电式传感器得到了广泛应用。压电式传感器的灵敏度和信噪比等指标，适用于冲击波超压数据的采集。本装置中也使用压电式传感器采集冲击波信号。此次设计中采用了PCB公司出品的ICP113B26压电晶体传感器作为传感器探头，其结构示意图与外观见图4，主要性能指标见表1。

表1 PCB113B26主要性能指标Table 1 Main performance indicators of PCB113B26

3.2 A/D转换电路设计

本系统选用了具有低功耗、高速并行接口的逐次逼近(Successive Approximation Register，SAR)型14位A/D转换器ADS7891。转换速率最高可达3 MSPS，其内置了2.5 V基准电压源。该器件提供14位并行数据输出接口，并且具有8字节输出模式，可输出8位转换信号，便于与8位处理器的总线接口。IN端口允许的输入摆幅达到±200 mV，可以针对A/D转换器和传感器之间的接地电压不匹配的情况进行补偿，并消除共模噪声。ADS7891具有休眠(Nap)模式，在休眠模式中，设备以较低的转换率运转，休眠模式可有效降低ADS7891的功耗。

STM32F4的FSMC总线支持8/16/32位数据宽度，本装置中ADS7891芯片的输出数据的宽度为14位，本文中FSMC总线使用16位宽进行传输，并将FSMC总线的D14与D15接地置零，避免多余数据的产生。ADS7891与STM32的接线图见图5。

使用Matlab软件对测试得到的数据进行线性拟合，得到的线性相关系数为0.997 6，线性度良好，拟合曲线见图6。A/D转换电路实验中输入电压与输出电压数据的线性关系完全符合冲击波超压数据采集装置的精度要求。

图5 A/D转换模块接线图Fig.5 A/D conversion module wriring diagvam

图6 A/D转换输入-输出曲线Fig.6 A/D comversion input-output curve

图7 SD卡内部功能和管脚图Fig.7 SD card internal functions and pin diagram

3.3 数据存储与无线通信模块设计

在A/D转换模块转换传感器采集的信号后，需要将其实时存储起来以便于后续分析处理或者将其传输到上位计算机，存储模块的设计是十分必要的。

本设计所选用的STM32F4芯片中搭载了FLASH芯片，具有快速存储功能，在烧写程序代码之后仍有大量剩余，可以实现对单次冲击波数据的存储。但对于本装置所要求的多次重复采集的设计目标来说，内置FLASH芯片的存储容量略显不足，内置FLASH芯片主要用于对单次冲击波数据的缓存，在将单次实验完成后，将FLASH芯片存储的数据转移至SD卡中进行存储，并将FLASH芯片中存储的数据擦除，以为下一次实验留出空间，实现对多次重复实验数据的存储。SD卡的内部功能和管脚见图7。

LoRa技术是Semtech公司在2013年提出并推广的一种低功耗广域网(Low Power Wide Area Network，LPWAN)技术，它已成为远距离、低速率、低成本、低功耗和大规模组网通信的技术[5]。通过近年来的研发和应用，LoRa技术已在远程抄表、智慧农业和环境监测等众多领域得到了广泛应用[6-7]。本文选用LoRa与WiFi技术相结合的方式实现装置的远程通信。在接收指令时使用LoRa技术，实现了低功耗和远距离的指令传输；在读取数据时采用WiFi无线数据传输技术，可以保证数据传输的高速与可靠性。在冲击波超压数据采集装置中使用这两种技术，满足了采集装置的无线传输需求。信号传输的速度(DR)由带宽(BW)、扩频因子(SF)和编码率(CR)共同决定。高速率意味着传输速度的提升，但是通信距离会降低，反之低速率虽然传输速度降低，但是传输距离会增加。计算公式为：

(1)

有线通信通过数据线传输信号，对于不属于传输线上的设备来说其数据在硬件上是不能被访问的，但无线通信的传输介质是整个空间，因此LoRa所发送的数据会被同处于相同信道和相同速率的设备接收，如果同一参数下存在多个LoRa设备，那么数据的发送和接收过程将会变得十分混乱。本文使用LoRa进行主从组网，需要为整个LoRa网络提供统一的通信协议，议使处在网内的设备遵循通讯协有条不紊的运行。

数据采集完成后，可将存储在SD卡中的冲击波超压数据通过无线发送的方式将冲击波超压数据发送到特定的用户终端上，有效提高爆炸冲击波测试现场的安全性。本文采用WiFi无线通信模块ESP-07与STM32嵌入式微处理器相连，将SD卡内的数据进行无线传输。

WiFi模块在无线网络中有两种工作模式，可以工作在接入点(Access Point，AP)模式或者是站点(Station，STA)模式。在AP模式下，WiFi模块是网络的创建者，允许其它无线设备接入，并且AP与AP之间可以互连。在STA模式下，WiFi模块作为客户端，连接到AP创建的网络。在本设计中，采集装置所使用的WiFi模块均设置为STA模式，在此模式下，各个采集装置既可以加入AP组建的基础无线网络(Infra)，也可以由多个采集装置组成自组网(Adhoc)。

当冲击波超压数据采集装置通过无线指令传输模块收到控制端发出的数据传输指令之后，控制芯片STM32对SD卡中存储的冲击波超压数据进行读取并通过WiFi传输芯片将读取到的数据高速传输至上位机中。

3.4 控制模块设计

为了实现对冲击波数据采集装置各部分的控制，本装置使用了两片STM32F407VGT6作为整个装置的控制芯片。其内置了自适应实时存储加速器(Adaptive Real-Time Memory Accelerator，ARTMA)，并且集成了浮点运算单元(Float Point Unit, FPU)和DSP指令集，提升了控制算法的执行速度和代码效率。

图8 控制模块电路图Fig.8 Control module circuit diagram

控制模块由主控制芯片UA和从控制芯片UB组成，见图8。控制芯片UB实现对A/D转换模块的控制并使用内置的FLASH芯片在收到触发信号后对单次采集到的数据进行缓存，一段时间后结束单次采集任务，将缓存的数据传输给UA；控制芯片UA接收UB传出的数据，并在每一组数据后添加换行符，便于后期处理，然后将其通过FATFS文件管理系统存入SD卡中，实现对多次采集数据的大容量存储。在控制芯片通过LoRa模块收到上位机发送的相应指令后使用WiFi网络向上位机传输采集到的冲击波超压数据[8]。并且可通过LoRa模块与计算机进行长距离通讯，根据接收指令管理装置中的各个模块。两块STM32F407芯片UA和UB之间通过串口实现数据的传输，在通信时，使用软件握手协议保证数据传输的准确。

4 冲击波超压数据采集装置的制作及模拟实验分析

本文使用Altium Designer进行PCB版图的绘制。绘制的PCB版图见图9(a)，元器件焊接完成后冲击波超压数据采集装置电路实物图见图9(b)。

为检验高速数据采集电路的性能，使用NF WF1968任意函数发生器输出不同频率的正弦波信号，由冲击波超压数据采集装置对模拟信号进行采集，验证冲击波超压数据采集装置的功能。NF WF1968信号发生器输出正弦波时最高可达200 MHz，输出其余波形时最高输出频率为70 MHz，并且支持使用任意波形编辑器产生任意波形。在爆炸过程中，冲击波超压曲线的频带为0～100 kHz，完全可使用信号发生器产生的信号代替冲击波信号。在本次模拟实验中，信号发生器产生幅度为5V的正弦波信号代替传感器接入信号调理电路，调谐正弦波频率，检验高速数据采集效果。具体的实验流程见图10。

图9 冲击波超压数据采集装置Fig.9 Shock wave overpresure data acquisition device

图10 冲击波超压数据采集模拟实验流程图Fig.10 Flow chart of simulation experiment of shock wave overpressure data acquisition

图11 冲击波超压测试数据频谱图Fig.11 Shock wave overpressure test data spectrum

信号发生器分别产生50、100、150、200、250 kHz的正弦波信号时，信号发生器发出的波形与采集装置采集到的波形见表2。

在模拟实验中，信号发生器产生的信号为50～250 kHz。在采集装置对各个频率的正弦波完成动态采集，响应迅速，幅值稳定，应用Matlab软件对上述采集数据进行处理，得到的频谱图见图11，与信号发生器输出的信号频率完全相符。

表2 信号发生器发出的波形与采集装置采集波形对比表Table 2 Comparison of the waveforms generated by the signal generator and the waveform collected by the acquisition device

5 结 论

本文设计制作了一种冲击波超压数据采集装置，具有动态性能好、体积小、远程控制和近程传输结合的优点。采集量程为3.45 MPa，采样频率最高为3 MSPS，使用STM32F4微控制芯片代替FPGA作为主控芯片，以较低的成本实现了对A/D转换数据的收集。本装置实现了数据连续多次采集和存储，数据的高速传输，远程指令传输，具有高度的集成性。通过采集信号发生器的高频信号，验证了采集装置的性能，满足冲击波超压信号采集需求。