冲击波超压无线式存储测试系统的研究

张建伟, 马铁华, 杜红棉, 杨卓静

（1 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室 电子测试技术重点实验室， 山西太原 030051；2 中国地质调查局 水文地质环境地质调查中心， 河北保定 071051）

0 引言

近十几年来，国内外科研工作者利用各种测试方法对大威力爆炸冲击波进行了大量详细的分析研究。测试方法很多，而存储测试法较为常用。存储测试技术具有体积小、低功耗、抗干扰、不易损坏，不需要外引线等特点，比较适合冲击波场的测试。在实际应用中，要将存储测试系统预先置入被测环境，等记录完毕后直接去现场用计算机读取测试数据。但是现行冲击波场存储测试系统存在以下不足：(1)无法实时监测系统状态：测试系统置入爆炸现场后，就无法确知系统状态。 (2)超压冲击波信号时基不统一，也就是说没有一个作为冲击波信号到来的参照时间点。无线通信技术容易实现远程访问、诊断，具有互操作性等优点。如果把无线通信技术运用到存储测试中，将有效的解决传统测试方法的不足[1]。在分析传统测试方法的基础上，我们提出了一种冲击波超压无线式存储测试系统。

1 系统的设计

无线传感网络存储测试系统有两部分组成：(1)上位机和无线ZigBee模块组成的检测中心系统。(2)无线ZigBee模块、Msp430单片机、光藕、存储测试装置组成的测试节点硬件系统。其中存储测试装置有冲击波测试电路和传感器两部分组成。无线传感网络的组网形式是星形网络，因此只需要一个中心网络节点即可。整体设计框图如下图1所示[7]。

图1 无线传感网络存储测试系统整体框图

无线中心传感网络主要负责发送设置参数、无线触发，以及将接收到的数据显示在主机界面上。无线终端传感网络主要负责无线数据的接收，MSP430单片机主要是为存储测试装置设置参数以及读取测试装置数据。测试装置主要是存储爆炸冲击波的数据。

2 关键技术

2.1 Zigbee无线通信模块

根据文献，超压场对人体杀伤判据的依据 ,无线控制平台处的冲击波超压应小于 0.03MP，无线控制平台距爆心的距离一般为几百米[2]。因此我们选用上海顺舟科技公司生产的SZ05系列无线数据通信模块。它集成了符合ZIGBEE协议标准的射频收发器和微处理器。SZ05系列无线通信模块分为中心协调器、路由器和终端节点，这三类设备具备不同的网络功能。设备在硬件结构上完全一致，只是设备嵌入软件不同，只需通过跳线设置或软件配置即可实现不同的设备功能。

通过无线ZigBee技术组建星形传感网络，利用TI公司生产的MSP430单片机组建中央控制电路。本测试系统主要由单片机控制将装置RAM中的数据传送给计算机，另外，试验前，要接收计算机的编程数据给测试系统编程。为了在计算机、无线模块以及单片机之间可靠地进行通信，通信协议是必须的。我们采用的通信协议是简单可靠的握手协议[3]。

2.2 存储测试模块

存储测试系统主要由传感器、模拟模块、数字模块（数据采集存储）、无线模块、USB读数模块、计算机和安装装置(壳体)等组成，测试系统原理框图见图2，冲击波超压的测试环境相当恶劣，壳体除了具有屏蔽作用之外还要求它具有很强的抗冲击能力，能够起到保护壳体内部测试系统的硬件部分的作用，所以壳体采用高强度的刚体结构，最大能够承受10MPa以上的冲击波压力[4]。

图2 测试系统原理框图

存储测试系统工作过程如图2所示。测试系统上电后、测试实验开始前用计算机通过USB或者无线模块对系统进行参数设置，设置完毕后系统进入循环采样状态，等待触发。如果采用无线触发方式，则计算机通过无线模块发送触发命令，系统触发进入测试数据记录阶段。在整个采样阶段，传感器将爆炸冲击波超压信号转变为电压信号，经过滤波放大电路后输送到A/D进行模数转换，转换后的数字信号在FPGA的控制下储存到闪存中，等待数据记录完成。测试系统记录10s后自动下电，数据采集存储完毕，等待读取数据。读数时，系统重新上电，通过USB读数模块读取闪存中的数据，直到数据读取完为止。此时可擦除测试系统中的数据，下电等待下次实验[8]。

冲击波超压无线式存储测试系统实物如图3所示。

图3 冲击波超压无线式存储测试系统实物图

2.3 测试系统的软件设计

测试系统的软件设计在整个测试系统中至关重要，它主要包括FPGA控制程序设计、USB读数程序设计和计算机软件程序设计3部分，它们贯穿于测试系统工作的整个过程。FPGA程序控制A/D转换器和闪存的各种工作状态；USB程序主要通过设计GPIF固件的波形图来控制USB读数[5]；计算机软件包括计算机参数设置、数据读取与数据处理等方面工作。设计内容如图4所示。

图4 软件设计内容

3 实际应用及结果分析

该系统应用于云爆弹的爆炸威力测试，当时气象条件为0.927标准大气压；湿度20%；温度－13℃ ～－5℃。6套装置分别布置在距爆心15 m和20 m处，并且规律的布置在3条射线上，3条射线分别成120°夹角。1、2、3号装置布置在半径为15 m的圆周上，4，5，6号布置在半径为20 m的圆周上。无线控制平台在距爆心200 m土山的掩体内[6]。现场布置图如图5所示。

图5 云爆弹的爆炸威力测试布设图

现场对多发弹丸进行爆炸实验，实验过程比较成功，本文对其中一发弹丸得到的数据进行分析，见表1。

装置1和装置4测得的数据，通过无线zigbee模块回传到掩体内的计算机上，实现了实时显示，图6为经过处理后的数据曲线：

从表1可以看出相同距离的测点冲击波到达时间一致，超压峰值基本符合冲击波衰减规律，数据都较好，基本在无线ZigBee同步算法误差范围之内。图6显示的曲线完整，证明了装置无线通信的可靠性。实验证明，测试节点越多，越能显示无线ZigBee传感网络星形组网的优势实验结果页证明了整个测试系统的实用性和可靠性。

表1 测点情况统计表

图6 无线模块传回的压力数据曲线图

4 结论

冲击波超压无线式存储测试系统将通信领域先进的ZigBee无线技术应用到存储测试中来，并且以完善的软硬件电路设计，保证了系统工作的稳定性和可靠性，体现了多学科交差互动的优势。该系统结构相对独立，同样适用于其他压力场的测试，具有很大的推广价值。

[1]张爱萍.冲击波的测试[D].太原:华北工学院,1998.

[2]中国人民解放军第三十二试验训练基地.GJB 5212 -2004云爆弹定型试验规程[S].北京:总装备部军标出版发行部出版,2004.

[3]孙利民,李建中.无线传感网络[M].北京:清华大学出版社,2005:1-17.

[4]S.Williams.IrDA:past,present and future[J].IEEE Personal Communications,2000,7(1):11-19.

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[6]熊祖钊,白春华.FAE武器爆炸状态场压力场测试方法研究[J].火炸药,2002,21(1):2-3.

[7]余凯凯,杜红棉,马铁华.基于zigbee无线传感网络瞬态测温系统的设计[J].电子测试,2011(3):17-19.

[8]邵学涛,李新娥.振动式微小电容测量电路[J].电子测试2011(1):50-53.