| 标题 | 高旋弹用实时数据处理与存储系统设计 |
| 范文 | 刘宁 苏中 摘 要： 针对高旋弹数据分析与存储的实时性、小空间、低功耗、大容量要求，设计适用于高旋弹用实时数据处理与存储系统；并提出一种数据处理与存储方法，实现了常规炮弹在飞行过程中的传感器数据实时处理与获取。首先针对高旋弹工作环境与数据采集过程进行分析，确定数据处理与存储需求；结合需求，利用Cortex?M7与FPGA的双核心架构配以外部并行高速ADC，实现传感器信号的采集与处理，利用高速FMC总线控制大容量片外FLASH，实现处理数据的存储，在此硬件基础上，提出了同步高速数据采集与存储方法。通过高速转台地面试验和实弹飞行验证了系统功能的正确性，其对常规炮弹弹道环境力以及制导化研究具有很大的应用价值。 关键词： 高旋弹； 数据处理； 高速数据采集； 传感器信号； 数据存储； 实弹飞行 中图分类号： TN919?34； TP212.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）14?0083?05 Design of real?time data processing and storage system for high?spinning projectile LIU Ning1， SU Zhong1，2 （1. School of Automation， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100101， China； 2. Beijing Key Laboratory of High?Dynamic Navigation Technology， Beijing Information Science & Technology University， Beijing 100101， China） Abstract： In allusion to the requirements of real?time performance， small space， low power consumption， and large capacity of high?spinning projectile data processing and storage， a real?time data processing and storage system applicable for the high?spinning projectile is designed， and a data processing and storage method is proposed， so as to realize real?time processing and acquisition for sensor data of the conventional cannonball during flight. The working environment and data acquisition process of the high?spinning projectile are analyzed to determine the data processing and storage requirements. In combination with the requirements， the dual core architecture of Cortex?M7 and FPGA equipped with the external parallel high?speed ADC is adopted to realize the acquisition and processing of sensor signals， and the large?capacity chip external Flash controlled by the high?speed FMC bus is adopted to realize the storage of processed data. On the basis of the above hardware， the synchronous high?speed data acquisition and storage method is put forward. The correctness of the system function was verified by means of the ground test of the high?speed rotary table and live ammunition flight， which has a great application value for the research of ballistic environmental force and guidenization of the conventional cannonball. Keywords： high?spinning projectile； data processing； high?speed data acquisition； sensor signal； data storage； live ammunition flight 0 引 言 利用火炮发射的战术级常规炮弹来压制和毁伤集群目标、炮弹和导弹发射阵地、舰船等目标，是现代战争不可或缺的武器系统[1]。这种常规炮弹大多数采用高旋體质，依靠高速旋转（转速大于36 000 （°）/s）来保持稳定和命中精度。高旋弹在发射和飞行过程中动态参数的获取对其性能分析极其重要，可以对弹体试验以及使用过程中所发生故障的机理进行分析，为其验证、优化设计提供重要的参考依据。目前，低成本高旋弹，尤其是中大口径榴弹在试验中经常遇到引信早炸、瞎火等问题。为了分析引起这些问题的原因，需要对弹体飞行过程中的动态参数进行测试[1?3]。 早在1996年，美国就研制出了相关的测量装置，能够有效获取高旋弹体的相关环境力学特性[4?5]。受制于电子元器件以及相关技术水平，国内对其目前仅进行理论分析，没有针对这类高旋弹体进行相关测试。如中北大学、南京理工大学等高校，均开展了相关研究，但据其公开资料分析，其采集速率、实时性均未能满足相关要求。综上所述，目前急需能够检测高旋弹体动态参数的仪器。针对这一问题，提出一种适用于高旋弹体特别是中大口径榴弹实时数据采集处理与存储方法，实现高旋弹体动态参数获取。通过高速转台地面试验和实弹飞行，验证了系统功能的正确性，对常规炮弹弹道环境力以及制导化研究具有很大的应用价值。 1 高旋弹数据处理与存储要求 目前的中大口径榴弹，其转速均大于36 000 （°）/s，最大可到108 000 （°）/s，即300 rad/s；初速大于600 m/s；过载大于10 000 g；飞行时间多在2 min以内。在如此恶劣的环境下，对弹上电子设备提出的要求是极其严酷的，重点表现在高旋弹体的动态数据测量[6]，需要大量的传感器，典型的有陀螺仪、加速度计、磁强计等。对于这类传感器信号，多以模拟量输出为主[1，5?6]。结合中大口径榴弹的工作特点和测量要求，所提供的高旋弹数据处理与存储要求为：数据更新率为200 kHz；功耗小于2.5 W； 存储时长大于10 min；数据采集通道数量为16路；尺寸要求小于29 mm×40 mm，可放置于通用引信内[7?11]。 2 系统工作原理 以中大口径榴弹为例，通过对引信进行改造，将实时数据处理与存储装置放于其中，如图1所示。 安装的传感器包括：冗余的三轴压阻式加速度计、三轴磁强計。传感器数据经信号处理后，由FPGA操作高速ADC进行数据采集，同时利用FMC总线将数据进行上传至主控制器中，主控制器对数据进行数据处理，包括量纲变换和误差补偿，不对数据进行编码和压缩，最后操作FLASH，将数据进行存储。 3 总体方案设计 高旋弹数据处理与存储系统整体组成框架如图2所示。从软件与硬件实现角度分析，单独FPGA即可实现数据采集、存储与处理，但是软件开发成本太大，且在FPGA调试过程中耗时耗力，需要在有限的资源下进行合理的分配。而在硬件上增加一块ARM芯片，将主逻辑、FLASH驱动存储、USB通信等要求逻辑性较强的部分，交给成熟的ARM芯片，开发成本大大降低。 3.1 硬件架构研究 如图2所示，系统的核心处理框架采用Cortex?M7核心的处理器配以FPGA的双核架构实现。选用的Cortex?M7核心处理器为意法公司生产的32位MCU+FPU，其采用高性能内核，工作频率高达216 MHz，具有单浮点单元（SFPU）精度，支持所有的ARM单精度数据处理指令和数据类型，还能实现完整的DSP指令集和增强应用安全性的存储器保护单元（MPU）[12]。而FPGA则采用Actel公司的ProASIC 3 FLASH型FPGA，具体型号为A3P600。两者之间通过FMC总线相连，FPGA被视为Cortex?M7的SRAM进行访问，FPGA主要进行ADC的操作和数据的FIR滤波，Cortex?M7还通过FMC总线与FLASH进行通信，操作FLASH。为了避免总线互扰，增加了总线锁存器进行FLASH和SRAM数据锁存。除此之外，对外的人机接口、存储逻辑能，均通过Cortex?M7完成，涉及到的主要人机接口有USB，USART，具体架构如图3所示。 3.2 软件逻辑设计 系统的软件逻辑设计主要是驱动层和应用层编写。同时应用层还重点涉及与后台主控计算机的数据交互处理，具体分析如下所述。 3.2.1 驱动层软件 驱动层软件主要涉及FPGA中的ADC读取逻辑、FIR滤波、FMC匹配驱动；同时还涉及Cortex?M7中的FMC总线驱动、USB驱动、USART驱动、定时器驱动等。 1） ADC读取逻辑 高旋弹用数据处理与存储系统中选取的ADC为ADI公司的并行同步16位ADC，其读取采用并口模式，通过FPGA与ADC相连接，相关管脚的操作时序如图4所示。 利用FPGA通过编写状态机实现上述逻辑。 2） FIR滤波 ADC的更新率为200 kHz，而对于整个弹体运动特性而言，滚转频率低于500 Hz，故进行FIR设计时将截止频率设计为500 Hz。采用Hamming窗函数实现FIR滤波器。 3） FMC总线驱动 FMC（Flexible Memory Controller）可外接SDRAM，SRAM，NOR FLASH，NAND FLASH以及各种能够匹配该接口的外设。在本系统中FPGA作为Cortex?M7的SRAM外设存在，FLASH为NAND FLASH。这种设计的难点是总线互扰问题，为了避免互扰冲突，采用总线锁存器，加于FMC总线与FLASH之间。由于SRAM操作频繁，所以会对FLASH数据线进行锁存，达到同时操作互不干扰的目的。 4） FLASH操作驱动 由于采用FMC总线操作，大大降低了FLASH驱动编写的复杂度，在ST公司公布的图形化驱动选择工具Cube中，即可轻松完成对外界FLASH、外界SRAM的操作。 5） 其余外部接口驱动 其余外部接口包括USB，USART和相关定时器。其中，USB采用ST公司提供的USB虚拟串口驱动，用USB虚拟串口，实现高速传输。而USART接口采用RS 422形式，用于进行远距离数据监控。定时器主要用于逻辑分配和时间片轮转使用。 3.2.2 应用层软件 应用层软件主要涉及采集时序控制、存储时序控制、人机交互操作、工作逻辑处理。文献[5]给出了用于记录惯性测量组合数据的硬件回收装置，其中，对于具体软件流程，仅给出了FLASH相关操作的流程，并未将这类问题系统化、模块化。本系统设计的主要思想就是将复杂问题进行对象化、模块化设计。软件具体流程图如图5所示。 软件流程具体如下： 1） 初始化。初始化工作的重点是针对硬件部分而言，包括传感器的逻辑初始化、ADC的上电复位、FPGA的上电激活等。 2） 自检。自检完成对传感器、FPGA、通信、FLASH的检查。 3） 工作模式判断。高旋弹用实时数据处理与存储系统主要工作模式有两个：写操作和读操作。该模式通过主控计算机经USB接口或USART接口进行配置，具有断电续存功能。 4） 写操作时间片任务。写操作主要是对传感器数据进行采集，触发FPGA将ADC数据实时回传给主控制器，同时将数据存储到FLASH中。共涉及的子任务包括：ADC数据读取子任务、数据缓存子任务和数据FLASH存储子任务。其中ADC数据读取子任务为最高优先级任务，其工作频率为200 kHz；数据缓存子任务与数据FLASH存储子任务将在下一节仔细介绍。 5） 读操作时间片任务。读操作主要是对存储进FLASH中的数据进行回读，将数据以数据帧的形式进行上传，供用户使用。任务涉及的子任务包括：FLASH页读取子任务、地址管理子任务和数据上传子任务。三个子任务均以时间片任务的形式存在，工作频率为1 kHz。数据上传子任务包括USB数据上传和USART数据上传，前者按整页数据上传与FLASH页读取子任务同步，后者按数据帧格式上传，1帧数据周期为1 ms，上传方式通过上位机进行控制和切换。 4 高速数据采集与存储方法 写操作时间片任务操作中涉及的ADC数据读取子任务、数据缓存子任务和数据FLASH存储子任务三个子任务。如何高效实时稳定运行，是本系统算法的核心关键。在本系统中，采用乒乓缓存的方式进行多时刻ADC数据缓存，待緩存达到FLASH存储要求时，将数据存储进FLASH中。假设ADC采集的16路A/D数据为[ai，k]，其中i为对应通道，k为对应时刻。定义缓冲序列为[Buffn]，n为缓冲序列个数。[Buffn]中以数据帧的形式存在，帧格式如表1所示。 利用[ai，k]数据组成数据帧[sk]，将[sk]实时缓存进[Buffn]中。其中[Buffn]的长度为FLASH的页长度。将[Buffn]存满后，会调用下一个缓存[Buffn+1]，同时数据缓存子任务会以消息形式通知数据FLASH存储子任务，将[Buffn]数据进行存储，待存储完成后会释放[Buffn]的占有命令，即数据缓存子任务又可操作[Buffn]进行数据缓存。同理，利用该轮换机制，确保存储的实时性。 5 试验验证 5.1 样机制作 样机中点电路采用堆栈式设计，分5层进行设计，包括：接口电路板、二次电源电路、传感器与信号处理电路、ADC电路、核心处理电路，电路结构图如图6所示，制作的样机如图7所示。 5.2 地面模拟试验 利用地面高速转台（杭州讯领科技公司产品），对系统进行地面测试，测试照片如图8所示。其中，高速转台转速为300 rad/s，对系统进行去全功能测试，采集到的数据曲线如图9所示。 5.3 实物飞行试验 以某型榴弹为对象，将该系统进行搭载飞行试验，进行该榴弹的飞行过程环境力数据记录。其发射过载大于15 000 g，转速达300 rad/s，地面回读的部分数据如图10所示。 从图10中可以看出，在飞行过程中，弹体的振动信息均被完全复原，通过对加速度计进行分析，其在飞行过程中（出炮口后）最大轴向过载为4.9 g，横法向加速度计排除掉离心力后，振动过载最大达10 g。该数据皆与弹道雷达测试数据吻合。验证了本系统的工作性能。 6 结 论 综上所述，本文研制的系统能完整地将高旋弹上测量用传感器数据实时进行处理与存储，较好地解决了目前高旋弹体动态参数检测的难题。提出的一种适用于高旋弹体特别是中大口径榴弹实时数据采集处理与存储系统，通过高速转台地面试验和实弹飞行，验证了系统功能的正确性。该系统对常规炮弹弹道环境力以及制导化研究具有很大的应用价值，同时具有较高的使用价值。 参考文献 [1] 杨青.高速旋转弹转速/速度参数测试技术研究[D].太原：中北大学，2010. 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