一种空气炮弹载加速度数据采集系统及采集方法

摘要

本发明属于弹载数据记录领域，具体涉及一种空气炮弹载加速度数据采集系统及采集方法。系统包括：采集与存储模块：用于采集弹上加速度传感器的加速度数据，将采集的加速度数据转换为数字信号，并将转换得到的数字信号进行存储；触发模块：用于控制采集与存储模块进行数据存储；控制模块：用于数据传输，采集与存储模块的时序控制；通信模块：用于烧写程序和串口通信；电源模块：用于将外部电源输入进行降压稳压操作，为采集系统的其他各模块提供所需的工作电压。本发明在采集与存储模块利用异步fifo高速存储器作为存储芯片，满足了模数转换器对储存速率的要求，实验结束后可对数据进行读取的效果，极大方便了数据的读取。

权利要求

1.一种空气炮弹载加速度数据采集系统，其特征在于，所述系统包括：

采集与存储模块：用于采集弹上加速度传感器的加速度数据，将采集的加速度数据转换为数字信号，并将转换得到的数字信号进行存储；

触发模块：用于控制采集与存储模块进行数据存储；

控制模块：用于数据传输，采集与存储模块的时序控制；

通信模块：用于烧写程序和串口通信；

电源模块：用于将外部电源输入进行降压稳压操作，为采集系统的其他各模块提供所需的工作电压；

所述采集与存储模块包括模数转换器(9)和fifo高速存储器(10)，所述模数转换器(9)将采集的加速度数据转换为数字信号，所述fifo高速存储器(10)具有独立的读写时钟输入端，用于将数字信号存储；

所述触发模块包括电压比较器(6)、单向晶闸管(7)和反相器(8)；电压比较器(6)后端连接单向晶闸管(7)，单向晶闸管(7)后端连接反相器(8)，所述反相器(8)后端与fifo高速存储器连接；

所述单向晶闸管(7)作为半可控开关，当第一次导通以后，其门极G端口便失去控制作用，将门极G与电压比较器(6)输出端OUT连接，当加速度传感器电压大于0.2V时，单向晶闸管(7)导通，其输出端输出高电平；所述反相器(8)将高电平转换为低电平；

所述控制模块包括控制芯片(4)，所述fifo高速存储器(10)后端与控制芯片(4)连接，控制芯片(4)后端连接通信模块，所述控制芯片(4)为stm32系列；

所述控制芯片(4)为控制芯片STM32F103C8T6，所述电压比较器(6)为LMH6702，所述反相器(8)为SN74AHC1G04，所述fifo高速存储器(10)为IDT72V285；

所述通信模块后端连接计算机，所述通信模块包括串口通信模块，所述串口通信模块第一个功能是将在计算机上编写好的程序烧写入控制芯片(4)；所述串口通信模块的第二个功能是将存储在fifo高速储存器(10)中的数字量通过串口通信的方式将数字量传输到计算机上；

所述通信模块还包括USB转串口芯片(11)，所述USB转串口芯片(11)与控制芯片(4)的连接方式为USB转串口芯片(11)的串行输出端口TXD与控制芯片的PA9端口连接，USB转串口芯片的串行输入端口RXD与控制芯的PA10端口连接，USB转串口芯片的DTR#端口与控制芯片的RESET端口相连，USB转串口芯片的RTS#端口与控制芯片的BOOT0端口相连；

所述USB转串口芯片(11)为CH340G；

所述电源模块包括稳压芯片LM7805(1)、稳压芯片LM117(2)、稳压芯片LT1931(3)，稳压芯片LM7805(1)将+9V的电压稳定在+5V为模数转换器(9)、单向晶闸管(7)、电压比较器(6)正端供电，稳压芯片LT1931(3)将+5V电压转换成‑5V电压为电压比较器(6)负端供电，稳压芯片LM117(2)将+5V的电压稳定在3.3V为fifo高速存储器(10)、控制芯片(5)供电。

2.一种利用权利要求1所述的系统采集加速度的方法，其特征在于，在空气炮子弹着靶过程中，加速度传感器的数据经由模数转换器(9)采集，当加速度达到触发模块设定的阈值时，触发模块控制fifo高速存储器(10)开始对模数转换器(9)采集的数据进行存储；试验结束后，利用通信模块的串口通信功能，实现对fifo高速存储器(9)中数据的读取，供进一步数据处理。

说明书

一种空气炮弹载加速度数据采集系统及采集方法

技术领域

[0001] 本发明属于弹载数据记录领域，具体涉及一种空气炮弹载加速度数据采集系统及采集方法。

背景技术

[0002] 空气炮是考核火工品抗过载性能最常见的实验装置。在传统空气炮中，是利用铜柱压缩法来确定过载加速峰值的大小。这种方法实验误差大，并且无法得到过子弹着靶过程中过载加速度的谱图。因此，利用空气炮进行火工品抗高过载性能测试时，对子弹着靶过程中加速度数据的采集显得尤为重要。

[0003] 子弹着靶过程加速度信号的动态测试方法有多种，其主要有两种方法，一种是引线法，另一种是弹载存储测试法。引线法是将加速度传感器连接到信号调理仪器和数据采集系统，这种测试方法存在信号线易断、仪器笨重、准备时间较长等问题。存储测试技术可以解决上述问题。

[0004] 针对弹载存储测试方法，周瑞卿在《火炮发射高过载信号存储测试系统设计》是采用stm32内置模数转换器，其采样速率为10KHz，不能满足子弹着靶过程对采样速率的要求。中国科学院上海技术物理研究所申请公开的《一种弹载平台数据采集存储系统与方法》专利是采用乒乓缓存技术，这种缓存方法操作复杂，并且至少需要两块存储芯片才能完成操作。范君健在《基于FPGA的高精度弹载压力数据采集系统》是以FPGA为控制核心，FPGA的设计复杂并且加工价格昂贵。

发明内容

[0005] 本发明所解决的技术问题在于提供一种空气炮弹载加速度数据采集系统及采集方法。

[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：

[0007] 一种空气炮弹载加速度数据采集系统，所述系统包括：

[0008] 采集与存储模块：用于采集弹上加速度传感器的加速度数据，将采集的加速度数据转换为数字信号，并将转换得到的数字信号进行存储；

[0009] 触发模块：用于控制采集与存储模块进行数据存储；

[0010] 控制模块：用于数据传输，采集与存储模块的时序控制；

[0011] 通信模块：用于烧写程序和串口通信；

[0012] 电源模块：用于将外部电源输入进行降压稳压操作，为采集系统的其他各模块提供所需的工作电压。

[0013] 进一步的，所述采集与存储模块包括模数转换器和fifo高速存储器，所述模数转换器将采集的加速度数据转换为数字信号，所述fifo高速存储器具有独立的读写时钟输入端，用于将数字信号存储。

[0014] 进一步的，所述触发模块包括电压比较器、单向晶闸管和反相器；电压比较器后端连接单向晶闸管，单向晶闸管后端连接反相器，所述反相器后端与fifo高速存储器连接；

[0015] 所述单向晶闸管作为半可控开关，当第一次导通以后，其门极G端口便失去控制作用，将门极G与电压比较器输出端OUT连接，当加速度传感器电压大于0.2V时，单向晶闸管导通，其输出端输出高电平；所述反相器将高电平转换为低电平。

[0016] 进一步的，所述控制模块包括控制芯片，所述fifo高速存储器后端与控制芯片连接，控制芯片后端连接通信模块，所述控制芯片为stm32系列。

[0017] 进一步的，所述控制芯片为控制芯片STM32F103C8T6，所述电压比较器为LMH6702，所述反相器为SN74AHC1G04，所述fifo高速存储器为IDT72V285。

[0018] 进一步的，所述通信模块后端连接计算机，所述通信模块包括串口通信模块，所述串口通信模块第一个功能是将在计算机上编写好的程序烧写入控制芯片；所述串口通信模块的第二个功能是将存储在fifo高速储存器中的数字量通过串口通信的方式将数字量传输到计算机上。

[0019] 进一步的，所述通信模块还包括USB转串口芯片，所述USB转串口芯片与控制芯片的连接方式为USB转串口芯片(11)的串行输出端口TXD与控制芯片的PA9端口连接，USB转串口芯片的串行输入端口RXD与控制芯的PA10端口连接，USB转串口芯片的DTR#端口与控制芯片的RESET端口相连，USB转串口芯片的RTS#端口与控制芯片的BOOT0端口相连。

[0020] 进一步的，所述USB转串口芯片为CH340G。

[0021] 进一步的，所述电源模块包括稳压芯片LM7805、稳压芯片LM117、稳压芯片LT1931，稳压芯片LM7805将+9V的电压稳定在+5V为模数转换器、单向晶闸管、电压比较器正端供电，稳压芯片LT1931将+5V电压转换成‑5V电压为电压比较器负端供电，稳压芯片LM117将+5V的电压稳定在3.3V为fifo高速存储器、控制芯片供电。

[0022] 一种利用上述的系统采集加速度的方法，在空气炮子弹着靶过程中，加速度传感器的数据经由模数转换器采集，当加速度达到触发模块设定的阈值时，触发模块控制fifo高速存储器开始对模数转换器采集的数据进行存储；试验结束后，利用通信模块的串口通信功能，实现对fifo高速存储器中数据的读取，供进一步数据处理。

[0023] 本发明与现有技术相比，其显著优点：

[0024] (1)本发明在采集与存储模块利用异步fifo高速存储器作为存储芯片，因为这种存储器具有存储速率高，满足了模数转换器对储存速率的要求，该系统的数据采集存储速率达到10MHZ的效果；因为这种存储器内部具有独立写入专用区和读取专用区，实现加速度数据在fifo高速存储器中的读写操作可以分开进行的功能，并能达到在空气炮子弹着靶过程中对过载加速度数据进行存储，实验结束后可对数据进行读取的效果，极大方便了数据的读取。

[0025] (2)本发明的触发方式选择硬件触发，加速度传感器一路信号接入触发模块中，当加速度信号达到预先设置的阈值以后，控制异步fifo高速存储器开始数据的存储，因为触发模块能够控制异步fifo高速存储器进行数据的存储，能够防止异步fifo高速存储器在未进行实验时就开始数据的存储，有效的减少了异步fifo高速存储器的内存，节约成本；触发模块中晶闸管的门极端与电压比较器的输出端相连，因为晶闸管的半可控性能，能够防止工作过程的误触发现象。

[0026] (3)本发明串口通信模块选择USB转串口芯片CH340G，因为这种芯片可以用USB接口代替标准的串口，解决了笔记本电脑缺少串口的难题，极大方便了实验后数据的读出与处理。

[0027] (4)本发明选择stm32为控制芯片，该芯片系统具有功耗低、体积小、价格便宜的优点。

[0028] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

[0029] 图1是本发明的弹载数据采集系统总体的结构示意图。

[0030] 图2是本发明的弹载数据采集系统总体的电源模块电路原理图。

[0031] 图3是本发明的弹载数据采集系统总体的控制模块电路原理图，其中图3(a)是控制模块的主系统电路图，图3(b)是控制模块的供电电路图。

[0032] 图4是本发明的弹载数据采集系统总体的触发模块电路原理图。

[0033] 图5是本发明的弹载数据采集系统总体的数据采集与存储模块电路原理图。

[0034] 图6是本发明的弹载数据采集系统总体的通信模块电路原理图。

[0035] 附图标记说明：

[0036] 1‑稳压芯片LM7805，2‑稳压芯片LM1117，3‑稳压芯片LT1931，4‑控制芯片，5‑控制芯片供电部分，6‑电压比较器，7‑单向晶闸管，8‑反相器，9‑模数转换器，10‑fifo高速存储器，11‑串口转USB芯片，12‑USB插孔。

具体实施方式

[0037] 本发明提供一种空气炮弹载数据测试系统，其包括：

[0038] 触发模块，其用于控制采集与存储模块中的fifo存储器进行数据存储，触发模块包括电压比较器、晶闸管和反相器；

[0039] 采集与存储模块，其用于采集弹上传感器加速度数据，将采集的加速度数据转换为数字信号，并将转换得到的数字信号存储在存储器中，采集与存储模块包括AD模数转换器、fifo存储器；

[0040] 控制模块，其用于数据传输，fifo高速存储器和AD模数转换器的时序控制，控制模块包括控制芯片stm32f103c8t6；

[0041] 通信模块，其作用是烧写程序和串口通信。烧写程序是将在计算机上编写好的程序烧写入控制芯片。串口通信是将存储在储存器中的数字量通过串口通信的方式将数字量传输到计算机上，并且实现控制芯片程序烧写的功能。通信模块包括USB转串口芯片CH340G。串口通信模块布置在一块独立印刷电路板上，在设计印刷电路板时，将控制芯片stm32f103c8t6的PA9、PA10、RESET、BOOT0这4个端口分别与4个排母连接，将USB转串口芯片CH340G的TXD、RXD、DTR#、RTS#这4个端口分别与4个排针连接。通信模块的USB接口插入PC上位机的USB接口，通信模块的4个排针插入控制系统的4个排母中，即可实现串口通信功能。

[0042] 电源模块，其作用是将外部电源输入进行降压稳压操作，为所述弹载数据采集系统的各模块提供所需的工作电压，电源模块包括稳压芯片。

[0043] 图1是本发明一种弹载数据采集系统的系统框图。本发明的硬件装置包括：电源模块、触发模块、数据采集与存储模块、通信模块、控制模块。

[0044] 图2为本发明实施例中所述电源模块电路原理图。电源模块包括稳压芯片LM7805、LT1931、LM117。LM7805稳压芯片将+9V的电压稳定在+5V为模数转换器AD9240、单向晶闸管SCR、集成运算放大器LMH6702正端供电，LT1931稳压芯片将+5V电压转换成‑5V电压为集成运算放大LMH6702负端供电，LM117稳压芯片将+5V的电压稳定在3.3V为fifo高速存储器IDT72V285、控制芯片stm32f103c8t6供电。

[0045] 图3为本发明实施例中所述控制模块电路原理图。控制模块包括控制芯片stm32f103c8t6。STM32F103C8T6是一款基于ARM Cortex‑M内核STM32系列的32位的微控制器，工作电压为3.3V，其体积小，功耗低，适于弹上应用。

[0046] 图4为本发明实施例中所述触发模块电路原理图。触发模块包括集成运算大放大器LMH6702、单向晶闸管SCR、反相器SN74AHCIG04。所述集成运算放大LMH6702作为电压比较器，当传感器电压大于0.2V时其输出端OUT输出高电平，当传感器电压小于0.8V时输出端OUT输出低电平。所述单向晶闸管SCR作为半可控开关，当第一次导通以后，其门极G端口便失去控制作用，将门极G与集成运算放大器输出端OUT连接，当传感器电压大于0.2V时，晶闸管便导通，其输出端输出高电平。利用单向晶闸管的半可控性能有效的避免了数据采集过程中的误触发现象。由于fifo高速存储芯片SN74AHCIG04的写入使能端口fifo‑WEN为低电平时，数据才能写入到SN74AHCIG04中，因此需要将单向晶闸管SCR的输出端口电平取反(将高电平变为低电平，将低电平变为高电平)，反相器SN74AHCIG04能实现此功能。反相器的输出端Y与fifo高速存储芯片的写入使能端口fifo‑WEN连接。

[0047] 图5为本发明实施例中所述数据采集与存储模块电路原理图。数据采集与存储模块包括模数转换器AD9240、fifo高速存储器IDT72V285。所述模数转换器AD9240是美国AD公司生产的一种10MHz单电源工作的14位模数转换器，该芯片具有极高的采样速率和转换速率，适用于高速数据采集，其内部结构紧凑、集成度高，尺寸小，可大大减小电路印刷版的面积。所述fifo高速存储器IDT72V285是美国IDT公司生产的一种fifo(先入先出)高速存储芯片，具有64K*18bit的容量，其数据存储速率最高可达100MHz，因此完全满足模数转换器AD9240对数据存储速率的要求。Fifo高速存储器SN74V283具有异步读写功能，具有独立的读写时钟输入端，数据的写入与读出可分开操作，极大了方便了数据的写入与读取。另外，fifo高速存储器IDT72V285采用3.3V单电源供电，封装尺寸为14mm*14mm*1.5mm，适合弹上使用。模数转换器AD9240与fifo高速存储器SN74V283的连接方式为模数转换器AD9240数据输出端口BIT1～BIT14与SN74V283数据输入端口D0～D13直接连接，SN74V283多余数据输入端口D14～D17接地。数据采集与存储模块与控制芯片stm32f103c8t6的连接方式为模数转换器AD9240的时钟输入端口CLK与控制芯片stm32f103c8t6的PA0‑WKUP端口连接，fifo高速存储器SN74V283的 FWFT/SI、Q0、Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6、Q7、Q8、Q9、Q10、Q11、Q12、Q13、 端
口分别与控制芯片stm32f103c8t6的PA1、PA2、PA3、PA4、PA5、PA6、PA7、PA8、PA11、PA12、PA13、PA14、PB0、PB1、PB2、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7、PB8、PB9、PB10、PB11、PB12、PB13、PB14、PB15端口相连。

[0048] 图6为本发明实施例中所述通信模块电路原理图。通信模块包括USB转串口芯片CH340G。所述USB转串口芯片CH340G与控制芯片stm32f103c8t6连接方式为USB转串口芯片CH340G的串行输出端口TXD与控制芯片stm32f103c8t6的PA9端口连接，USB转串口芯片CH340G的串行输入端口RXD与控制芯片stm32f103c8t6的PA10端口连接，USB转串口芯片CH340G的DTR#端口与控制芯片stm32f103c8t6的RESET端口相连，USB转串口芯片CH340G的RTS#端口与控制芯片stm32f103c8t6的BOOT0端口相连。为减小印刷电路板体积，串口通信模块布置在一块独立印刷电路板上。在设计印刷电路板时，将控制芯片stm32f103c8t6的PA9、PA10、RESET、BOOT0这4个端口分别与4个排母连接，将USB转串口芯片CH340G的TXD、RXD、DTR#、RTS#这4个端口分别与4个排针连接。将通信模块的USB接口插入PC上位机的USB接口，将通信模块的4个排针插入控制系统的4个排母中，即可实现串口通信功能。

[0049] 空气炮弹载数据采集系统工作流程如下：在空气炮子弹着靶过程中，加速度传感器的数据经由模数转换器采集，当加速度达到触发模块设定的阈值时，触发模块控制fifo高速存储器开始对模数转换器采集的数据进行存储。试验结束后，利用通信模块的串口通信功能，实现对fifo高速存储器中数据的读取，供进一步数据处理。