段鹏程，王学奇，霍建成，杨 召，姚 鹏

(1.空军工程大学航空航天工程学院，陕西西安710038;2.空军95920部队，河北 衡水053000)

0 引言

机载导弹是航空兵战斗力的直接体现，是一种造价昂贵、长期存储、一次使用的产品。实现全寿命周期的质量控制与管理对于确保其作战效能的发挥具有重要意义。

导弹所处环境严重影响导弹寿命和性能。其中，温度和湿度是最主要的两个环境影响因子［1］，震动或碰撞也可能会造成硬件损伤或器件损坏，上述三种原因可能导致导弹故障，降低其使用寿命。而目前贮存过程中环境对导弹的寿命影响还主要依靠对库房进行人工测试和人工经验判断［2］。而对库房进行人工测试所得数据不准确，耗时长且工作量较大［3］，难以最直接反映导弹存储箱内环境情况。

为更加精确地实现机载导弹数据分析和性能评价，需要一种全程跟随导弹贮存过程的环境应力监测装置，从而有效记录导弹存储寿命全周期的环境应力。本文针对导弹存储周期长的特点，以高集成度传感器模块为基础，设计了一种机载导弹环境应力监测装置。该装置可长期监测导弹所处的环境应力，为综合评价导弹状态提供多维、详实的外界环境应力数据。

1 需求分析与总体设计

1.1 需求分析

硬件设计过程中要围绕以下需求进行器件选型与结构定位:

1)降低系统复杂度，提升可靠性;

2)关键器件采用模块化设计，提升维修的便捷性;

3)考虑系统功耗与电源模块的容量，保证装置在导弹存储周期内正常长期工作;

4)存储系统与计算机传输数据的便利性。

1.2 系统结构与工作流程

系统主要由传感器系统、ARM微处理器系统、存储系统、电源系统以及功能键组成。其中，传感器系统分为温度、湿度以及加速度三个部分，存储系统包含外接 SPI FLASH卡和外接SD卡，电源系统包括锂电池和电量监控系统。系统整体结构框图如图1所示。

传感器模块将外部环境应力转换为数字信号进行输出;ARM微处理器系统提供DMA通道以方便传感器与存储单元的信息传递;存储系统接收信号并进行存储;电源系统采用多蓄电池并联方式保证其对整体系统的长时间供电。

加入电源电量监控单元，当电池剩余电量大于20%时传感器模块正常工作，当电池剩余电量小于等于20%，则通过模拟开关控制温度和湿度传感器间歇性进行数据采集，并改变定时器使ARM读取时间间隔加长，从而进一步降低系统耗电量，保证下一次充电前导弹状态监测不中断。具体流程如图2所示。

图2 装置工作流程图Fig 2 Working flowchart of device

2 硬件设计

装置采用环带结构，扣于弹体上跟随导弹存储全周期，如图3所示。加速度传感器固定在与弹簧连接的压块1上，达到紧贴导弹的目的。温度、湿度传感器处于绝热层所包围的槽2，3内，充分接触导弹存储环境，且减少装置自身影响。4为主要电路板，含有ARM芯片、外置SPI FLASH、外置SD卡以及功能按键，固定于可开的装置底板上，方便更换相关器件和读取数据。装置壳体内层添加绝热层用以减少装置本身对导弹的影响。各器件电路连接如图4所示。

图4 系统主要电路Fig 4 Main circuit of system

2.1 传感器模块

本文选用的传感器模块均为高集成度器件，省去了外部滤波、放大、A/D转换电路的设计。使用过程中遇到装置故障，只需要更换相应功能的传感器模块，简化了装置的检测与维修过程。

2.1.1 温度传感器

温度传感器采用窄体SOCI封装高精度ADT7310温度传感器。其片上温度传感器采集温度并转换为与绝对温度呈正比的电压，然后将其与内部基准电压进行比较并输入到数字调制器［4］进行数字化，最终结果通过SPI兼容接口输出。在满足高精度且能自动校准的同时工作电流仅需要210μA。

2.1.2 湿度传感器

湿度传感器采用插针型封装的SHT71，整个芯片包括校准的传感器和14位A/D转换器，此外还具有一个I2C总线串行接口电路，输出完全标定的数字信号，传感器可以完全互换。另外，该传感器模块在满足湿度全范围测量精度为±3.0%RH的情况下功耗仅为30μW，在锂电池供电的情况下可长时间工作。

2.1.3 加速度传感器

BMA250为Bosch公司推出的高集成度三轴加速度传感器模块，加速度使器件内部介质发生变形以产生相应电压，然后将电压经过A/D转换等内部电路后以数字量的形式输出，该芯片集成I2C总线串行接口，量程可选±2，±4，±8，±16 gn，精度较高且性能稳定，满足导弹贮存过程中的震动和碰撞测量范围，工作电流小于139μA。

2.2 ARM处理器与存储系统

本系统选用STM32F101型ARM芯片，支持DMA数据传输方式，在数据传输过程中不需要CPU工作，对于系统降低功耗具有极大帮助。此外，ARM芯片对数据进行一些简单运算，压缩数据总量以便于存储。

传感器模块输出数据通过ARM芯片的DMA存入外接AT45DB041B型SPI FLASH中等待求解平均值［5］，在此过程中CPU处于低功耗状态。每过一段时间通过内置定时器唤醒一次CPU读取外接FLASH数据并求平均值，然后将平均值通过SPI方式［6］存入外接16GB容量的SD卡，同时清除外接FLASH开始下一轮数据采集与存储。

2.3 电源系统

考虑到导弹贮存特点，本系统采用锂电池通过电压转换电路为系统供电。在锂电池与电压转换电路之间加入功能键作为开关。通过计算，系统整体工作一天的消耗为mAh量级，采用12BQ483—02型锂电池(输出11.1 V，容量10 Ah)理论上可支撑系统正常工作110天以上，因此，装置并联两块该型锂电池，通过电压转换电路给各个子系统供电。

此外，为防止电源在导弹存储过程中电量不足导致监测周期不完整。系统加入电源监控模块，器件DS2780通过单总线与ARM芯片连接，如图5所示。当电源监测模块获知电池剩余电量不足20%时输出有效信号给ARM，触发器CD4011保持高电平输出，模拟开关CH440断开，传感器供电中断，停止工作。周期性开关模拟开关，以降低系统整体耗能。

图5 电源监控电路图Fig 5 Circuit of power monitoring

3 实验

装置在某型空空导弹上进行了为期1个月的跟踪测试，同一导弹包装箱内放置温度与湿度监测仪，外接计算机进行记录，将1个月(5月)的记录与本监测装置SD卡内所记录数据进行比对，结果如图6、图7所示。

图6 气温监测结果Fig 6 Air temperature monitoring results

图7 湿度监测结果Fig 7 Humidity monitoring results

由图6、图7可知，温度监测结果误差较小，湿度监测结果虽然存在一定误差，但在可接受范围内，由湿度传感器自身误差导致。

由于本装置所跟踪导弹长期处于静态存储状态，为测试装置可靠性，在存储过程中进行了2次搬运，加速度测试结果如表1所示。

表1 加速度监测结果Tab 1 Acceleration monitoring results

表1中，5月6日第14时27分和5月15日15时34分分别为抬出导弹时刻，另两个时刻为放回导弹时刻。放回导弹时瞬间加速度可达到1.59，2.11 gn，取出瞬间加速度为23，25 m gn，时间和范围符合真实情况。

经过检测电源剩余89%，可以满足至少9个月的连续工作，且输出稳定可靠。理论工作时间可以达到1年。

4 结论

针对导弹长时间封闭式存储的特点，本文设计了一种全周期跟随导弹贮存过程的环境应力监测装置，整个装置围绕低功耗、易维修为核心进行了硬件布局、器件造型和电路设计。整体使用SPI和I2C进行数据传输，并设计加入了电源监控模块。对影响导弹性能的温度、湿度和震动三种因素进行监测和记录。实验表明:装置整体功耗较低，可在密闭空间内独立工作9个月以上，满足长期跟随并监测导弹贮存环境的要求，且工作稳定，维修方便。

［1］王 凯.导弹武器系统贮存环境监测及贮存可靠性评定方法研究［D］.哈尔滨:哈尔滨理工大学，2012.

［2］李兵尚，吴 非，张 磊，等.存储环境监测与数据记录系统设计［J］.测控技术与仪器仪表，2011，39(1):76-78.

［3］张韩飞，陈 明，池 涛，等.多传感器信息融合在温室湿度检测中的应用［J］.传感器与微系统，2011，30(6):129-134.

［4］李 洋，黎晓林，吴 健，等.基于数字电路的二阶调制微加速度计［J］.传感器与微系统，2015，34(1):91-93.

［5］蒋敦斌，李文英，刘元红.闪速存储器AT45D系列芯片的应力［J］.天津师范大学学报:自然科学版，2003，23(3):61-65.

［6］Raghupathy A P，Shen J.Thermal analysis of optoelectronic packages the Delphi-based compact thermal model and other modeling practices in the industry［C］∥Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium，2010:264-270.