许吉斌，展勇忠，冉玉忠

(湖南云箭集团公司研发中心，湖南 长沙 410100)

0 引言

在弹药的研制过程中，需要进行大量的试验，获取其作用过程的动态参数及影像资料，从而为其功能、性能的评判提供依据，为其下一步的改进提供数据支撑；这些信息和参数的采集主要依靠各类高速数据采集设备完成。高速数据采集设备主要用于采集和记录短时间内的瞬变信息，一般具有负延时功能，可通过软件设置负延时时间。由于其存储时间较短，因此需采用外部信号对其进行触发并实现高速数据采集记录。

目前主流的高速数据采集设备触发控制方式主要包括人工有线触发法、引线电测法和存储测试法等[1]。人工有线触发法常见于小当量弹药的静态爆破试验高速数据采集中，操作人员直接通过与高速数据采集设备相连的控制器对其进行触发，该方法实现简单，触发可靠性较高，但对控制距离有较大限制，无法满足弹药试验安全距离要求[2-3]。引线电测法是将传感器布置在参试弹药周围，利用电缆将其与高速数据采集设备相连，通过传感器感知弹药作用的特征参数从而实现高速数据采集设备的触发，该方法可实时监控参试弹药的试验情况，但由于弹药试验环境复杂，使用该方法极易造成误触发，且采集到的数据干扰噪声较大[4-5]。存储测试法是将传感器集成于高速数据采集设备上，通过事后回收的方式获取试验数据，该方法能有效消除布设电缆引入的噪声，提高测试数据信噪比，却依然不能改变传感器门限值设置要求较高，在复杂环境下易误触发的问题[6-10]。上述主流的触发控制方式都存在自身局限性，一般不具备多设备同步触发的功能，对数据的分析带来了困难。

弹药试验具有试验环境复杂，试验过程风险较大和多高速数据采集设备协同试验数据同步性要求较高等特征。因此，本文在不改变现有高速数据采集设备的前提下，提出了将远程无线控制和同步有线触发相结合的远程同步高速数据采集控制系统。

1 系统组成及工作模式

1.1 系统组成

当进行弹药靶试试验或战斗部静态、动态爆破试验时，试验存在较大风险，整个过程中操作人员需撤离到距待测点数公里外的安全区域，无法近距离的对数据采集设备进行操作。因此本文提出将远程同步高速数据采集控制系统划分为三个部分，分别为远程遥控设备、遥控触发设备和高速数据采集设备。其组成框图如图1所示。

其中远程遥控设备由控制面板、电源模块、发射模块、接收模块、信号处理模块、发射及接收天线等组成，主要完成测试和控制指令的发送及反馈的接收和指示。

遥控触发设备由电源模块、接收模块、发射模块、信号处理模块、发射及接收天线等组成，主要完成测试和控制指令的接收、判决，高速数据采集设备触发电平信号的产生、发送，以及测试和控制反馈信号的发送。

高速数据采集设备主要包括高速图像采集设备、冲击波测试设备等，主要实现试验数据的采集和存储。

1.2 系统工作模式

由于本系统采用无线通信的方式实现远程同步触发，因此其通信信道是否受到干扰直接影响远程控制的成功与否。当操作人员撤离弹药试验场地后，遥控触发设备处于无人值守状态，此时，为了在防止误触发的前提下对通信信道进行测试，确定远程遥控设备和遥控触发设备的通信功能是否正常，本系统设计了测试和控制两种工作模式。两种工作模式存在以下两方面区别：

1)按钮及指示灯不同

为了使操作人员能直观的通过控制面板对系统的工作模式及工作情况进行操作和观察，本系统分别针对测试工作模式和控制工作模式设置了按钮和指示灯。

2)工作流程不同

当远程控制设备中的测试或控制按钮被按下时，设备生成相应的指令并对其进行编码、调制、上变频、功率放大和滤波输出。遥控触发设备对接收到的指令进行下变频、解调、解包、判决；若判定系统工作在测试模式时，遥控触发设备直接向远程遥控设备发出测试反馈；若判定系统工作在控制模式时，遥控触发设备同步输出多路触发电平信号，对多个高速数据采集设备进行同步触发，之后向远程控制设备发送控制反馈信号。

通过两种工作模式的切换和配合，使得操作人员可以在弹药试验场地无人值守的情况下，确定系统无线信道的状况。

2 高可靠性远程同步无线控制

由于弹药试验环境较为复杂，试验过程中存在大量噪声信号，且当多个高速数据采集设备协同工作时，需要有统一的时统，供时序分析时使用，因此本文提出通过指令/反馈信号有效性判决提高触发的可靠性，同时选用MOSFET作为开关器件设计同步触发电路，利用其高开关速率的特性，保证多路开关量触发信号的同步性。

2.1 指令/反馈信号有效性判决

远程遥控设备与遥控触发设备之间的通信采用PCM/FM传输体制，且要求其满足“指令/反馈通信协议”的要求，该通信协议主要用于规定指令和相应反馈信号的格式、通信频点等。它包含指令协议和反馈信号协议两部分。

指令协议：工作频点为1 750 MHz，测试/控制指令满足指令格式，指令长度为8 Byte，格式如表1。

表1 指令格式Tab.1 The instruction format

反馈信号协议：工作频点为1 770 MHz，测试/控制反馈信号满足反馈信号格式，反馈信号长度为8 Byte，格式如表2。

表2 反馈信号格式Tab.2 The feedback signal format

当远程遥控设备和遥控触发设备接收到信号之后，先根据指令/反馈通信协议对数据进行分包处理，提取出有效的指令或反馈信号，再对指令或反馈信号进行 “收五判三”判决，即当连续收到五包指令或反馈后，对其进行判决，若同一指令或反馈数量大于三包，则认为指令或反馈信号有效。采用该方式对指令和反馈进行编码和判决，可以极大地降低信号传输过程中产生误码导致的误触发。

2.2 同步触发电路

在同步触发电路中，开关量信号输出的同步性直接由开关器件的选择决定。相较于绝缘栅双极型晶体管(IGBT)，MOSFET的漏极电流由栅极电压控制，它不但具有驱动电路简单，驱动功率小的特点，还是当前开关速率最高的电子开关器件。

针对同步触发要求，本系统采用MOSFET作为电子开关设计了开关量控制电路，电路图如图2所示。

当遥控触发设备收到有效控制指令后，信号处理模块FPGA的IO口输出高电平控制三极管导通，使三极管的集电级与地导通，控制IRLML6401型PMOS管的栅极为低电平，PMOS管的栅极与源极有负向电压且大于其门限电压，此时PMOS管源极、漏极导通，实现5 V触发电平输出。

图2 开关量控制电路Fig.2 The digital control circuit

通过该电路，可以将每一路触发信号的上升沿或下降沿输出时间控制在30 ns左右，其理论同步延时为纳秒级。保证了触发的同步性，为多高速数据采集设备协同工作时的数据时序分析提供了可靠的时统。

3 试验验证

该远程同步高速数据采集控制系统可应用于各类的弹药靶试试验和战斗部静态、动态爆破试验中。

3.1 验证试验设计与实施

为了验证本系统是否适应弹药试验场景，本文以某弹药为试验对象，利用本系统控制多个高速数据采集设备对其静爆数据进行同步采集。参试高速数据采集设备包括高速图像采集设备1台，冲击波信号采集设备8台。

试验过程如下：

步骤一 系统架设及调试。将冲击波信号采集设备沿两条直线相互垂直布置于爆心径向方向，距爆心分别7 m，12 m，30 m及45 m，将高速图像采集设备及遥控触发设备布置在距离爆心200 m处掩体后，分别用电缆将各高速数据采集设备与遥控触发设备相连，各高速数据采集设备负延时时间设置为1 s。远程遥控设备布置于安全区域内(位置距离爆心3 km外)，其布站示意图如图3所示。

步骤二 操作人员撤离到安全区域。

步骤三 通信信道测试。操作人员按下测试按钮对系统进行测试；远程遥控设备点亮“测试指令指示灯”，同时生成并发出测试指令；遥控触发设备接收测试指令并对其进行判决，若判定为测试指令，则生成并发出测试反馈信号；远程遥控设备接收测试反馈信号并对其进行判决，若确认为测试反馈信号，则点亮“测试反馈信号灯”。

图3 布站示意图Fig.3 The station placement

步骤四 高速数据采集设备远程同步触发控制。操作人员通过光测等手段对弹药作用情况进行观察，若战斗部爆破，则按下控制按钮；远程遥控设备点亮“控制指令指示灯”，同时生成并发出控制指令；遥控触发设备接收控制指令并对其进行判决，若判定为控制指令，则控制输出多路开关量信号同步触发高速图像采集设备和冲击波信号采集设备进行数据记录，生成并发出控制反馈信号；远程遥控设备接收控制反馈信号并对其进行判决，若确认为控制反馈信号，则点亮“控制反馈信号灯”。

步骤五 判断触发控制结果。若操作人员观察到 “控制反馈信号灯”点亮，则认为远程同步触发成功。

步骤六 试验数据回收与分析。试验结束后，对各高速数据采集设备进行回收、数据读取和数据分析。

3.2 试验结果分析

通过对各设备所采集到的数据进行分析，可知各高速数据采集设备均正常同步触发。其中高速图像采集设备采集到的战斗部作用时间零点为同步触发后285.5 ms，冲击波信号采集设备冲击波到达时刻、超压峰值与排列位置的关系如表3所示。

表3 试验数据统计Tab.3 Experimental data statistics

各冲击波信号采集设备的测得的冲击波曲线如图4所示。

图4 冲击波曲线Fig.4 The shock wave

从试验结果可以看出，距爆心相同距离的冲击波数据采集设备采集到的正压时间差距均小于1 ms，说明系统具有较好的同步触发能力。系统中各高速数据采集设备均未出现误触发现象，采集到的图像及冲击波信号时序均与预计结果相符。

4 结论

本文提出了一种远程同步高速数据采集控制系统。该系统利用远程同步无线控制机制，通过指令/反馈信号有效性判决提高信号的可靠性，同时选用MOSFET作为开关器件设计同步触发电路，保证多路开关量触发信号的同步性。试验表明，该系统同步触发精度小于1 ms，多次试验中未出现误触发现象，可实现对弹药试验数据的多设备高可靠性远程同步触发采集。