0 引言

    伴隨著武器裝備技術(shù)的不斷進(jìn)步，為了適應(yīng)全新的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，許多新型高科技武器應(yīng)運(yùn)而生，電磁軌道炮就是其中之一。電磁軌道炮是利用電磁力產(chǎn)生動(dòng)能并推進(jìn)彈丸加速到超高速的炮射武器，它較傳統(tǒng)的火炮速度更快、射程更遠(yuǎn)、體積更小，同時(shí)由于其在發(fā)射過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生煙霧，因此隱蔽性也更好。然而，在進(jìn)行電磁軌道炮過(guò)載測(cè)試試驗(yàn)時(shí)，因其不同于常規(guī)火炮的發(fā)射方式，其膛內(nèi)的強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)絕大多數(shù)電子元件都會(huì)造成破壞，這將對(duì)一般的過(guò)載參數(shù)測(cè)試裝置造成極大的毀傷^[1-2]。

    因此，針對(duì)常規(guī)過(guò)載測(cè)試裝置在強(qiáng)電磁環(huán)境下受到的電磁干擾影響，本文提出了電磁屏蔽技術(shù)，旨在通過(guò)殼體對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行有效屏蔽，使測(cè)試系統(tǒng)不受電磁干擾，以保證電路系統(tǒng)穩(wěn)定工作^[3]。同時(shí)結(jié)合采集存儲(chǔ)技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的獲取及回收，最終得到電磁軌道炮的瞬態(tài)過(guò)載參數(shù)。

1 測(cè)試系統(tǒng)的電磁屏蔽設(shè)計(jì)

1.1 屏蔽材料選擇及效能分析

    電磁屏蔽技術(shù)作為電磁軌道炮過(guò)載測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，在設(shè)計(jì)中起著舉足輕重的作用。因此，尋找并采用合適的屏蔽材料，是消除強(qiáng)電磁干擾的關(guān)鍵所在。

    目前，常用于電磁屏蔽的材料多為具有良好導(dǎo)電性能和導(dǎo)磁性能的金屬材料（如導(dǎo)電率較高的紫銅、純鋁，導(dǎo)磁率較高的45#鋼、純鐵、坡莫合金），以及可作為電磁密封襯墊的彈性導(dǎo)電橡膠等材料^[4]。

    材料屏蔽的效果由屏蔽體對(duì)電磁場(chǎng)強(qiáng)度削弱的程度決定，一般用屏蔽效能（SE）來(lái)表示，通常定義為空間內(nèi)某點(diǎn)未加屏蔽時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度E₀（或磁場(chǎng)強(qiáng)度H₀）與加屏蔽后的電場(chǎng)強(qiáng)度E_S（或磁場(chǎng)強(qiáng)度H_S）的比值，以dB作為單位^[5-6]：

    在對(duì)大多數(shù)電子產(chǎn)品進(jìn)行電磁屏蔽時(shí)，一般認(rèn)為屏蔽效能達(dá)到30 dB，就能有效屏蔽電磁干擾^[7]。屏蔽材料的各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

    為了有效屏蔽電磁炮膛內(nèi)復(fù)雜的電磁環(huán)境，該設(shè)計(jì)采用“45#鋼-紫銅-坡莫合金-純鐵-鋁”的多層組合材料作為過(guò)載測(cè)試裝置的殼體材料，五層金屬采用壓力焊接工藝壓為一體。同時(shí)，為避免設(shè)備在外部接口處的電磁泄漏，選擇具有彈性且屏蔽性能優(yōu)越的導(dǎo)電橡膠襯墊進(jìn)行密封，從而達(dá)到更好的屏蔽效果。

1.2 測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)外形設(shè)計(jì)

    該過(guò)載測(cè)試裝置的外形尺寸設(shè)計(jì)為Φ50 mm×75 mm，其平面結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

    為了能夠滿足強(qiáng)度的要求，該結(jié)構(gòu)的最外層選擇45#鋼材料；內(nèi)部依次為紫銅、坡莫合金、純鐵和純鋁，多層金屬材料得以有效削弱電磁場(chǎng)造成的影響；結(jié)構(gòu)體頂部設(shè)計(jì)為弧面形狀，并將質(zhì)軟的軟鋁金屬包裹于結(jié)構(gòu)頂部，目的是在設(shè)備落地回收時(shí)起到緩沖作用。

    該測(cè)試裝置的主結(jié)構(gòu)三維模型圖如圖2所示。加速度傳感器固定于純鐵層圓筒的底面上，介于鋁筒與主結(jié)構(gòu)體之間；鋁筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部放置電路板與電池組，傳感器的信號(hào)線與供電線通過(guò)鋁筒底部的走線孔連接到采集電路板上；結(jié)構(gòu)內(nèi)部空隙部分通過(guò)聚氨酯灌封膠固化填充。多層金屬材料制作而成的結(jié)構(gòu)殼體對(duì)電磁場(chǎng)起到了有效的屏蔽作用。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

    過(guò)載測(cè)試系統(tǒng)主要功能是獲取運(yùn)動(dòng)載體的加速度信息，并對(duì)加速度模擬量經(jīng)過(guò)數(shù)字量化及編碼后，將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，最后在試驗(yàn)完成后將數(shù)據(jù)可靠地回讀^[8-9]。

    該采集存儲(chǔ)系統(tǒng)主要由A/D轉(zhuǎn)換單元、FPGA控制單元、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元、電壓轉(zhuǎn)換單元組成，原理框圖如圖3所示。系統(tǒng)采用外部斷線觸發(fā)上電，經(jīng)過(guò)程序延時(shí)之后，各模塊開始工作。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換模塊采集的信號(hào)大于所設(shè)定的閾值時(shí)，開始觸發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)，F(xiàn)PGA控制單元將編碼后的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行緩存及打包，最后發(fā)送到FRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元。

2.1 FPGA控制模塊 

    受整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)小型化的限制，各元器件的選型都是本著節(jié)省空間的原則，選擇小封裝的芯片。該系統(tǒng)主控芯片選用系統(tǒng)ACTEL公司的FPGA，型號(hào)為AGLN250-CS81,尺寸僅為5 mm×5 mm，大大減小了PCB布局空間。該系列FPGA采用Flash結(jié)構(gòu)，無(wú)需外圍配置芯片，具有單芯片、非易失性、上電即行等優(yōu)點(diǎn)，方便設(shè)計(jì)與開發(fā)。

2.2 電路系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)

    為使得該測(cè)試系統(tǒng)擁有較長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間，以保證系統(tǒng)在電量充足的狀態(tài)下正常工作，本系統(tǒng)提出了電路的低功耗設(shè)計(jì)，主要從兩方面進(jìn)行：(1)選擇功耗較小的電子元件；(2)從硬件電路設(shè)計(jì)方面考慮。該系統(tǒng)在低功耗狀態(tài)下的電流不超過(guò)7 mA。

2.2.1 FPGA低功耗設(shè)計(jì)

    該系統(tǒng)控制模塊所選擇的IGLOO系列FPGA是一款超低功耗芯片，它在其特有的Flash*Freeze睡眠模式下最低功耗僅為5 μW，且能保證內(nèi)部RAM和寄存器正常工作^[10]。當(dāng)外部FF管腳為低電平時(shí),FPGA進(jìn)入待機(jī)睡眠模式；當(dāng)外部FF管腳為高電平時(shí)， FPGA正常工作。睡眠模式的內(nèi)部控制原理如圖4所示。

2.2.2 邏輯低功耗設(shè)計(jì)

    該系統(tǒng)所需的電壓包括5 V和2.5 V模擬電壓，以及3.3 V和1.5 V數(shù)字電壓，均由SPX3819系列芯片轉(zhuǎn)換得到。低功耗設(shè)計(jì)的電路原理圖如圖5所示。

    低功耗設(shè)計(jì)的工作過(guò)程為：系統(tǒng)觸發(fā)上電以后，系統(tǒng)處于低功耗模式。在該模式下，數(shù)字電壓3.3 V和1.5 V電源芯片使能端有效；模擬電壓5 V和2.5 V電源芯片的使能信號(hào)PWON置低電平，調(diào)理電路不供電。同時(shí)，給A/D轉(zhuǎn)換芯片AD7983和存儲(chǔ)芯片F(xiàn)RAM供電的3.3 V隔離電壓輸出由電子開關(guān)ADG801使能端APEN控制。系統(tǒng)延時(shí)結(jié)束后，F(xiàn)PGA控制PWON和APEN置高電平，此時(shí)低功耗模式結(jié)束，采集存儲(chǔ)系統(tǒng)開始工作。

3 系統(tǒng)邏輯控制設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)負(fù)延時(shí)邏輯設(shè)計(jì)

    負(fù)延時(shí)設(shè)計(jì)的目的是為測(cè)試裝置預(yù)留出安裝準(zhǔn)備時(shí)間，使測(cè)試系統(tǒng)在工作之前處于低功耗待機(jī)模式。負(fù)延時(shí)程序的流程如圖6所示。

    系統(tǒng)負(fù)延時(shí)的具體步驟為：系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA首先完成初始化，然后啟動(dòng)延時(shí)功能；在延時(shí)過(guò)程中，定義兩個(gè)計(jì)數(shù)器，秒計(jì)數(shù)器的進(jìn)位作為分計(jì)數(shù)器的增加信號(hào)；當(dāng)計(jì)數(shù)器增加到與設(shè)置好的延時(shí)時(shí)間相同時(shí)，則延時(shí)結(jié)束，模擬電路和電子開關(guān)的上電使能信號(hào)置高電平，系統(tǒng)進(jìn)入采集狀態(tài)。  

3.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制邏輯設(shè)計(jì)

    該系統(tǒng)選用的存儲(chǔ)器件為FRAM鐵電存儲(chǔ)芯片F(xiàn)M25H40C。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)的具體步驟為：(1)系統(tǒng)延時(shí)結(jié)束后，電路上電各模塊開始工作；(2)FRAM初始化后進(jìn)入待存儲(chǔ)狀態(tài)；(3)當(dāng)A/D模塊采集的電壓信號(hào)大于所設(shè)定的閾值時(shí)，開始觸發(fā)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，此時(shí)FPGA給FRAM發(fā)送寫指令；(4)當(dāng)寫指令到來(lái)時(shí)，數(shù)據(jù)循環(huán)寫入FRAM，首先完成FRAM的寫使能，使能代碼為06H，然后寫入寫數(shù)據(jù)指令，指令代碼為02H，后接24位地址，最后寫入循環(huán)數(shù)據(jù)；(5)數(shù)據(jù)循環(huán)寫入FRAM，直到收到結(jié)束指令后停止寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)狀態(tài)結(jié)束。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制邏輯的程序流程圖如圖7所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

    過(guò)載測(cè)試裝置首先做了模擬沖擊測(cè)試的試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。沖擊試驗(yàn)中測(cè)得的最大加速度為28 647 G，試驗(yàn)結(jié)果表明，該過(guò)載測(cè)試裝置能夠完成高過(guò)載參數(shù)的采集。

    測(cè)試裝置又在某研究所進(jìn)行了電磁炮的實(shí)彈測(cè)試試驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。過(guò)載測(cè)試裝置測(cè)得電磁炮彈丸在發(fā)射過(guò)程中的最大加速度為25 763 G。試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠有效屏蔽強(qiáng)電磁干擾，并完成強(qiáng)電磁環(huán)境下過(guò)載參數(shù)的采集與存儲(chǔ)。

5 結(jié)束語(yǔ)

    本文設(shè)計(jì)的電磁軌道炮膛內(nèi)過(guò)載測(cè)試裝置采用了電磁屏蔽技術(shù)、低功耗設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)技術(shù)，能夠保證系統(tǒng)在強(qiáng)電磁環(huán)境下正常工作。在試驗(yàn)中，系統(tǒng)成功完成了電磁炮彈丸瞬態(tài)過(guò)載參數(shù)的記錄，具備抗干擾能力強(qiáng)、功耗低、可靠性高等優(yōu)勢(shì)。

    電磁軌道炮過(guò)載測(cè)試系統(tǒng)的研究，對(duì)電磁炮的發(fā)展和改進(jìn)、對(duì)我國(guó)武器裝備的不斷創(chuàng)新有著重要的意義和價(jià)值。   

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作者信息:

馬子光1，2，馬游春1，2，孫宇夢(mèng)1，2

(1.中北大學(xué) 電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051；

2.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051）