CN118112970A - 一种适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，包括外壳、封盖、PCB板；外壳用于固定PCB板，并通过封盖隔水密封；PCB板正面为三轴加速度传感器、主控芯片、存储芯片、电源芯片、自恢复保险丝以及三个功能按键；背面有滑动开关和电池仓；电池仓用于安装纽扣电池；三轴加速度传感器、存储芯片、电源芯片均与主控芯片连接，自恢复保险丝连接一个肖特基二极管后接入电源芯片的输入端，同时并联两个电容，自恢复保险丝另一端与电源输出相连；三个功能按键分别连接主控芯片的两个GPIO口和一个NRST外部复位口；滑动开关两个不动端分别连接电池和供电的排针管脚，以切换供电电源。本发明能够满足跨介质航行体的数据记录要求。
Description
技术领域
本发明属于航行体跨介质冲击研究领域，具体涉及一种适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置。
背景技术
随着现代战争向海陆空天一体化联合作战、多线联合作战的特点演变，跨介质武器，譬如空投鱼雷、火箭助飞鱼雷、潜射导弹等等，近年来引起了大量关注。在航行体从一种介质穿越到另一种介质的过程中，由于两种不同的介质之间密度差异巨大，因而航行体在穿越两种介质交界面的瞬间将受到强大的阻滞作用和轴向冲击载荷，可能由此造成航行体结构破坏、弹道失稳、弹载器件失灵等严重问题，直接影响了航行体运动和后续攻击的有效性，因此开展航行体跨介质冲击载荷测试具有很重要的意义。而在水下高速运动过程中，伴随超空化现象，航行体由于各种原因发生摆动，形成绕头部的尾拍运动。这种尾拍运动是三维的空间运动，转动轴线不固定，射弹尾部运动轨迹、射弹与空泡壁面的撞击点均无法确定且难以捕捉，对后续的研究造成了极大的阻碍影响。因此，在水下恶劣测试环境中，精准捕捉射弹运动时的各项参数，从而推算出整体运动过程，对于研究跨介质航行器具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，可装配于航行器内部，在航行体运动过程中记录其工作数据，随后回收读取数据。该弹载回收记录仪具有体积小、重量轻、功耗低、抗电磁干扰能力强等特点，能够满足跨介质航行体的数据记录要求。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，包括外壳、封盖、PCB板；所述外壳内刻有两条导向槽，用于固定PCB板，并通过封盖隔水密封；
所述PCB板为双面板形式，正面为三轴加速度传感器、主控芯片、存储芯片、电源芯片、自恢复保险丝以及三个功能按键；背面有滑动开关和电池仓；
所述电池仓用于安装纽扣电池，为整个装置供电；
所述三轴加速度传感器与主控芯片连接，除SDO引脚为电阻下拉接地外，另外三个引脚均为电阻上拉；
所述存储芯片与主控芯片连接，其中CS#引脚通过电阻上拉，另外三个引脚直接连接单片机的通信引脚；
所述电源芯片与主控芯片连接，所述自恢复保险丝连接一个肖特基二极管后接入所述电源芯片的输入端，同时并联两个电容用于去噪，所述自恢复保险丝另一端与电源输出直接相连；
三个功能按键分别连接主控芯片的两个GPIO口和一个NRST外部复位口，其中，功能按键SW1对应了串口通信功能，在上电后按下功能按键SW1，即停止传感器数据的采集，开始等待上位机的相关指令；功能按键SW2对应了复位功能，按下功能按键SW2后，初始化，进入休眠模式并等待外部冲击信号唤醒；功能按键SW3对应数据清除功能，按下功能按键SW3后，存储芯片中的数据被清空，等待下一次写入；
所述滑动开关为单刀双掷开关，两个不动端分别连接电池和供电的排针管脚，以切换供电电源。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明集成了多个元器件，合理分布于体积小、重量轻的PCB板上，带有独立供电模块。通过对器件功耗的配置，极大地缩减了对电池体积和容量的要求，能够实时精确地记录下运动数据，解决了小体积MEMS传感器的续航问题。
(2)本发明对传感器和主控芯片进行了配置，对于难以观测的尾拍运动能够有较好的测试效果和准确的数据记录，根据数据能够还原出航行体的运动状态。
(3)本发明通过弹载仓和尼龙垫片结构，通过填充聚氨酯发泡剂，在航行体瞬时发射时起到保护传感器的作用，避免因出现攻角或是别的突发情况，增强了整个装置的抗冲击能力。
附图说明
图1为弹载测试系统框图。
图2为弹载测试系统工作流程图。
图3为主控芯片外围电路图。
图4为装置记录的入水冲击载荷曲线。
图5为重复性实验验证曲线。
具体实施方式
下面将结合附图和实例，对本发明的技术实施方案进行进一步详细描述。显然，此处所描述的实例仅为本发明的部分实施例而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例均属于本发明的保护范围。
参照图1所示，本发明的一种适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，主要包括金属外壳、尼龙封盖、主控模块、传感器模块、存储模块、电源模块。
金属外壳内刻有两条导向槽，用于固定PCB板，内部空隙通过注入发泡剂或是灌入环氧树脂密封以固定传感器，同时稳定整个航行体的质心。金属外壳头部固定在航行体内部，尾部有外六角螺纹，将单轴传感器固定在航行体轴向位置。尼龙封盖螺纹处安置有橡胶垫片对金属外壳进行隔水密封，可以使得整个测试装置在水里浸没12个小时以上不渗水。
PCB板为双面板形式，正面为三轴加速度传感器、主控芯片、存储芯片、电源芯片、自恢复保险丝、2*3P弯插排针以及三个功能按键。背面有滑动开关、LED指示灯和电池仓。
结合图3，所有电子元器件均排布于一块1980mil*775mil的PCB板框上，其中PCB为双面布线，两面铺铜均接地，以主控芯片所在一面为正面，电池仓所在一面为背面。板框正面分布了主控芯片STM32F103C8T6、三轴加速度传感器ADXL375、随机存储器FM25V10、低压差线性稳压器AMS1117-3.3和三个功能按键SW1、SW2、SW3。其中，SW1对应了串口通信功能，在上电后按下SW1，系统即停止传感器数据的采集，开始等待上位机的相关指令。SW2对应了复位功能，按下SW2后，系统初始化，进入低功耗休眠模式并等待外部冲击信号唤醒。SW3对应数据清除功能，按下SW3后，FRAM中的数据被清空，等待下一次写入。板框背面是两个串接的BS-12-B2AA002卧式电池底座，可安装两片CR1220纽扣电池，为整个系统提供6V的电压输入。在底部排针的对应位置为TS-1101滑动开关，开关的左右两侧对称放置了两个白光LED指示灯，根据亮灭情况和光线强度判断供电来源和电池电量，其中，左侧灯亮为电池供电，右侧灯亮为外接电源供电。
主控芯片与所有模块相连。其中，三轴加速度传感器通过4线SPI连接了主控芯片的SPI1，其中断输出INT1、INT2连接了主控芯片的两个用作外部中断检测的GPIO口；铁电存储器FM25V10通过4线SPI连接了主控芯片的SPI2；功能按键SW1、SW2、SW3分别连接在主控芯片的两个GPIO口和一个NRST低电平复位口。在主控芯片附近是频率分别为8MHz和32.768KHz的晶振。底部为两个2*3P弯插排针，排针的管脚分别对应外部电源VCC、GND，通信串口TXD、RXD，程序烧录接口SWCLK、SWDIO。此外，AMS1117-3.3电源芯片一端连接供电输出端，中间串接了自恢复保险丝避免系统短路损坏器件，另一端输出3.3V电压，为所有3.3V模块供电。
所述三轴加速度传感器为ADXL375，量程±200g，采用14引脚小型LGA封装，在16位数据分辨率下的测量精度可达12.2mg/LSB，采样频率最高3200Hz。用于持续记录航行体运动过程中的加速度数据。所述三轴加速度传感器通过4线SPI(Mode 0)与主控芯片连接，除SDO引脚为10kΩ电阻下拉接地外，另外三个引脚(SDI、CS#、SCL)均为10kΩ电阻上拉。持续读取传感器数据。其中断引脚INT1、INT2分别接于主控芯片的GPIO口，用于冲击中断唤醒。
FM25V10铁电存储器(FRAM)，相较于Flash存储，FRAM是一种随机存储器，其读写速度接近DRAM，且不需要擦除操作。FM25V10拥有8*128KByte的存储空间，采用SPI协议直接访问内存地址。存储芯片通过4线SPI(Mode 0)与主控芯片的另一组SPI接口直接相连，其中CS#引脚通过10kΩ电阻上拉并连接PB14管脚，另外三个引脚(SDI、CS#、SCL)分别连接PB15、PB12、PB13
所述电源芯片为低压差线性稳压器AMS1117-3.3；所述高电压自恢复保险丝为BSMD1206。保险丝连接一个肖特基二极管SS12后接入所述电源芯片的输入端，同时并联两个10μF陶瓷电容用于去噪，所述保险丝另一端与电源输出直接相连。
所述按键为轻触开关TS-1101；按键分别连接主控芯片的两个GPIO口和一个NRST外部复位口，通过软件程序使得三个按键能够完成对应的功能。
所述滑动开关为CL-SB单刀双掷开关，两个不动端分别连接电池和供电的排针管脚，由此可以切换供电源。
所述电池仓为CR1220电池卧式底座BS-12-B2AA002。，CR1220电池标称电压3.0V，终止电压2.0V，额定容量为40mAh。本传感器串接两个CR1220电池为整个装置供电。
主控芯片通过程序优化低功耗模式，关闭CPU时钟和所有1.8V区域的时钟，仅通过一条外部中断线路唤醒；加速度传感器配置为低功耗休眠模式，同时开启单次冲击检测功能，通过外部冲击产生中断，唤醒主控芯片，进而初始化整个系统，并开始记录随后的数据。
结合图2，在上电后，系统进行首先进行自检，在确认各模块正常后开始进行初始化工作。包括SPI1、SPI2接口的配置，三个按键功能的初始化，串口初始化和传感器初始化。三轴加速度传感器根据在静止状态下测量出若干组数据，取平均后作为校准偏差值写入偏移寄存器内作为零点校正数据，随后主控芯片设置传感器输出速率为3200Hz，配置单次冲击触发阈值并进入低功耗休眠状态。最后，初始化所有GPIO口，并开启PWR外设，进入停止模式(Stop)。进入停止模式下的STM32可以被任一外部中断唤醒，包括按键中断和传感器中断。进入传感器中断后则立刻唤醒所有功能，开始记录当前传感器的数据，并随即写入FRAM存储。得益于FRAM的随机读写能力，读写过程非常快，STM32可以从容的切换两个SPI口进行输入和输出。考虑到电池供电和FRAM容量，整个数据采集过程持续3s后结束，系统重新进入休眠状态。
本系统的加速度数据为16位二进制补码形式，采样频率3KHz，单次数据量为6Byte，则每秒需要存储的数据量为18KByte，3s内总数据量约为54KByte。采用容量较小但读写速率较高的FRAM即可。连接上位机读写数据时，在通电之后，直接按下SW1，此时系统中断对传感器信号的接收，等待串口指令的输入。串口指令一共有两种，分别为“读取(#READ)”和“擦除(#CLEAR)”。输入“读取”指令后，主控芯片读取FRAM中一定长度的数据并通过串口发送至上位机；输入“擦除”指令后，主控芯片将FRAM中的数据清除。
航行体初始安装在多级加速发射装置内，以垂直姿态向静水面发射。在航行体发射瞬间，传感器冲击监测捕捉运动，随即唤醒所有模块并开始实时记录加速度数据、写入存储。航行体先在膛内进行加速运动，随后出膛在空气中飞行，之后撞击水面发生空化，随后持续减速直至到达底部，至此完成一组完整的发射-飞行-入水过程。如图4，整个过程中的加速度数据被完整记录，如图5所示，并通过多组重复性实验验证数据准确性。
本申请的弹载数据记录仪基于小体积低成本三轴加速度传感器开展，可监测航行体运动和冲击过载(±200g)，以及入水后的航行体尾拍运动。该记录仪通过航行体发射触发，采样频率为3KHz，可承受高冲击高过载。跨介质弹载记录仪在安装后用聚氨酯发泡剂填充弹载仓空隙。进行灌封保护，提高抗冲击能力的同时减小自身振动带来的影响。
以上所述仅为用于描述本发明的较佳实施例，并非对本发明的技术范围做出任何限制，故所有依据本发明的技术实质对以上实施例所作出的任何细微修改或等同变化，均属于本发明的技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，包括外壳、封盖、PCB板；其特征在于，
所述外壳内刻有两条导向槽，用于固定PCB板，并通过封盖隔水密封；
所述PCB板为双面板形式，正面为三轴加速度传感器、主控芯片、存储芯片、电源芯片、自恢复保险丝以及三个功能按键；背面有滑动开关和电池仓；
所述电池仓用于安装纽扣电池，为整个装置供电；
所述三轴加速度传感器与主控芯片连接，除SDO引脚为电阻下拉接地外，另外三个引脚均为电阻上拉；
所述存储芯片与主控芯片连接，其中CS#引脚通过电阻上拉，另外三个引脚与单片机的对应通信引脚直接连接；
所述电源芯片与主控芯片连接，所述自恢复保险丝连接一个肖特基二极管后接入所述电源芯片的输入端，同时并联两个电容用于去噪，所述自恢复保险丝另一端与电源输出直接相连；
三个功能按键分别连接主控芯片的两个GPIO口和一个NRST外部复位口，其中，功能按键SW1对应了串口通信功能，在上电后按下功能按键SW1，即停止传感器数据的采集，开始等待上位机的相关指令；功能按键SW2对应了复位功能，按下功能按键SW2后，初始化，进入休眠模式并等待外部冲击信号唤醒；功能按键SW3对应数据清除功能，按下功能按键SW3后，存储芯片中的数据被清空，等待下一次写入；
所述滑动开关为单刀双掷开关，两个不动端分别连接电池和供电的排针管脚，以切换供电电源。
2.根据权利要求1所述的适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，其特征在于，所述滑动开关左右两侧对称放置了两个白光LED指示灯，根据亮灭情况和光线强度判断供电来源和电池电量，其中，一侧灯亮为电池供电，另一侧侧灯亮为外接电源供电。
3.根据权利要求1所述的适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，其特征在于，所述三轴加速度传感器通过4线SPI连接了主控芯片的SPI1，其中断输出INT1、INT2连接了主控芯片的两个用作外部中断检测的GPIO口。
4.根据权利要求1所述的适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，其特征在于，所述存储芯片通过4线SPI与主控芯片的另一组SPI接口直接相连。
5.根据权利要求1所述的适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，其特征在于，所述存储芯片为FM25V10铁电存储器。
6.根据权利要求1所述的适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，其特征在于，所述电源芯片为低压差线性稳压器AMS1117-3.3；所述自恢复保险丝为BSMD1206。
7.根据权利要求1所述的适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，其特征在于，所述电池仓为CR1220电池卧式底座BS-12-B2AA002。
8.根据权利要求1所述的适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，其特征在于，在上电后，首先进行自检，在确认正常后开始进行初始化工作；三轴加速度传感器根据在静止状态下测量出若干组数据，取平均后作为校准偏差值写入偏移寄存器内作为零点校正数据，随后主控芯片设置传感器输出速率，配置单次冲击触发阈值并进入休眠状态；最后，初始化所有GPIO口，并开启PWR外设，进入停止模式；进入停止模式下的主控芯片能够被任一外部中断唤醒，包括按键中断和传感器中断；进入传感器中断后则立刻唤醒所有功能，开始记录当前三轴加速度传感器的数据，并随即写入存储芯片；整个数据采集过程持续3s后结束，重新进入休眠状态。
9.根据权利要求1所述的适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，其特征在于，外壳内部空隙通过注入发泡剂或是灌入环氧树脂密封。
10.根据权利要求1所述的适用于跨介质航行体的低功耗弹载记录装置，其特征在于，所述三轴加速度传感器为ADXL375，量程±200g。
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN118112970A true CN118112970A (zh) | 2024-05-31 |
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