《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電磁軌道炮過載測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
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
摘要： 針對(duì)一般的用于瞬態(tài)參數(shù)測(cè)試的電子儀器設(shè)備在強(qiáng)電磁干擾的影響下無法正常工作的問題,，設(shè)計(jì)了一種能夠有效屏蔽強(qiáng)電磁干擾的膛內(nèi)過載測(cè)試裝置。該測(cè)試裝置的殼體結(jié)構(gòu)采用多層電磁屏蔽性能良好的金屬材料制做而成,，結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用聚氨酯灌封工藝進(jìn)行填充,。內(nèi)部電路系統(tǒng)結(jié)合低功耗設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)技術(shù)，完成整個(gè)飛行過程中過載參數(shù)的采集與記錄,。在電磁軌道炮實(shí)彈測(cè)試試驗(yàn)中,，測(cè)試裝置可靠地記錄了彈丸的過載數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,，該測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)外殼對(duì)強(qiáng)電磁場(chǎng)起到了有效的電磁屏蔽,，內(nèi)部電路系統(tǒng)得以成功獲取彈丸的瞬態(tài)過載參數(shù)。
中圖分類號(hào)： TP274+.2
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181575
中文引用格式： 馬子光，馬游春,，孫宇夢(mèng). 電磁軌道炮過載測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2018，44(12)：51-54.
英文引用格式： Ma Ziguang,，Ma Youchun,，Sun Yumeng. Design of overload test system for electromagnetic rail gun[J]. Application of Electronic Technique，2018,，44(12)：51-54.
Design of overload test system for electromagnetic rail gun
Ma Ziguang1,，2，Ma Youchun1,，2,，Sun Yumeng1，2
1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,，North University of China,，Taiyuan 030051，China,； 2.Key Laboratory of Instrument Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education,， North University of China，Taiyuan 030051,，China
Abstract： In view of the problem that the general electronic instrument and equipment used for transient parameters testing can not work normally under the influence of strong electromagnetic interference, an overload testing device which can effectively shield the strong electromagnetic interference is designed. The shell structure of the testing device is made of multilayer metal materials with good electromagnetic shielding performance, and the internal structure is filled with polyurethane filling technology. The internal circuit system combines low-power design and data acquisition and storage technology to complete the acquisition and recording of overload parameters during the whole flight process. In the actual firing test of electromagnetic railgun, the test device reliably recorded the overload data of the projectile. The result of the experiment shows that the shell structure of the test device has effective electromagnetic shielding for strong electromagnetic fields,，and the internal circuit system has successfully acquired the transient overload parameters of the projectile.
Key words : electromagnetic rail gun；electromagnetic shielding,；overload test

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ES（或磁場(chǎng)強(qiáng)度HS）的比值,，以dB作為單位[5-6]：

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    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。

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    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。

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    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。

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2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

    過載測(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,。

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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,。

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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。

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    低功耗設(shè)計(jì)的工作過程為：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。

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    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,。

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4 系統(tǒng)測(cè)試

    過載測(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,，該過載測(cè)試裝置能夠完成高過載參數(shù)的采集。

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    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,。過載測(cè)試裝置測(cè)得電磁炮彈丸在發(fā)射過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)境下過載參數(shù)的采集與存儲(chǔ)。

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5 結(jié)束語(yǔ)

    本文設(shè)計(jì)的電磁軌道炮膛內(nèi)過載測(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）

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