0 引　言

现代化战争中，制导武器发挥着越来越大的作用。随着技术的发展，小型化、智能化制导武器是现在国内外武器的发展方向和研究重点^[1]。现今在相对体积较大的常规弹中，如火箭弹，智能化理论得到了验证^[2]，但是如何将智能弹药推广到小型弹药应用中，仍旧没有实现质的突破。我国小型常规弹药智能化研究取得了一些进展^[3-4]，但是由于环境、自身结构和应用测试技术水平限制，难以准确获取制约后续技术改进所需的弹体运行参数等飞行姿态信息^[5]，延迟了精确制导功能的实现，影响了小型旋转弹智能化研发进程。

小型旋转弹弹体飞行参数的测试之所以难以实现，主要有以下5个方面的原因：1）高过载、高温等恶劣工作环境，系统工作可靠性保障困难^[5]；2）弹体体积过小，能够提供测试系统功能单元搭载空间有限^[6]；3）小型旋转弹射速快，飞行速度高，过程变化复杂，所需测试飞行参数的功能单元多；4）系统启动测试准备时间不确定，以及测试系统回收时间长，对信息数据存量需求相对较大^[7]；5）有效信息测试工作时间短，伪信息测试时间长，有效信息提取困难^[8]。

针对以上问题，利用现代系统分离保护技术、FPGA（现场可编程门阵列）可变分区存储技术和上位机信息交互技术，开发了一种小型旋转弹飞行参数测试系统。

1 测试系统工作原理

研制的小型智能旋转弹测试系统主要用于记录射弹飞行姿态参数信息，由FPGA主控模块、信号调理模块、flash存储模块和信息交互模块等组成。

测试系统的工作原理如图1所示，首先将需要采集的外界数据信息通过信号调理模块转换成数字信号；其次在外界控制指令导引下由FPGA主控模块发送到flash的存储模块中储存下来；然后在测试系统收回后，连接上位机，由信息交互模块读取记录数据，并提取有效测试信息，为后续小型智能弹的设计与改进提供依据。

2 测试系统硬件设计 2.1 系统隔离分区防护结构设计

弹载测试系统由于工作环境非常恶劣，测试过程系统要承受高达30 000 g的载荷，同时弹体可用于搭载测试单元的空间直径在50 mm以下，长度不足60 mm。要在如此狭小空间内保障惯性传感器组合系统的正确安装与稳定工作，需对测试系统从结构方面进行防护。因此该测试系统采用了分区隔离的系统防护结构设计，如图2所示，数据采集存储控制电路部分和供电部分在上层分开配置，底层为测试传感器组合单元，包含多个MEMS传感器。

采用分区隔离防护设计，在保障功能单元互通的同时，能够减弱单一部分破坏对系统其他部分产生的影响。同时这种设计便于分区灌封，可以在有限的空间内提供防护，减弱外界过载对系统的影响。

2.2 FPGA主控模块设计

FPGA模块主控芯片采用的XILINX公司的SPANTAN6系列芯片为SRAM（静态随机存储器）结构^[8]，会掉电丢失信息，因此，需要给芯片提供相应的配电单元。这样可能加大电路的占用空间，但是可以提供较大的余量，为FPGA实现相对较为复杂的操作提供了可能。

2.3 A/D采集模块设计

由于弹载测试系统需要记录和采集5路惯性传感器的模拟信号和8路舵机控制模拟信号，且由于舵机控制模拟信号采集电压与惯性传感器模拟信号电压相差4倍，因此该系统需采用双片AD7606^[9]，通过加装分压电阻进行分压，才能实现模拟量的有效采集^[10]。

2.4 flash存储模块设计

由于搭载空间有限，测试系统采用三星公司的1GB数据存储芯片K9K8G08U0E^[11]，该芯片具有体积小、稳定性好、抗过载高的特点，可以满足弹载测试数据存储要求^[12]。芯片flash存储模块电路如图3所示，该模块通过外部3.3 V供电，直接由FPGA控制读写，配置电阻电容较少，节约空间。

2.5 信息交互模块设计

测试系统采用了以FT245BL芯片为核心的交互模块，如图4所示。该模块有自身独立的时钟模块，同时通过USB接口供电，相对与系统隔离，能够作为独立的单元进行操作；可以直接通过转接线与电脑进行信息交互，相对于需要多接口的传统读数设计，简化了读取过程的操作流程，提升了系统的可操作性。

3 测试系统软件设计

由于测试系统采用flash存储模块，其存储磁盘一般采用静态分区的方法，即在不分区或固定分区的基础上对实验数据进行存储。其优势在于磁盘不分区可以最大程度上使用测试系统的存储空间；而磁盘固定分区可以多次启动测试，提高了弹药发射后测试成功率。

但是由于抗过载防护等原因，需将测试系统闭起来，测试启动一旦触发就无法暂停，信息将存满整个分区空间。磁盘不分区只能满足测试一次，当被试弹延期发射时，由于过早启动测试系统会出现磁盘存满而无法继续存储信息现象；固定分区虽能增加测试启动次数，但由于磁盘的固定分区，导致磁盘存储能力降低，会出存储空间利用率低的现象。这样势必导致资源浪费，降低测试成功率，提高测试成本。

为了弥补上述缺陷，提高系统测试成功率，引入计算机存储中常用的可变（动态）分区设计理念，实现多次启动测试系统的同时，提升系统的存储空间的利用率，保证系统工作的可靠性。

3.1 flash可变（动态）分区存储设计

测试系统的flash存储模块，采用可变分区的存储方法，其存储流程如图5所示。首先，通过外部控制信号触发电源模块的芯片，系统开启，FPGA开始工作；FPGA读取配置芯片中的flash地址信息，若地址信息为非停止信息，开始采集工作，记录传感器的测试数据信息。其次通过外部控制可以产生停止信息，停止采集工作，同时系统可以在配置芯片中记录flash数据的停止地址，存储到配置芯片中为下次启动做准备。如果系统再次接收到外部触发控制信号，系统再次开启，读取更改后存入配置芯片的flash地址信息，在该地址后进行数据存储。当再次遇到外部的停止采集信号时，系统将在配置芯片中记录flash数据的停止地址，等待外部的触发信号。这样可实现多次启动测试系统，并提高系统的存储空间利用率。

3.2 上位机信息交互设计

弹载测试有效数据采集时长相对较短，一般在1min以内，但是由于射程、环境等因素要找到测试系统，一般是1d以后，甚至更长，这时测试系统已经记录了大量数据，同样读取数据也要耗时很长，且绝大多数的实验数据为无效实验数据。为解决这一问题，曾提出固定系统工作时间从而减少数据量的设计方案。该方案可以缩短实验数据的提取时间，但是由于发射前准备时间不确定，与测试系统须提前触发工作相冲突，会发生遗漏重要的测试数据的现象。因此，本测试系统采用一种上位机信息交互技术来读取测试数据。其读取信息的方法如图6所示，上位机接收到读取命令，读取配置芯片中的结束位地址信息，将从起始位地址到结束位地址之间的数据进行十等份分段，需人为选择具体分段，通过FPAG主控芯片对从记录flash地址有效数据所在区间进行读取，可以直接从存储数据中截取有效数据段，节约读取时间。

这种上位机信息交互技术，可以解决弹载测试时间相对较长导致数据读取过程相对较长的问题，从而提高整体测试效率。

4 实验验证

为了保证系统的工作可靠性，系统先后进行了冲击过载测试、精度转台验证试验和实际弹载测试。

4.1 冲击试验测试

为了验证系统的抗过载性能是否达标，采用马歇特落锤仿真模拟高过载环境，对测试系统可靠性进行冲击测试。马歇特落锤可提供高达30 000 g载荷，完全满足过载测试要求；但由于一次冲击时间较短，故对系统进行了8次连续冲击，以达到测试冲击时长要求。

经冲击试验后，所开发的测试系统完好无损，而且顺利完成了后续的转台误差精度试验和靶场实弹射击参数记录测试，验证了测试系统具备高过载环境下生存能力，为系统在高过载环境下完成射弹动态参数测定提供了可靠保障。

4.2 系统精度转台验证试验

首先将测试系统固定在GDL3-WD-ZB三轴角速率转台上；其次通过转台为测试系统提供100°/s、200°/s、300°/s和400°/s等标准激励转速，并启动X、Y、Z 3个转速陀螺仪测量转台转速；最后，将X、Y、Z 3个转速陀螺仪实际测量输出转速与转台标准激励转速进行误差比较，判断测试系统测试精度。

陀螺仪测量的转速输出如表1所示。对测试结果进行误差分析，得如图7所示精度分析图，可以看出3个陀螺仪的测试转速与真实转速的误差关系。因X轴陀螺仪是大量程陀螺仪，相比于量程较小的Y、Z轴陀螺误差较大，但是随着转速增高误差有减小的趋势，且总体误差率不超过1.5%。Y、Z轴陀螺仪误差有变大趋势，但是在其量程范围内总体误差率不超过1.0%，满足陀螺仪精度误差率小于3%范围要求。说明测试系统在经高过载的冲击试验后，仍能保持高的测试精度，进一步验证了测试系统及其惯性元器件工作可靠性，为后续射击实验测试获取真实有效数据提供有利保证。

4.3 靶场实弹试验测试

该系统进行了多次的某型小型高旋智能弹弹载测试，成功捕获了传感器模拟量和数字量数据。所得一组X轴陀螺仪测试实验数据如图8所示。

实验证明，系统在高达53 rad/s的高转速环境下仍可以稳定工作，同时传感器可以捕获有效数据，说明该测试系统稳定可靠、设计方案可行，满足工程实验要求。

5 结束语

利用结构隔离分区保护技术、FPGA可变分区存储技术以及上位机信息交互技术，开发的型智能旋转弹测试系统，通过了冲击过载测试、转台精度试验和实际弹载测试，验证了系统能够满足各项规定测试指标。系统可以实现在高达30 000 g的高过载和53 rad/s的超高转速复合环境下实现数模混采功能，可以支持连续采集，同时通过与上位机信息交互技术缩短有效数据提取时间。本系统可以广泛应用到小型高速、高过载的旋转弹的测试工作中，为小型智能旋转弹飞行参数有效获取提供技术支撑，并为小型弹的智能化发展提供测试基础，具有一定的工程实用价值。