（通信与信息系统专业论文）空投重物、伞兵跳伞过载测试装置的设计与实现.pdf

摘要 空投重物和伞兵伞在开伞、着陆过程中均会因受冲击而发生过载现象，过载 是评价降落伞性能的重要参数之一。伞兵伞开伞过载是指在伞充气张开的过程 中，作用时间在1 秒以内作用于人体的冲击性加速度。开伞和着陆冲击力是一种 瞬时冲击力，如果人体受到冲击力过大，超过人体生理所能承受的极限时，会对 组织、器官等造成损伤，重则可能导致死亡。人体着地时的冲击力大小取决于坠 落的高度，高度越高，速度越快，着陆时人体对地面的冲击力就越大，地面对人 体的反作用力也就越大，从而更易造成损伤。伞兵伞开伞的过载值是体现伞性能 和人体耐受能力的重要指标。在跳伞开伞和着陆时，要预防冲击过载对人体所造 成的损伤，必须知道过载值的大小。 本文设计了一套高精度，高速度，大容量，低功耗，方便灵活，便于携带的 伞兵伞开伞、着陆过载测试系统，要求对伞兵伞开伞、着陆过程中发生的过载进 行实时、准确、全面的测量；并根据实际测得的数据对伞兵伞投放过程进行仿真， 还原投放过程中伞兵在伞作用下的空中行为。目的在于测量在跳伞训练过程中人 体所受到的冲击力大小，以及其影响因素，期望为进行科学的跳伞训练、防止或 减少人员损伤提供可靠的实验数据，能对评价降落伞性能提供重要的参考依据， 能对降落伞的材料选择及制造工艺有一定的指导作用。 过载测试装置采用加速度传感器测量法来测量过载。总体设计采用双单片机 结构：从单片机采用a v r 单片机a t m e g a 8 ，其主要负责对3 2 5 5 加速度传感器 数据的采集和处理，把传感器输出的电压值转换为加速度值，并把加速度值通过 串1 3 发送给主单片机；主单片机采用a t m e g a l 2 8 ，负责把从单片机采集的数据 存储到s d 卡。数据采集完毕后通过u s b 把数据以文件的方式传给计算机，计 算机通过过载测试分析软件对采集的加速度数据进行分析，并绘出过载曲线图， 标出过载值。根据实测数据对整个跳伞过程的仿真可方便的观察伞兵在降落伞作 用下的空中行为，减少空投次数，节约人力、物力、财力。 关键字：跳伞过载，加速度传感器，s d 卡，f a t 3 2 ，u s b a b s t r a c t d u r i n gt h ea i r d r o p p e dw e i g h t ，p a r a t r o o p e r so p e n i n gt h ep a r a c h m eo rl a n d i n g ，i t w i l lo c c u ro v e r l o a dw h i c hw o u l dd u r et ot h ef o r c eo f i m p a c t e v a l u a t i o no fo v e r l o a d i so n eo ft h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h ep a r a c h u t ep e r f o r m a n c e s o v e r l o a do ft h e o p e n i n go fp a r a c h u t er e f e r st ot h ep r o c e s so fo p e ni n f l a t i o n ，i n1s e c o n d ，t h er o l eo f t h ei m p a c to fa c c e l e r a t i o no nt h eh u m a n b o d y p a r a c h u t ea n dt h el a n d i n gi m p a c ti sa n i n s t a n t a n e o u si m p a c t ，i ft h i si m p a c ti st o ol a r g ew h i c ho v e rt h ep h y s i o l o g i c a ll i m i t s h u m a nc a r lb e a r , i tc o u l dd a m a g eh u m a n st i s s u e sa n do r g a n s ，w o r s em o r ei tc o u l d c a u s ed e a t h t h ei m p a c to np e o p l ew h e nh ei s g r o u n d i n gd e p e n d so nt h ef a l lh e i g h t ， t h eh e i g h ti sh i g h e r , t h es p e e dw i l lb em o r e r a p i d l y , t h ei m p a c tw i l lb em o r es t r o n g l y , a n di tc o u l dm a k em o r ed a m a g e o v e r l o a do ft h e o p e n i n go fp a r a c h u t ei so n eo ft h e i m p o r t a n tp a r a m e t e r sb o t hi n e v a l u a t i n g t h ep e r f o r m a n c eo fp a r a c h u t ea n dt h e t o l e r a n c eo fh u m a n w em u s tk n o wt h ev a l u eo ft h es i z eo fo v e r l o a dw h e np a r a c h u t i s t i so p e n i n gt h ep a r a c h u t eo rl a n d i n gt op r e v e n tt h e i m p a c to fo v e r l o a da n dd a m a g eo n t h eb o d y t h i st h e s i sd e s i g n e das e to fh i g hp r e c i s i o n ，h i g hs p e e d ，l a r g ec a p a c i t y , l o w p o w e rc o n s u m p t i o n ，a n dp o r t a b l et e s t i n gs y s t e mf o ro v e r l o a do p e n i n ga n dl a n d i n go f p a r a c h u t e ，d i dr e a l - t i m e ，a c c u r a t e ，c o m p r e h e n s i v em e a s u r e m e n tt oo v e r l o a do f p a r a c h u t eo p e n i n ga n dl a n d i n g , a n ds i m u l a t e dt h ep r o c e s so fp a r a c h u t et h r o w i n a c c o r d i n gt ot h ea c t u a ld a t af r o mt e s t i n g ，r e s t o r e dt ot h eb e h a v i o ro fp a r a t r o o p e r si n t h ea i rw h e nt h r o w i n gi nu n d e rt h ep a r a c h u t e i ta i m e da tm e a s u r i n gt h ep a r a c h u t e t r a i n i n gc o u r s ei nt h eh u m a nb o d yb yt h ei m p a c tf o r c es i z e ，a n dt h e i ri m p a c tf a c t o r s ， e x p e c t a t i o n sf o rt h ec o n d u c to fs c i e n c ei nt h ep a r a c h u t et r a i n i n g , t op r e v e n to rr e d u c e p e r s o n n e li n j u r y i tp r o v i d e dr e l i a b l ee x p e r i m e n t a ld a t aw h i c hc a l lp r o v i d ei m p o r t a n t p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fp a r a c h u t er e f e r e n c e ，c a na p p l ys o m eg u i d a n c ef o rt h e p a r a c h u t em a t e r i a ls e l e c t i o na n dm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s e s o v e r l o a dt e s t i n gd e v i c eu s e dt o u s i n gt h ea c c e l e r a t i o ns o l l s o ta st h eo v e r l o a d m e a s u r e m e n t d e v i c ea d o p t e dd u a l - s i n g l ec h i ps t r u c t u r e ：u s e dt h ea v rs i n g l ec h i p a t m e g a 8a s t h es u b o r d i n a t es i n g l e c h i p ，r e s p o n s i b l ef o rd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n go f3 2 5 5a c c e l e r a t i o ns e n s o r i tc o n v e r t e dt h es e n s o ro u t p u tv o l t a g ev a l u et o a c c e l e r a t i o nv a l u ea n ds e n tt h ea c c e l e r a t i o nv a l u e st h r o u g ht h es e r i a l p o r tt ot h e m a s t e rp r o c e s s o r ；u s e da t m e g a l2 8a st h ep r i n c i p a ls i n g l ec h i p ，r e s p o n s i b l ef o r s t o r a g eo fd a t ac o l l e c t e db yt l l e s u b o r d i n a t es i n g l ec h i pt os dc a r d a r e rd a t a a c q u i s i t i o nt r a n s m i t t e dt h e mt oc o m p u t e ra sf i l e sv i au s bp o r t t h e nt h ec o m p u t e r a n a l y z e dt h ea c c e l e r a t i o nd a t at h r o u g ha n a l y z i n gs o f t w a r eo fo v e r l o a dt e s t i n g ，a n d d r e wt h eo v e r l o a dc u r v e ，m a r k e dt h eo v e r l o a dv a l u e a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dd a t a f o rt h ew h o l ep r o c e s so ft h es i m u l a t i o nw ec o u l do b s e r v et h eb e h a v i o ro fp a r a t r o o p e r s i nt h ea i ru n d e rt h ee f f e c to fp a r a c h u t e sc o n v e n i e n t l y , r e d u c et h en u m b e ro fa i r d r o p ， s a v em a n p o w e r , p h y s i c a la n df i n a n c i a lr e s o u r c e s k e y w o r d s ：p a r a c h u t eo v e r l o a d ，a c c e l e r a t i o ns e n s o r , s dc a r d ，f a t 3 2 ，u s b 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特- 另l j j j l l 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签 名：社日 期：玉丛盟 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学 位论文的全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印 或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学 认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社 会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) 印纠 导师( 签名) 代西衙日期 武汉理丁大学硕士学位论文 1 1 过载测试的背景 第1 章绪论 跳伞是一种高节奏性及高危险性的训练，跳伞人员在跳伞过程中会受到心 理和各种外界环境因素( 如噪声、振动、温度、重力加速度及冲击过载等) 应激源 的刺激，导致他们处于一种高度紧张的应激状态。在跳伞的整个过程中开伞和 着落的过载冲击对人体的危害最大。开伞和着陆冲击力是一种瞬时冲击力，如 果人体受到的冲击力过大，超过了人体生理所能承受的极限时，就会对人体的 组织、器官等造成损伤，重则可能导致死亡。在跳伞开伞和着陆时，要预防冲 击过载对人体所造成的损伤，就必须知道过载值的大小。开伞和着陆冲击过载 可以使用多种方法测量或估算。在这方面对跳伞员训练进行实测的报告很少， 并且一般都未报告跳伞着陆时的冲击过载实测大小【l 】。 跳伞开伞和着落的过载冲击是引起跳伞人员损伤的直接因素。在跳伞着陆 过程中，人体的运动情况直接影响着陆冲击力的大小，以及该冲击力在人体上 的分布。目前用于对跳伞着陆冲击过载的分析方法均依赖于实验提供的人体运 动状态参数，该方法不能满足大多数情况下的着陆冲击分析要求【2 】。在实际跳伞 着陆过程中，由于受到着陆现场条件、跳伞者身体及心理素质等多种不确定因 素的影响，跳伞者在着陆时的运动状态很复杂。在跳伞着陆过程中，跳伞者姿 势对人体各关节承受的着陆冲击力大小有很大的影响，因此，各国都十分重视 跳伞者的着陆姿势。目前，我国和俄罗斯采用半蹲式，而英国和美国则采用侧 滚式和前滚翻式。侧滚式姿势的缓冲能力要比半蹲式姿势的缓冲能力大很多， 因此采用侧滚式姿势着陆时的冲击过载比半蹲式姿势着陆时的值要小很多【3 】。当 采用侧滚式姿势着陆时，下肢各关节呈旋转运动，这种运动对相关的肌肉、韧 带松驰都很有利，也有利于降低这些结构之间的强度，进而促使肌肉等弹性材 料的应变而对吸收冲击能量的能力增加，从而发挥更大的缓冲作用，使各关节 承受的冲击过载减小。因此在跳伞着陆时，采用侧滚式姿势优于半蹲式姿势， 更能减小人体承受的冲击过载。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 国内用于对降落伞开伞和着陆过载测试的系统主要有两类：一类是使用压 力传感器直接记录( 机械测量) ；另一类是利用加速度传感器进行数据采集，显示 过载参数( 电测量) 。采用机械测量原理的过载测试仪有d f 1 型和d f 2 型过载自 记仪，由于机械测量的工作频率低，基本都不大于3 0 h z ，在记录快速变化的加 速度值时会出现数据丢失的现象，基于这一重大缺陷，正逐步被电测系统所取 代。目前应用广泛的电测系统有d c 1 电测系统，d c 1 电测系统是一种经济、 实用、体积小、安装简便、携带方便和维护操作简单的测试设备，一般用于开 伞频率比较低的回收伞和阻力伞的测试。在降落伞过载测试方面应用较为广泛 的还有基于8 0 5 1 单片机的数据采集器，它可对多路传感器进行采集，采样频率 较高，信号经处理后存储在f l a s h 存储器中。测试试验完毕后，取出数据采集器， 通过通讯接口连接到计算机，将数据送至计算机进行数据处理，通过表格或曲 线方式显示过载曲线。该系统虽然成本低、体积小、携带方便，但是由于数据 存储器存储的容量有限，总采样时间过短，不能采集降落伞投放整个过程中的 数据，同样会造成数据丢失的现象。 国外的一些研究人员为了获得降落伞开伞和着陆过程中的相关数据，采用 了模拟试验的测量方法【3 】。他们制作了许多成比例缩小的、携带多种传感器包裹 的降落伞模型，并在建筑物上做投放试验。这些模型在形状、大小、重量、伞 绳长度和使用的传感器类型上呈一定规律变化。在投放实验时，有高速照相机 对整个过程进行拍照。然后利用所拍的多组照片与降落伞传感器采集的数据进 行对照，以此得到投放过程中降落伞的旋转角度、摆动振幅、下降速率等的对 应关系。美国首都航空公司l e o n a r dj o h n 和w i t t e n d o e r f r 在论证新型降落伞标准 的最大允许速度的观点时，也做了大量模拟降落伞着陆的测试，对降落伞开伞 和着陆的过载现象也做了大量相关的计算机模拟仿真工作。h e i n r i h c h g 、 s a a r i d v a 建立了降落伞系统过载的计算机仿真软件，用以模拟降落伞下降过程中 的运动轨迹和动态行为，：用于计算开伞和着陆过载指标【4 】。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 本课题的研究意义 本次研究任务是设计一套高精度，高速度，大容量，低功耗，方便灵活， 便于携带的伞兵伞开伞、着陆过载测试装置，要求对伞兵伞开伞、着陆过程中 发生的过载进行实时、准确、全面的测量；并根据实际测得的数据对伞兵伞投 放过程进行仿真，还原跳伞过程中伞兵的空中运动过程。目的在于测量在跳伞 训练过程中人体所受到的冲击力大小，以及其影响因素，期望为进行科学的跳 伞训练、防止或减少人员损伤提供可靠的实验数据，能对评价降落伞性能提供 重要的参考依据，能对降落伞的材料选择及制造工艺有一定的指导作用。 空投重物和伞兵伞在开伞、着陆过程中均会发生过载现象，过载是评价伞 兵伞性能的重要参数之一。一般认为冲击性加速度或过载对人体的影响与持续 性加速度不同，它不仅引起血液动力学改变，也引起短暂意识丧失或各种组织、 器官等的损伤。其影响的程度除了与冲击过载峰值、作用时间、过载速率3 个 基本参数有关外，还与冲击作用的方向、人的位置、束缚状况等因素有一定关系。 人体着地时的冲击力大小取决于坠落高度，高度越高，速度越快，着陆时人体 对地面的冲击力越大，地面对人体反作用力也就越大，从而易造成损伤【5 】。伞开 伞过载是伞充气张开过程中通过伞背带系统作用于人体的冲击性加速度。作用 时间在1 秒以内，作用方向基本上沿人体脊柱方向。本装置将为评价降落伞性 能提供重要的参考数据，并对降落伞的选材及制造工艺有一定的指导作用；根 据实测数据对整个跳伞过程的仿真可方便的观察伞兵在降落伞作用下的空中行 为，减少空投次数，节约入力、物力、财力。 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章过载测试的原理 跳伞开伞和着陆冲击过载测试的原理都是建立在对空中降落伞系统的运动 受力分析基础上。当物体或跳伞人员离机后，降落伞系统的运动为飞机的运动 和降落伞系统相对飞机运动的合成，总体上是一个在运载体运动方向上的变加 速直线运动。其运动形式为伞心的运动与物体绕伞心的摆动合成的复杂运动， 其中的各种运动参数如摆动角、角速度、运动速度等都是评价伞兵伞性能的重 要指标，也是动态仿真的重要基础。 2 1 降落伞系统的运动模型分析 假设降落伞系统在离机后，只受重力的影响，不考虑风速的影响及伞心与 物体的相对运动，选择地面坐标系o x y z 为参考坐标系。其受力分析如图2 1 所示。 图2 1 降落伞系统受力分析图 降落伞系统的受力动力学方程： f ， 以= g 一上( 2 1 ) 式中：b 一空气阻力； 他一降落伞系统总质量； 4 武汉理t 大学硕士学位论文 a ，一降落伞系统加速度。 a ，在0 l 的微端时间内可以看做恒定值，有运动学公式： lv x i + i = v x f = y 厂 1 v y i + l = v y i + a s i a t ( 2 - 2 ) 式中：y ，一降落伞系统速度； v x i 一降落伞系统在甜轴的速度； v y f 一降落伞系统在缈轴的速度。 则系统对地的合成速度v 与切向速度屹、降落伞系统屹的关系为： iv x = k + v z s i no 1 _ = + 屹c o s 9(2-3) 式中：匕一降落伞系统在似轴的速度； y v 一降落伞系统在o y 轴的速度。 已知降落伞系统速度v 厂，联立公式( 2 1 ) 、( 2 - 2 ) 、( 2 3 ) 即可计算出降落 伞系统的绝对速度。 2 2 跳伞过载测试的两种方案 2 2 1 加速度传感器测量法 加速度传感器的基本原理是建立在牛顿第二运动定律基础上，即质点动量 的变化率与所受外力成正比。当质点的质量为常数时，质点的加速度与受到的 作用力成正比。 ，= 百d d = 了d ( m v ) - - m 窘硼口 ( 2 4 ) d td td t z 其中m 一质点的质量； v 质点的速度； d 一质点的动量。 一般的加速度传感器结构都是由一个弹性构件和一个质量部分组成，当加 武汉理工大学硕士学位论文 速运动时，传感器的质量部分产生一个惯性力，使弹性构件发生形变：它将外 界的加速度转换成内部的机械变形量，在通过电气参数测量的元件将机械变形 量转化为电阻、电感、电容等的变化量，最后通过检测电参数的变化量来实现 对加速度的测量。硅微机械加速度传感器的结构中，弹性构件通常是很薄小的 硅悬臂梁【6 】。 所以加速度传感器可视为感受惯性力的质量一弹簧一阻尼谐振系统，如图2 2 所示。 图2 2 加速度传感器的力学模型 其中三个重要的参数为： 阻尼系数2 砌 ( 2 5 ) 夷敏度s ：丝：_ m ( 2 6 ) a 庀 谐振频率弄：旱 ( 2 7 ) 肥 、jk 其中k _ 弹簧常数； 加一质量： a _ 加速度； a d 一质量块变形量。 通过加速度传感器直接测量着陆时人体所受到的冲击过载，测量用压阻式 加速度传感器，量程为5 0 9 ，灵敏度l m v g ，测量前经振动台进行标定。在负 荷和不负荷条件下，被测人员以标准着陆姿势分别从0 5 、1 0 、1 5 _ 乖n 2 0 m 高的跳 台跳下，同时记录其冲击过载的波形，然后按标定值测量冲击过载加速度，再 按f = m a 计算冲击力大小【7 1 。 6 武汉理丁大学硕士学位论文 2 2 2 压痕深度测量法 压痕深度测量法是用千分卡尺自制的压痕深度计，测定跳伞人员在不同条 件下着陆时双脚在地上留下的压痕深度。计算加速度值及冲击力用下列公式计 算： v 2h 口= 西一s 2 8 v = 2 伊 ( 2 9 ) f = m a( 2 1 0 ) 式中：v = 着陆速度( m s ) ，h = 跳台高度( m ) ，s = 压痕深度( m ) ，f = 着陆冲 击力( n ) ，w = n 试者体重( k g ) 。 计算跳伞着陆冲击过载的理论值时，需要测量人体脚部对土地的压痕深度。 现介绍一种高精度的压痕深度测量工具，其读数精度为0 0 5 m m 。如图2 3 所示。 l 3 ：秉篷，嬖4 慕爰欠梦赫底座3 、水准蜜；，深度尺；5 可调底座 图2 3 压痕深度计 本深度计由基准平面框架即框式水平仪、深度尺和可调底脚组成。基准平 面框架为铸铁加工而成，框架为6 4 x 4 0 c m 。在框架右下角的相邻两边各有- - d , 槽， 内置的水准器在框式水平仪的基准下安装固定，并彼此垂直。当两者的气泡都 处于中心位置时，说明框架平面处于水平状态。若框架平面向任一方向倾斜， 都会使两个水准器的气泡偏离中心位置。框架平面上有一长5 0 c m 、宽3 8 c m 、厚 2 0 m m 的转动杆，其中心开有一条长4 2 c m 、宽1 7 m m 的槽。转动杆可以绕轴转 动1 8 0 度，转动时可经过整个框架平面。深度尺为深度游标长尺，它是直接测 7 武汉理工大学硕士学位论文 量深度的部件。深度尺可摆放在框架平面内的任何位置，并与地面保持垂直， 从而可以测量出相应的地面深度。 使用时将深度计框架平面放置在待测压痕处上方，调节可调底脚高低，使 框架平面处于水平( 两个水准器的气泡停留在中心) ；把框架平面上的转动杆移至 所测处上方，同时将游标卡尺插到被测点上，此时深度尺的游标应在转动杆上， 并保持垂直，最后得出读数。 由于本设计需要对整个跳伞过程中的数据进行采集分析，而压痕测量法只 能定性测量着陆时的过载冲击力，显然通过使用加速度传感器来测量是比较理 想的方案。 2 3 加速度传感器选型 加速度传感器是一种重要的力学量传感器，专门用于对运动载体运动加速 度的测量。随着现代科学技术的发展，宇航、汽车、工业自动化等领域对加速 度传感器提出了的微型化、高性能要求，探索研究新原理、新结构、新功能的 微型加速度传感器已成为各国的研究热点。在硅片上集成的加速度传感器具有 体积小，重量轻，控制电路集成，易于测试，有利于大规模生产等优点，由此 产生了各种不同结构的硅微加速度传感器。这种新型的加速度传感器为各种惯 性组合测量系统的微型化、低成本提供了很好的技术支持【8 】。 加速度传感器一般由三部分构成：一是弹性敏感元件，它将外界的加速度 转换成机械变形量；二是电气参数测量的元件，它将机械变形量转化为电阻、 电感、电容等的变化量，再通过检测电参数的变化量来实现对加速度的测量； 三是封装壳体和辅助结构。经过几十年的发展，已经研制出多种不同原理和结 构的加速度传感器，如压阻式、电容式、压电式、隧道式和谐振式等，广泛应 用于航空航天、工业自动化以及汽车等领域p 】。 美国e g & gi cs e n s o r 公司生产的3 2 5 5 加速度传感器是一种使用简单又 灵活的高性能产品，可用来测量正加速度、负加速度、振动或冲击。3 2 5 5 可用 于汽车气囊系统的前端碰撞检测、军用保险系统、工业振动记录仪器、冲击监 控和冲击测量等领域【l0 1 。测量量程有四种：2 5 9 、5 0 9 、1 0 0 9 和2 5 0 9 。 工作电压为5 v ，在加速度为零时输出电压为2 5 v ，在全量程围内输出电压为o 5 4 5 v 。过载测试装置选用的加速度传感器为2 5 9 ，分辨率为8 0 m v g 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 13 2 5 5 型加速度传感器的结构与工作原理 3 2 5 5 型加速度传感器包含两片芯片：硅传感器和信号调节用专用集成电路 ( a s i c ) 。为了增加功能，还可进行其他的连接。数字报警输出在正常工作时输 出低态，但当传感器的输出超出所允许的范围时，则发生报警信号。把电压加 到自测输入端引脚，就可验证整个加速度计的功能和性能。3 2 5 5 加速度传感器 的功能框图如图2 4 所示。 s i g n a l o u t p u l g u n ah a r mr a wc o l u m n o u t p m s e i e c ii n p u t s 图2 43 2 5 5 加速度传感器功能框图 3 2 5 5 是一种“双悬臂”硅加速度传感器，如图2 5 所示，它有三层结构：中间 层由框架、弹簧悬臂、质量块、压阻元件和焊点组成；上层有自测试电极，下 层是硅基片。质量悬块和悬梁是用微加工技术形成的。悬梁一共有四个，每个 悬梁都包含2 个植入的电阻器，互连后形成惠斯登电桥。当传感器承受到加速 度时，质量悬块就会上移或下移，从而使4 个电阻器阻值增大，而另外4 个电 阻器的阻值减小，这就使输出电压变化与外加的加速度成正比。8 个电阻器互连 可抵消任何外加速效应。由于采用压阻电桥，其输出阻抗较低，工作频带较宽。 9 武汉理大学硕+ 学位论文 图2 53 2 5 5 加速度传感器结构图 信号调节电路对传感器的输出进行放大，并校正灵敏度和髓温度而产生的 偏移变化，凼此，输出信号是很精确的，无需用户调整。用来调节加速度传感 器性能的数据存储在信号调节i c 的熔丝寄存器中。信号调节l c 将传感器的差 动信号( 标称值士5 0 m v ) 变化成05 v - 5 v 的单端信号，同时校正与温度相关的 信号变化。为了将共模效应和噪声减小到最低程度，信号处理采用差分放大器。 信号调节电路时适合于5 v 电源电压。 t c ot e m p 图2 - 63 2 5 5 加速度传感器原理框图 信号通路如图2 - 6 所示，加速度计芯片的输出信号有下列各级处理：第一级 为传感嚣提供高阻抗负载，并对信号进行放大，在随后处理时使动态范围达到 最大程度。只有增加一个由数模转换d a c l 产生的电压，传感器芯片的偏移可 缩小到满度的o5 。它的偏移温度系数( t c o ) 是通过一个由d a c 2 和d a c 3 产生的电压补偿的。偏移电压和t c o 电压是从电源中产生的，以保证信号与电 源电压保持比例关系。信号增益是用d a c 4 的数值调节的变化范围为5 ：1 ， 以适应不同的满度规格。传感器的灵敏度温度系数( t c s ) 是由下级补偿的， 这一级是使用2 个d a c 的前反馈环路，由表示温度和编程t c s 值的数字进行控 武汉理工大学硬士学位论文 制，当灵敏度随温度降低时，信号增益就会随温度直线增大予以补偿。输出电 压可调节为0 5 v 或2s v ，可使信号以单缴或双极范围进行处理。未级提供低阻 抗输出可以很好的驱动阻性和容性负载。因此，温度字与温度成线性比例， 但与电源电压无关l 。 2 3 23 2 5 5 型加速度传感器的安装与焊接 3 2 5 5 采用无引脚封装。它是将钨接触丝层叠在陶瓷层上在熔化而制成的。 加速度计芯片和信号处理电路封装在空腔中通过金线粘连到外壳上，而后在将 一块镀金的铁镍钴合盒顶盖片锡焊接到外封装上。这样形成的气密性封装，能 满足军工工业、汽车工业等恶劣环境的要求。这种封装提高了产品的可靠性 叉无需外接元件所有的信号调节电路、放大处理电路等都集成在a s i c 芯片里。 3 2 5 5 是贴片式表面安装元件它有自己的灵敏轴因此必须正确安装，否 则会引起安装误差而影响精度，安装时必须保证器件的灵敏轴与印刷电路板的 平面垂直或水平”“。其中图2 7 是垂直安装设计，图2 - 8 是水平安装。 图2 7 垂直安装圈2 - 8 水平安装 24 本毒小结 本章通过对降落伞系统的运动模型的受力分析的研究了解了过载测试的 基本原理，井介绍了两种不同的过载测试的方法，通过对比选择用加速度传感 器来测量过载。设h _ 选用3 2 5 5 ) 1 【i 速度传感器，并对传感器的原理和结构进行介 绍。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章过载测试装置的硬件设计 通过对空投重物、伞兵跳伞的过程详细分析可知，需要设计一个大容量存 储系统来对跳伞过程中加速度传感器的数据进行采集、处理、存储和数据传输。 本章过载测试装置各部分电路的详细设计进行具体说明。 3 1 硬件电路总体设计 过载测试装置通过内部9 v 镍镉可充电电池供电，并设置一个电源开关。 当电源开关闭合时，装置主电路不通电；闭合电源开关，装置必须通过外接一 个拉绳触发开关来触发装置上电；而采集完毕后，主控单片机能使装置自动关 闭电源，故需要设计一个电源触发控制电路。过载测试装置设计采用双单片机 结构，从单片机采用a v r 单片机a t m e g a 8 ，其主要负责对3 2 5 5 加速度传感器 数据的采集和处理；主单片机采用a t m e g a l 2 8 ，负责把从单片机采集的数据存 储到s d 卡，数据采集完毕后通过u s b 把数据以文件的方式传给计算机，计算 机通过过载测试分析软件对采集的加速度数据进行分析，并绘出过载曲线副b 】。 过载测试装置总体的硬件电路设计如图3 1 所示。其中包括电源触发控制 电路、电源电压变换电路：加速度传感器电路、a t m e g a 8 单片机采集电路、 a t m e g a l 2 8 主单片机电路、s d 卡接1 2 1 电路、u s b 接口电路、i s p 下载电路、时 钟电路等。 图3 - 1 硬件电路总体设计 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 电源设计 由于过载测试装置是在跳伞时，通过拉绳手动启动装置电源：当数据采集完 毕后，默认设置为采集时间为五分钟，过载测试装置需自动关闭电源；最后用 u s b 线连接装置到计算机，装置需能自动启动。故设计了整个系统的电源触发 控制电路，能通过外部拉绳和u s b 连接触发启动装置，并能通过主控单片机电 路关闭装置电源。电源触发控制电路图3 2 所示。 图3 - 2 电源触发控制电路 图3 3 电源电压变化电路 装置的加速度传感器电路、采集单片机电路等需要5 v 电源电压供电；主控 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 单片机、s d 卡接口电路和u s b 接口电路等需要3 3 v 电源电压供电；所以需要 设计d c 9 v 到d c 5 v 的转换电路和d c 5 v 到d c 3 3 v 的电压转换电路。由于 装置的电源功耗不是很大，选用三端集成稳压芯片7 8 0 5 即可。在电源输入端加 上1 0 0 u f 的钽电容和o 1 u f 的贴片电容对低频噪声和高频噪声滤波。电源电压 变换电路的如图3 3 所示。 3 3 晶体振荡器设计 过载测试装簧在测试过程中会受到大的冲击，而石英晶体是比较脆弱的器 件，在受到大冲击力时可能损坏，为了降低装置的故障率，时钟源设计采用同 一个晶体产生，并采用减振设计。过载装置中需要时钟的芯片有a t m e g a 8 、 a t e m g a l 2 8 5 1 p d i u s b d l 2 。由于u s b 接口芯片工作在6 m h z 频率，故石英晶体采 用6 m h z 的。晶体振荡器的设计如图3 4 所示。 s n 7 4 h c 0 4 p w l e u 4 au 4 bu 4 c s n 7 4 h c 0 4 p 、况e 图3 - 4 时钟电路 图中晶体为6 m h z 石英晶体，电容采用2 7 p f 的贴片电容，1m q 的电阻是 使反相器工作在线性区。反相器采用贴片s n 7 4 h c 0 4 ，其工作速度快，在5 v 工 作电压、负载电容5 0 p f 和负载电阻5 0 0 f 2 的情况下，从输入到输出传播的延迟 仅为2 n s ，这有利于输出更好的波形( 14 1 。晶体振荡器由第一个反相器构成，而第 二个反相器则起到了缓冲作用，减少后级电路对振荡器的影响。后面三个反相 器分别给a t m e g a 8 、a t e m g a l 2 8 和p d i u s b d l 2 芯片提供时钟。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 加速度数据采集电路设计 3 4 1 加速度传感器接口电路 传感器的基本电气连接如图3 5 所示。5 v 电源与脚4 连接，地线与脚3 接 在一起，信号在脚2 输出。如果电源或接地线长度不超过2 5 _ 3 0 c m 的话，把0 1 u f 的电源旁路电容器紧靠着加速度传感器芯片，以阻止电源噪声引起的输出偏移。 5 v 图3 5 加速度传感器接口电路 3 4 2 单片机采集电路 采集电路负责对加速度传感器的输出进行a d 采样。过载测试装置采用内带 a d 的a v r 单片机a t m e g a 8 作为采集芯片；a t m e g a 8 有一个1 0 位的逐次逼近 型a d c 。a d c 与一个8 通道的模拟多路复用器连接，能对来自端口c 的8 路 单端输入电压进行采样。单端电压输入以0 v ( g n d ) 为基准。内部a d c 电源由 a v c c 引脚单独供电，a v c c 与v c c 之间的电压偏差最大不能超过0 3 v 。 a d c 内部有一个标称值为2 5 6 v 的基准电压，基准电压可以通过在a r e f 引脚 上加一个0 1 u f 的电容进行解耦，以更好地抑制噪声【l5 1 。a d c 转换时，通过逐 次逼近的方法将输入的模拟电压量转换成一个1 0 位的数字量。最小值为g n d ， 最大值为a r e f 引脚上的电压再减去1l s b 。任何a d c 外部输入引脚，包括 g n d 及固定参考电压，都可以作为a d c 的单端输入。在a r e f 引脚上外加电 容可以对片内参考电压进行解耦以提高噪声抑制性能。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 a d c 的转换速度和精度是相关的，成反比的关系。当要求采样频率更高时， 只能使用8 位精度或者更低。如果1 0 位的采样精度是必需的，就必须采用低一 些的采样频率。当使用1 0 位精度时，最高采样率可以达到1 5 4 k b i t s 。本设计中 a d c 的采样频率只需要稍大于1k b i t s ，故采用得精度为l o 位【1 6 1 。 i s p i5 v l e d l m 8m o s i l2 m 8r e s e t 。 34 i 8s c k 56 78 m 8m i s o 91 0 晦 p b 0 ( i c p ) p c 0 ( a d c 0 ) 枣m 一 广 豺；知 l k r5 劫 p b l ( 婴l a ) p c l ( a d c d m 8m o s i 了尹 p b 2 ( s s j o clb)pc2(adc2)气矿 m sm i s ol 矿 p b 3 ( m o s v o c 2 ) p c 3 ( a t ) c a )鼍r 5 v， m 8 s c k m 86 m 1 墓 p b 4 ( m i s o ) p c 4 ( a d c 4 s d a )蓬 工一一。一 p b ：( s c k ) p c 5 ( a d c s i s c l ) 口。矿r 1 口，r e s e t 靠 篡 p b 6f x 丁a ll ，r o s c da d c 6 p b 7 ( x t a l 2 ，r o s c 2 ) a d c 7卜一 ll mm 受 p d 0 ( r 如) p c 6 ( r e s e t ) i l q 口 。 p d lf r , x d ) p d 2 ( n n a - o ) v c c 专蹦( i n t l )v c c 4 争 p d 4 ( x c k t 0 ) a v c c 1 8 1 尹 pd5frl)aref 1 pp d 6 ( a r n o ) 匀牛篱= - 1 p d 7 ( a n k d o n d g n d o n d 3 5 数据存储电路 图3 - 6 采集单片机电路 数据采集单片机采用单片机a t m e g a 8 。它通过内部a d 对加速度数据进行 采集并处理后通过异步串1 2 ( u a r t ) 传送给主单片机a t m e g a l 2 8 ，a t m e g a l 2 8 对采集来的数据进行存储，存储介质为一张容量为1 g 的s d 卡。s d 卡系统是 一个的大容量存储设备，接口采用s p i 模式。主单片机对s d 卡的数据存储格式 采用f a t 3 2 文件管理系统。f a t 3 2 是现在计算机上普遍应用的文件管理系统， 文件格式可以直接被计算机读取识别。本过载测试装置选用金士顿1 gs d 卡作 为存储介质。 1 6 武汉理j ：大学硕士学位论文 3 5 1 数据存储器的选择 s d 卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，它被广泛地于便携 式装置上使用，例如数码相机、个人数码助理( p d a ) 和多媒体播放器等【1 7 】。s d 卡是一个新的大容量存储介质，基于半导体技术的变革。它提供了一个便宜的、 结实安全的卡片式的存储介质，有利于消费多媒体的应用。使用s d 卡可以设计 出便宜的音乐播放器，如果使用非常有效的数据压缩比如m p e g ，s d 卡可以提 供足够的容量来应付多媒体数据的大容量存储【l 引。 s d 卡结合了s a n d i s k 记忆卡控制与m l c 技术和东芝的n a n d 技术，通过 9 针的接口与专门的驱动器相连接，掉电后也能保持记忆的信息【1 9 】。s d 卡技术 是在多媒体卡( m m c ) 基础上发展来的，它与m m c 卡是向上兼容的，m m c 可以被s d 卡设备读写，兼容性则取决于应用软件，但s d 卡却不可以被m m c 设备读写。目前市场上s d 卡的品牌有k i n g s t o n ，k i n g m a x ，和s a n d i s k 等。 3 5 2s d 卡与单片机的硬件接口设计 s d 卡支持两种操作模式：s d 卡模式和s p i 模式。主机系统可以选择以上 其中