一、选题背景和意义
数据采集存储系统广泛用于航空航天、海洋探测等领域，是测控系统的核心部分。数据采集系统是指将压力、声音、温度等物理信息转化为模拟电信号进行采集，并且进行预处理和放大后通过量化编码转换成数字信号，再由计算机进行处理分析的过程。而弹载数据采集主要采集的信号为炮弹发射前后、飞行过程中和落地时的加速度、压力、温度等数据。在未来的战争中，局部战争将成为主要作战形式，随之主要武器必然是常规武器，尤其是精确制导导弹和炮弹。一款成功的武器研制，离不开精确的数据采集保障。目前，对导弹或者炮弹的弹载数据采集，主要是利用无线电遥测系统和弹载数据采集存储系统。前者技术已经相当成熟，得到广泛的应用。但是，由于其成本高昂和不能准确测试弹内数据的缺陷，需要后者来弥补其不足。弹载数据采集装置，具有成本低、体积小、实时调理采集等优点，加上日益增长的高性能数据采集存储系统的需求，越来越多的机构和企业投入资源来研究。本课题主要探究对多模复合探测末敏弹在试验过程中的数据采集存储。敏感器系统是炮射末敏弹的“火眼金睛”，其功能是在复杂的电子环境中探测和识别装甲目标，通常包括红外探测器、毫米波辐射计和毫米波雷达等。要保证末敏弹在复杂的环境下的测试数据的有效性和准确性，就必须有一个符合要求的高性能的数据采集存储装置。
二、国内外发展现状
（1）国外发展及现状：数据采集系统起始于20世纪50年代，1956年美国首先研究了用在军事上的测试系统，由非熟练人员操作，并且测试任务由测试设备高速自动控制完成。由于其高速性和一定的灵活性而得到了初步的认可。20世纪60年代后期，国外开始有成套的数据采集设备产品进入市场，当时的这些设备已经多属于专业的系统。在20世纪70年代末，首先用在军事方面的数据采集记录仪的产生以及微型技术等很多技术问题的解决，数据采集存储芯片开始大面积的运用。上个世纪80年代发，应用计算机技术的数据采集系统取得了很大的进展。于此同时，市场上出现了通用数据采集设备系统。90年代起，其应用领域从军用拓展到了民用商用领域，如航天、深海探测、环境监测、地质勘探等。
在弹载数据采集存储技术的研究上，国外较早的报道开始于70年代末，80年代初，逐渐出现较多的文献报道。美国的Louis R.S zabo 提出了数据采集存储新概念—应用于弹丸测试的先进数字存储测试仪，在该论文中，将此方法与遥测法进行了详细的比较和说明，指出了数据采集存储测试法具有高精度、低功耗、抗干扰的优点。90年代，美国研制了一款高g值加速度记录仪，其具有体积小、15KHz采样频率、能够承受40000g的加速度的优点。同期，瑞士也生产了一种用于测试弹丸但到飞行数据的高g值记录仪，其最大可承受加速度大到了80000g。近年来，随着单片机技术和可编程逻辑器件的发展，国外的弹载数据采集存储系统的发展特点为模块化设计、存储容量大、多通路、高速率。最新的产品为美国研制的新型的导弹弹载飞行数据采集存储系统，其采用当代先进技术，主要特点是抗高冲击、体积小、容量大、采样频率高。
- 国内发展及现状：中国在数据采集存储方面的研究起步较晚，与发达国家有一定的差距。20世纪70年代，我国由于航天航空技术的发展需要，数据采集存储装备才开始慢慢发展。直到80年代，国内在弹载测试系统方面的研究才开始，曾于1985年首次将该技术应用于火箭扫雷弹道加速度的测试。在80年代末期，中被大写研制的中低膛压火炮全弹道弹丸运动加速度测试系统，实现了小于30000g条件下大口径炮弹全弹道加速度曲线的存储测试。航天科技集团也进行了相关固态记录仪的研制，主要是用于采集记录飞行试验的冲击、震动、噪声、等环境信号的仪器装置。主要产品是KDR空中数据记录器，主要特点为具有10K采样率，16bit分辨率，1000s的记录时间，可抗50000g的冲击，可任意扩展通道，具有掉电保护机制。近年来，中北大学研制了一系列数据采集存储装置，成功应用于航天部门的弹体撞击钢板过载测试，有效过载大到了30000g以上。因此，中北大学在国内此领域内相对领先。其研制的动态数据采集仪器也广泛应用于我国的航天器、导弹和运载火箭上，数十次准确采集记录并提供了精确的运行参数。短期发展趋势为数据采集高速性和准确性。新型快速、高分辨率的数据转换部件的不断涌现，大大提高了数据采集系统的性能。在未来的发展方向中，速度无疑是最重要的，大数据时代，数据采集的速度就决定了其设备的主要性能。弹载数据为动态数据，数据采集的准确程度影响着武器研制的整个过程，因此保障精确性将是后期发展的重要方向。第二点为数据的大容量存储。随着存储器件的飞速发展，未来的存储容量将会极大地增加，将出现普遍以T为单位的存储设备。数据采集后，存储分析就成为了主要流程，因此大容量的存储将为分析结果的准确性提供保障。最后是弹载采集装置小型化。随着加工工艺的发展，数据采集存储模块会模块化并且越来越小型化。一方面是节省内部空间，不占用过多资源，另一方面是减少对弹体的影响，毕竟装置越小，质量越轻，对弹体飞行轨迹的影响就越小。因此小型化将是设计需要考虑的问题。
4、研究内容与方法
本课题主要完成对多模复合探测末敏弹在试验过程中的数据采集存储。弹载数据采集存储模块的设计采用MCU作为控制器，经过对相关设计方案或者文献的查阅，主要需解决的问题为：
- 数据计算与仿真。在电路设计前都需要进行方案论证，因此需要提前进行相关器件的仿真，来测试数据是否能够达到指标。拟采用的仿真软件为Altium Designer（AD）和multisim。AD主要用来绘制仿真器件，进行电路测试和PCB的绘制。而multisim主要进行电路的仿真和数据的测量。近期的任务是熟悉软件的使用，为下一步打下基础。
- 调理电路的设计。信号调理电路的主要功能是对信号进行预处理。查阅相关参考文献，发现对于不同的情况，调理电路的设计也不尽相同。其主要标准都是对信号进行预处理，增强信号的抗干扰性使其能够达到数据采集模块的要求。对于本课题拟采用方案为：采用有源RC滤波器进行信号的调理和放大。由于输入信号为模拟信号，RC滤波器可以有效增强其信号的抗干扰性，在末端加入一个信号放大器，可以将输入信号的范围调整到ADC的输出范围。
（3）主控芯片的选择。经查阅相关课题研究的方案，对主控单元主要的选择有三种。STM32、FPGA和三星公司的ARM的11系列芯片，例如S3C6410。根据课题的具体要求和相关指标数据，我初步的想法是使用STM32F103芯片。STM32F103具有强大的功能，是TM32系列中的增强型，其主要优点是高性能、低功耗、低成本。其内有3个12位的us级的A/D转换器（16通道），2通道12位D/A转换器，内核为ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。这些特点可以满足设计要求，而且性能较好。近期工作为了解学习相关基础知识，熟悉单片机的开发和使用。
（4）AD芯片的选择。经过查阅相关文献以及STM32F103的用户手册，发现虽然STM32F103自带三个同步的ADC,支持21通道采集，但是最多只能做到3个通道同时采集，而任务书中的要求是实现4个通道的数据同时采集任务，因此无法满足设计指标要求。因此需要选择一款高速的A/D芯片，设计要求需要一个通道的采集频率大于10MHz,因此，初步选择的芯片为AD9220。其主要特点是灵活的采样速率，有1.5 MSPS、3.0 MSPS和10 MSPS。以及低功耗， 5 V单电源等。
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