TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 10, Octobe r 20 14, pp. 7196  ~ 720 1   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i8.564 4          7196     Re cei v ed  Jan uary 17, 201 4 ;  Revi sed  Ju n e  27, 2014; A c cepted  Jul y  19, 2014   Resear ch on Multichannel Test  Device of Missile Fuze      Guo y ong Zhen 1,2  Yanhu Shan* 1,2 , Yir a n Wei 1,2   1 Nation al Ke y l abor ator y  for E l ectron ic Meas ureme n t T e chnolo g y   North Un iversit y  of Ch ina, T a iyu an 0 3 0 051   2 Ke y  L abor ator y of Instrument ation Sci enc e & D y n a mic Me asurem ent of Ministr y   of Edu c ation,    North Un iversit y  of Ch ina, T a iyu an 0 3 0 051   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : shan ya nh u@ 126.com       A b st r a ct  T h is pa per i n troduc es the d e sig n  of multi c han nel  acq u i s ition circ uit b a sed  on F P GA w h ic h   sampl e s a n d   records  the  D opp ler s i gn als,  ig nitio n  si g nal  an d  the  wo rki n g co nd i t io n o f  fu z e   se curi ty   enforce ment  a genc ies of mi ssile  fu z e   in  real-ti m e  in  th e test of  hig h  spe ed  dyn a m ic  inters ectio n .   F u rthermore, for the pr obl e m  of incre a sin g   nu mb er of  sa mple c han ne l w h ich ca uses the  compl e xity of th e   mu ltipl e xer co n t rol, a gen eral  progr a m mab l chan nel  sw itchi ng metho d  is p r opos ed b a sed  on F P GA. In  th e   meth od, F P GA is the co ntrol core, a n d  usin g the  internal ROM resource  e ffectively sim p lifies  t he  complexity of c hannel switch in  the  multichannel ac quis i tion system . Th is  paper analy z e s  the ac quis i tion  system des ig n, and descr ibes  the desig n of hardw are circ u i t and an alo g  sw itch address  codi ng in d e tai l .   T he test resu l t  show s that the ac qu isitio n  circuit  me ets  the d e si gn r equ ire m e n ts w i th hi gh s a mp l i ng   precisi on a nd a pplic atio n val u e.    Ke y w ords :  mi ssile fu z e mult icha nne l, FPGA, sw itching method     Co p y rig h t   ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion   In the missil e  dynamic int e rsectio n  flight simu lation  test, usually  test method  is usin g the  grou nd  ca ble  tran smitting i n formatio n, the tap e  recorder  and  tele metry technol ogy. For the f e test cha nnel s and lo w speed flight simulation  test, the method of using t he gro und  cable   transmitting informatio n can meet the  experime n t requi rem ent. Ho wever, for the high sp eed   flight experim ent, due to th e rel e a s ing  speed  and  distance  of cabl e, and th e rel i ability rea s o n su ch a s  di stu r ban ce s, bro k en lin e, it cannot  be  use d . The tape  reco rde r  is  be ing pha se d o u grad ually b e cause of th complex o p e r a t ion an t h e  mech ani cal s y s t e r e li ability [1, 2]. Due  to   the hig h   co st  and te st d ebu gging  comple xity the te lem e try is u s ed  o n  small ta ctical mi ssile  b a ttle  less. With the widely use d  of storag e test tech n o logy  which h a s m any advantag e su ch as hi g h   reliability, lo co st, multi c ha nnel, l a rg e capa city , e a sy o p e r atio n an so  on , the  solid  st ate  recorder is  the bes t res o lution for the test of mis s ile fuz e  [3-5].   With the in creasi ng pe rformance of the  missil e the test sy stem is more a nd m o re  com p lex   and the n u m ber of te st signal i s  al so g r o w ing.  In the high -sp eed  dyna mic interse c t i on   experim ent, the Do pple r   sign als, igniti on sig nal  a n d  the wo rkin g co ndition  of fuze secu rity  enforcem ent agen cie s  are need ed to re cord in re al-t i m e. The more test cha nne ls are, the m o re   compl e x the stru cture of the data fra m e is. The  cha nnel switch is mainly relate d to the ord e r of  input  cha nnel  and  the  data  frame.  Whe n  the  num ber  of te st si gna l is l e ss and   the st ru cture   of  data fra m e i s   simple,  reg u lating the  switch  or der  of multiplexe r o r  data  fra m e can  achi eve  multicha nnel  acq u isitio n. Howeve r, whe n  the  numbe r of channel i s  many, the a bove re soluti on  will undo ubte d ly incre a se the difficulty and com p lexi ty of  the syste m  desig n. Ch annel switch of  multicha nnel  acq u isitio n sy stem i s  be co ming mo re   co mplex. Ho w t o  de sign  of chann el switch ing  rea s on ably h a s be co me th e key tech nol ogy of t he design of a c qui sition sy stem.  To solve the s probl em s, we  prop ose d  a  desi gn of soli d state re co rder for the te st of missil e  fuze. And for  the  requi rem ent  of multichann el test,  a g e n e ral  pr ogram mable  multichann el a c q u i s ition  method  is  also  pro p o s e d , whi c simp lify the hard w are  de sign fo r the multicha nnel a c q u isiti on ci rcuit. Wh en  the flight sim u lation te st is finished,  we re co ve r th e flight data  from the  re corde r  which  is   conve n ient fo r analyzi ng th e cau s e of m a lfunctio n   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Multicha nnel  Test Devi ce o f  Missile Fu ze  (Guo yon g  Zh en)  7197 2.  The Struc t ur e and Wor k ing Principle of Sy stem  The blo c k di agra m  of acquisitio n  and  stora ge  sy stem is sho w n  in Figure  1. The syste m   take s the  27 V pulse si gn al wh ose d u ri ng time i s  1 0 0 ms  as the trigger si gnal.  Whe n  the  mixed  sign als  go th rough th e inp u t  interface, these  sig nal s a r e firstly reg u l a ted by the  si gnal regul ation   module  an are  then  tra n s mitted to  an alog  switch.   Then, th e a n alog  sig nal are  tran smitt e d   throug h a nal og switch tha t  are  seq uent ially cont rolle d by the lo gi control mo dule a nd  se n t  to   ADC. T he  FPGA sto r e s  th e converte data into   Fla s h mem o ry. T he  re corded   data i s  u p loa ded   via USB after finishi ng the  test. The  sy stem u s e s   dry battery pa ck a s  th e ind e pend ent po wer  sup p ly, whi c h  avoid s  the  n eed  of po we sup p ly by  mi ssile  and  is co nvenient fo r i n terface d e si gn  and in stallatio n         Figure 1. The  Block  Diag ra m of  Acquisiti on and Stora ge System       3.  The De sign of Ac quisitio n  and Storag e Module   After modul ating by th e o p e ration al a m p lifier,  the m o d u lated  analo g  sig nal s a r o u tputted to   analo g  multip lexer ADG 7 3 2 . And then FPGA cont ro l  the address  lines of ADG 732 to switch  in   an order, so  that the 80 analog  sign als can be  orde rly inputt ed into the  analo g -to - digi tal  conve r ter- T H S104 0. The  output di gita l sign al  of A D -T HS10 40 i s  gath e red b y  FPGA in 1 0  bit  data length. In the FPGA, the sampl e d  data w ill be  framed a s  the data pa ck. The stru ctu r diagram of acquisitio n  pro c ess is sho w as the Figu re  2.          Figure 2. The  Diagram of Acqui sition Pro c e s      3.1.  Signal Condi tioning    In the p r o c e s s of  de sign, i n  orde r to  gu arante e  the  i n tegrity an accuracy  of  signal s b e fore  they are  inp u tted to anal o g  switch, we   use  ope ratio n a l amplifie with the cha r a c ter of  rail to  ra il  to modulate the sign al. This desi gn imp r oves  the inp u t impedan ce  of signal, an d at the same   time also red u ce s the  out put impe dan ce  of mod u la ted sig nal. A fter mod u lating, all the  hi gh  amplitude  si gnal s a r e p r oce s sed  unif o rmly into  0 2V si gnal s that are co nvenient fo data   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  719 6  – 7201   7198 sampl e . The   -10V +1 0V and -30V +30V interfa c e  circuit i s   sh own i n  the  F i gure  3(a). T h e   0 +40V 0 +1 0V inte rface  ci rcuit a s   sho w n  in t he  Fig u re 3 ( b). Acco rdin g  to the  different  rang e of input , the value of  R1 an d R2 i s  different. In Figure 3 ( a ) , the output VO1 is:     V   1 V  V                                          (1)    In the Figure  3(b ) , the outp u t VO2 is:     V   1 V                                                     (2)    Acco rdi ng to the Equation  (1) and Eq uati on (2 ), the  sel e ction of R1 and R2 is sho w n in Tabl e 1 .                                                                       (a)     (b)     Figure 3. (a)-10V~1 0V and  -30V~ 30V interface ci rcuit, (b) 0V ~40V   and 0V~10V i n terface ci rcu i                                                                                                                                                                                                                                                      Table 1. The  Value of R1 a nd R2   Input rang e   R1( ) R 2 ( -10V +10V  13K 150K  -30V +30V  4.7K 150K  0 +40V  120K 6.2K  0 +10V  160K 39K      The op eratio nal amplifie r i s  susce p tible  to the  cap a cit i ve load in th e uni ty gain  configuration.  To avoid the  phen omen of oscilla ting,  the re sisto r  RX of 100  ca n be in serte d  in the output  o f   operational a m plifier. The  block dia g ra m is sh own in  Figure 4.          10 0   MUX OP   AMP R X       Figure 4. The  Block  Diag ra m of the Output of op amp       3.2. General  Programma ble Chann e l S w i t ching M e thod   The sa mple rate of each signal is different,  so wh en  data packin g  the hybrid frame i s   use d  with  p r ime-fra m an d subfra me.  Acco rdi ng th e re quireme n t  of frame fo rmat, there i s  no  regul ar swit ch  betwe en ch annel s.  The convention a method i s  re g u lating the o r der of multipl e xer  cha nnel s to meet the re quire ment of  the s equ ent ial cont rol of  FPGA. However, wh en the  numbe r of si gnal chann el  is large r , the hard w a r desi gn and t he co ntrol of  FPGA are more  compl e x. So  the conventio nal m e thod  is fit for  th e a c quisitio n   syst em  with a  fe cha nnel s,  not  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Multicha nnel  Test Devi ce o f  Missile Fu ze  (Guo yon g  Zh en)  7199 for the  sy ste m  with  a l a rg e num be r of  cha nnel s. Th erefo r e, fo r th e complex  ch annel  switch, we   prop osed a gene ral prog ramma ble ch annel   switch i ng  m e thod. We en cod e  all  the switch  addresse according  to th e fram e form at, and  writ e  them into th e internal  ROM of FPGA  in   advan ce. Wh en the a c q u i s ition  system  works,  the  addresse s of  cha nnel s a r e rea d  out from  ROM  which is name d  add r_rom in Fig u re 5  to control the grou p of multiplexers.           Figure 5. The  Control of ROM in the FPGA      In the acq u isi t ion system,  each sixteen -cha nnel  multi p lexer  contai ns fou r  add re ss g a tes  (A3,  A2,  A1 and  A0 ) and  one ena ble signal (EN).  E a ch  en able  si gnal  of multi p lexer  uses  one   control lin e a l one a nd  all  the multiplex e rs sha r e th e ad dre s s lin es. Fo r th eighty chann els  acq u isitio n sy stem, five multiplexers  are  need ed.  So, nine control lines  can  determine a chan n e address, whi c h is sh own in Table 2.       Table 2. The  Corre s p ondin g  Relatio n  of the Multiplexer Address    9 bits of address  the enable signals  address gates   EN4  EN3 EN2  EN1 EN0  A3  A2  A1  A0      The  m e thod  reali z e s  com p lete sep a ration  b e twe en the  inp u t sig nal cha nnel  and the fram format de sig n . And the method is p r o g r amma ble,  which  can a d ju st the add re ss co de of ROM  with the  cha n ge of fram e format. So, th e method  ha s gene rality. In the frame fo rmat, except t h e   cha r a c teri stic signal, one signal is a c cording to one multiplexer a ddre s s. The data frame fo rmat   is 58×10. Th e cha r a c teri stic data is 50,  so the  addre ss nu mbe r  is 530. The da ta width of 9  bit  and the de pth  of 1024 bit of the ROM in  FPGA  can m eet the addre ss  cont rol re q u irem ent.     3.3. Storage  Module   The stora ge module uses Flash   memo ry  K9 WBG08 U 1M  (4GByte )  a s  data  storage, du e   to the cha r a c teristics of small size, low powe r   co nsu m ption, larg e  memory cap a city and so on.  The writing  a nd re adin g  o peratio n of Fl ash i s  in  th e  unit of pag e .  It is nece ssary to write the   control word  and a ddress of next pag e again  after finishing  wri t ing one p a g e . Therefore,  to   guarantee  da ta integrity in the alternati ng time of  ad jace nt page,  the intern al F I FO of FPGA is  use d  as data  ca che. The  sampled d a ta is written  into  FIFO first, and then stored  to Flash. In the  pro c e s s of  d a ta op eration ,  the ave r ag e  sp eed  of  i n p u t of FIFO  i s  low th an  ou tp u t. T o  imp r ov e   the writing  sp eed of Fl ash, the interl eavi ng two - pla ne  prog ram m ing  mode i s  u s e d  in the  writin operation th at the fastest writing spe ed can  rea c h 30MByte/s. The waiting time of p age  prog ram m ing  is  red u ced to  the mini mum  by the i n terle a ving p a ttern.  Also, to  man age th e invali d   block of Fla s h co nvenientl y , the addre s s of invalid  bl ock is id entified and  written into the RO M of  FPGA. Whe n  in the ope rati on of pa ge p r ogra mming,  r eadin g  or  era s ing, the  add ress is  rea d  o u to compa r with the current  addre s s to identify  whethe r the cu rrent block is invali d or not.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 10, Octobe r 2014:  719 6  – 7201   7200 4.  The De sign of Re sista n c e  to Ov erload  The solid sta t re corde r   a c compli she s  the  acqui sitio n  and  sto r ag e of si gnal s.  Duri ng the  colli sion of  missil e  high -spe ed intersection, the re si st an ce t o  ov erloa d  ca p a cit y  of  rec o rde r   rea c he s mo re than 200 0g . So the effective me a s ure sho u ld be  taken to  stre ngthen ove r l oad  resi stan ce of  the re corder.  After weldin g, chip  itself is  su spe nde d in  circuit boa rd s, and conn e c the circuit bo ard s  only through the chi p  pin. Chip  a nd circuit bo ard did n ’t rea lly form a whole.  Whe n  the  re corde r  is  hit so h a rd,  be cause the  q u a lity of various com pone nts is different, the  overloa d  is al so differe nt. This will be v e ry easy  to appea r loo s e solder joi n ts, virtual wel d ing  or   pull  u p  weldi n plate, etc. The circuit  i s  packa ged  wit h  en ca psulati ng m a terial  a nd the n  b e co me   an integ r ated  stru cture whi c h i s  hel p for  prote c ti ng the  circuit. The  p r ocess i s  call ed emb edm e n t.  With a  spe c i a l re sin  of  high  stren g th  a nd hi gh  to ug hne ss the  ch ips  and  the  circuit  boa rd  a r encap sulatin g  into a  whol e, whi c can  rest rict  the m o vement  bet wee n   the chi p   and circuit board.  In additio n , th is h a s the  effect of  sta b le  comp one nts,  circuit  param eters,  to e n su re  no  dama g e  to  circuit und er  high overl oad       5.  Sy stem Test and Res u lt  In the p r o c e s s of  syste m  t e st, a  multich annel  si gnal  sou r ce i s  u s e d  to verify th e fun c tion  of  the acq u isitio n system. In the experi m en t, the firs t operation is e r a s i ng after po we r-o n. Whe n  the  era s e o peration is compl e te, +27V ste p  signal i s   loa d ing to sta r t sampli ng an d  recordi ng. After  recording, th e data i s   rea d  into  comp u t er via the  USB interface, and th en  an alyze the  dat grap hically. The software  can  dra w  u p  the wave  of all the chan nels. Me an while, it also  can  che c k the frame format whether  corre c t or not. T he  partial chan n e ls’ wavefo rm is sho w n i n  the   Fig.6. The frame form at of all the dat a of  each ch annel i s  corrct. Thro ugh  acq u irin g the  sine  ware, the a c q u isition  pre c i s ion which is e x pres se d by  ENOB can b e  cal c ul ated [ 6 -9]. The E N OB  of the acqui si tion system i s  better than 8  bit.          Figure 6. The  Partial Cha n nels’  Waveform      6. Conclu sion   This  pape r p r opo se d a g eneral p r og rammabl e mu ltichan nel a c quisitio n  met hod for the  missil e  fu ze  test. For the  eighty  chan nels an alog  sign als whi c h  co nsi s ts Do ppler si gnal   and   ignition  signal  and the  wo rking condi tion s of the  se curity fuze enf orceme nt age n c ie s, the devi c e   is use d  soli d state re co rde r  whi c h ca n resi st  the overload ca pa city of more than  2000g an d be  employed  re peatedly. Th erefo r e, the  desi gn  red u ces  experim e n t co st an has engi nee ring   pra c tical valu e. The device has  been  u s ed in t he  hi gh-spe ed dy namic i n terse c tion expe rim ent,  whi c re co rd s the  si gnal corre c tly an d  provid es the  accu rate  dat a for t he fu ze  de sign  an d t h e   fault analysi s     Referen ces   [1]  LI Jing hai S UN Xi jin g. A Fast Data Proce ssing Meth od i n  Air Defense  Missile Pro x imi t y  Fuse T e st.  Journ a l of Nav a l Aero na utical  and Astron auti c al Univ ersity . 201 2; 27(4): 43 9-44 2.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Multicha nnel  Test Devi ce o f  Missile Fu ze  (Guo yon g  Zh en)  7201 [2]  Che n  R u o  fei,  Bai H ao. A  Mo dul arize d  Ge ne raliz ati o n  T e sting S y stem  for t he  Rad i o  F u ze.  Guid ance  &   F u ze. 2010; 3 1 ( 3): 13-17.   [3]  W e i W an, Yon g  Ho ng H u , Pe ng W u . Multi  C han nel  Rec o rd er for Unm ann ed Aer i al V e h i cle Bas ed  o n   ARM9.  Advanc ed Materi als R e searc h . 201 1; 181(3): 60 4-6 09.   [4]  Abda lla h M, Elkee l an y O, Alou ani AT . A Lo w - C o st Stand-A l on e Mul t ichan nel D a ta  Acquisiti on ,   Monitori ng, a nd  Arch ival  S y stem  w i th   On-C hi p Si gna l Pre p roc e ssin g . Instru mentatio n a n Measur ement.  IEEE Transactions on . 2 011;  60( 8): 281 3-2 827.   [5]  Su Shuj ing, L e i Jia n she ng.  A Method of Multi- cha n n e Data Acqu isiti on  w i th Ad just abl e Sampl i n g   Rate.  T E LKOMNIKA: Indones i an Jour nal  of  Electrical E ngi ne erin g.  201 3; 11 (9): 5299- 53 07 [6]  Shiro ng Yi n, Yituan  He. Si nuso i da l Sig n a l Gen e rator  for ADC T e sting in M i xed- Sign al SOC.   T E LKOMNIKA: Indones ia n Jo urna l of Electri c al Eng i ne eri n g . 2013; 11(7):  371 1-37 17.   [7]  Dani el  Bel e g a , Dari o Petri.  Accurac y   ana l y sis  of the  a m plitu de  estim a tion  of a  sin e - w av e b y  t h e   ener g y -bas ed  method us in g the dir e ct and i ndir e ct proced ures.  Measur e m e n t.  2012; 4 5 ( 9): 2264- 22 7.  [8]  IEEE Std. 12 41-2 000, IEE E  Standar d f o r T e rminol o g y  a nd T e st Methods for  Anal og-to-D igit al   Conv erters, IEEE, NY, 2001.  [9]  Armin J a li li, Sa ye d M a sou d  S a yed i , J J a cob  W i kner, A bol g hasem  Z e id aa bad i N e zh ad.  A no nli n e a r i t y   error cali brati o n techni qu e for pipe lin ed AD C s Integration, the VLSI Jour n a l.  201 1; 44(3):  229-2 41.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.