基于双闪存的大容量冲击波超压测试系统

摘  要： 为了解决冲击波超压测试系统的存储容量小、功耗大的问题，设计了一种基于AVR单片机和CPLD的双闪存冲击波超压测试系统。阐述了存储测试方法，设计了负延时模块，通过CPLD对被测量进行高速采集，使用单片机控制两片闪存交替工作的模式来记录被测信号。根据被测信号的频谱选择了传感器，针对该传感器设计了模拟信号调理电路和数字电路。实验证明将系统应用于爆炸现场可完成对冲击波压力信号的检测和存储。
关键词： 冲击波; 超压测试; 测试系统; 校准

    冲击波超压测试在工程领域特别是军工领域有着重要的作用[1]。冲击波超压测试系统主要用于以燃料空气炸弹以及激光制导炸弹为代表的各种火箭弹、航空炸弹等大装药量弹药的现场静爆空气冲击波测试，同时它也可以应用于常规兵器毁伤效能的技术指标测试[2-5]。
1 总体方案设计
    冲击波超压测试时冲击波场中存在电磁场干扰和超高压，环境温度最高时达2 600℃左右[6]。在这样恶劣的环境下要想保证测量系统可靠工作，必须将电路、触发控制电路、通信接口及电池紧凑封装在耐高温高强度的保护的钢壳内，钢壳内灌封上蜡，将传感器的敏感面露在外面感受被测量压力；然后将整个测试装置放入测试环境中，信号被记录下来并存储在存储器内，记录完毕后回收测试装置。
    本测试系统主要由以下几部分组成:传感器、信号调理电路、A/D转换器与存储电路、中心控制电路、通信设备和计算机等。测试系统原理框图如图1所示。

2 存储测试方法
    单独的单片机控制难以实现高速运行，而单独采用CPLD控制功耗较大且逻辑复杂。
    本文设计的存储测试方法采用单片机与CPLD共同控制的模式，使用两片闪存交替工作组成数据存储器，满足了冲击波测试高采样频率和大容量记录的要求。单片机控制测试系统向闪存发出写入、读取、擦除操作的命令并进行工作状态的转换，CPLD控制高速数据采样转换和转换完毕后数据的缓存。这样的设计充分利用了单片机功耗低、逻辑简单、CPLD速度高的优点，提高了测试系统的可靠性和稳定性。使用CPLD对外部晶振分频后的信号作为A/D转换的时钟，这样得到的信号稳定且占用芯片资源少。
    被测物理量经过传感器后转换为电信号。电信号经调理电路调理后CPLD以1 MHz的采样频率采集并将数据交替存入两片Flash中。
2.1 触发电路
    超压场对人体杀伤判据的依据是操作人员控制处的冲击波超压应小于0.03 MPa，距爆炸中心的距离一般为几百米[7]。若使用引线电测试法，需要布设长距离的电缆。由于测试环境的恶劣、冲击波破坏性大，现场固定和保护要求高，造成布线非常不方便。
    本测试系统触发电路采用内触发和外触发两种触发同时进行。
    外触发采用光触发技术，炸弹爆炸时的闪光信号通过光电转换电路触发系统。光电转换电路的光电器件选择2DU型硅功率光敏二极管，将光信号转换成电信号，结合外围电路组成光电转换电路。光电转换电路如图2所示。

    内触发通过无线模块手动控制无线控制平台以广播的方式发出触发信号。
    无线模块选用SZ-05系列ZigBee无线数据通信模块。ZigBee技术是一种应用于短距离范围内、低速率传输的无线通信技术，主要具有功耗低、成本低、数据传输可靠、网络容量大、兼容性好等特点[8]。
　    ZigBee无线系统可组成星型、网状以及簇状结构[9]。为保证触发信号的同步性，本系统采用星型结构，即一个中心节点与多个无线传感器从节点相互通信的组网方式。引爆前计算机通过中断方式给出触发信号，无线主机接收到中断信号后以广播方式发送。无线从机接收到信号后输出相应指令，进行判断、执行和参数设置，完成对存储测试装置的触发控制。
2.2 负延时与低功耗
　由于测试时间较长,为了满足测试要求并降低功耗，测试过程中设计了负延迟和低功耗两种状态。
　负延时实现原理：将两片闪存存储总容量分为两个部分，测试系统未触发时，数据被循环记录在第一个部分，旧的数据不断被新的数据替换；当系统触发后，负延时计数器开始计数，数据被存储在第二部分。第一部分记录的是系统触发之前的数据，第二部分记录的是系统触发之后的数据。记录完毕后系统进入休眠状态，等待读数和擦除。负延时功能可以将触发前的一段信息保存，从而得到完整的超压测试曲线，以保证数据的完整性。记录完毕且数据擦除后测试系统处于低功耗状态，低功耗状态下单片机控制关掉模拟电路电源，数字电路处于休眠状态，有效降低了功耗。
2.3  Flsah存储电路
      存储芯片采用两片三星公司生产的NAND型闪存存储器K9F4G08OM，单片容量为512 MB。NADA结构闪存的特点是：以页为单位进行读和编程操作，以块为单位进行擦除操作[10]。
　由于闪存存在较长的页编程时间，编程时无法对其进行操作，为了在高速数据转换情况下不丢失数据，并进一步提高存储容量，采用两片闪存芯片交替工作组成数据存储器，总存储容量扩大为1 GB。
    采用写满一页数据后，判断此页是否为该块的最后一页，如果是则擦除下一块的数据。采编频率为320 kHz，编码为16 bit，存储器为byte模式，写满一页的2 048个单元需要时间3.2 ms。一块地址单元的擦除时间最大需要2 ms，加上系统命令最大耗时0.5 ms，对一页数据编程需要0.7 ms，总的时间不会超过3 ms，能满足循环写的要求。
　　A/D输出为12 bit，闪存的数据线为8 bit，转换得到的数据先进入CPLD转化为2组8 bit数据，使数据位数匹配。对A片发出命令后，A片进行编程时对B片写入数据，反之相同，这样提高了测试系统的数据处理速度，满足了测试要求。数据存储如图3所示。

3 传感器选择
    传感器是测试系统的一个重要组成部分[11]。爆炸冲击波的压力信号变化一般在微秒量级，因此对传感器的动态性能要求较高[12]，对某典型爆炸信号进行的频谱分析如图4所示，爆炸信号在62 460 Hz以后幅度几乎可以忽略。
    目前，可以考虑用来进行冲击波压力检测的传感器主要压电式和压阻式传感器。压电式传感器的谐振频率比较低，输出阻抗比较高，需要经过电荷放大器进而变换为阻抗较低的电压信号。由于周围的环境因子可能会降低绝缘阻抗，使信号产生漂移。连接传感器和电荷放大器的电缆、接头需要很高的绝缘性。压阻式传感器具有较高的谐振频率。但是，压阻式压力传感器的光效应太强，爆炸产生的强火光会严重干扰压力测试信号[11]。
    经综合考虑,传感器选择型号为CA-YD-205T的压电式压力传感器，这种传感器的特点是：大冲击加速度传感器，底部安装螺纹M5，重量轻，温度特性好。传感器主要性能指标：
　压力范围：5×106 Pa
   过载能力：120%
   参考灵敏度：0.000 090 8 pC/Pa
　自振频率：≥100 kHz
　非线性：≤1 %FS
　绝缘电阻：≥1013 Ω
　工作温度：-40~250 ℃
4 系统硬件设计
4.1 信号调理电路
    信号调理电路由三部分组成：电荷放大器、仪表放大器和低通滤波器。   
    由前文可知压电传感器输出的信号为电荷信号,不便于进行处理和存储，所以需要使用电荷放大器把电荷信号转化为电压信号，放大倍数根据公式计算得出。在时间域，放大倍数可以近似为1/C2。如图5所示。

4.2 A/D转换器
    根据图4对典型被测信号的频谱分析研究得出结论：被测信号的频率在60 kHz以下。根据香农采样定理，原则上使用120 kHz的采样频率即可实现对被测信号的采集。系统为了更好地对被测信号进行采集，留出了一部分余量，编程设置将采样频率设定为500 kHz。因此本系统选用了高速、低功耗、逐次逼近的12位A/D转换器AD7492，它可在2.7 V~5.25 V的电压下工作，其数据通过率高达1 MSPS。它内含一个低噪声、宽频带的跟踪/保持放大器,它可以处理高达10 MHz的宽频信号。
5 实验结果
     该系统对某TNT药柱的爆炸冲击波进行了多点测试，分别测量距爆心14 m和19 m的冲击波超压值，捕获数据完整可靠。图8为距爆心14 m冲击波超压值， 图9为距爆心19 m冲击波超压值。

    与传统的引线测试系统相比，冲击波超压存储测试系统具有体积小、功耗低、稳定性高、抗干扰性强的优点,可嵌入爆炸现场实时完成冲击波超高压测试，特别适宜于恶劣环境下大范围多测点的冲击波测试试验场合。本测试系统为武器系统的爆炸威力评价提供了可靠有效的测试手段。
参考文献
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