基于閃存的引信電池大容量存儲(chǔ)測試方法

謝 銳,馬鐵華,裴東興

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山西太原 030051)

0 引言

儲(chǔ)液式引信化學(xué)電池安全性好、儲(chǔ)存時(shí)間長,因此廣泛應(yīng)用于引信供電電源中[1]。引信電池的電壓上升時(shí)間(激活時(shí)間)、供電電壓值、供電持續(xù)時(shí)間和噪聲大小是電池性能的重要指標(biāo)[2]。激活時(shí)間過長,將會(huì)影響整個(gè)火炮系統(tǒng)的最小攻擊距離;掉壓或供電不完全,供電時(shí)間短,可造成引信瞎火、早炸,影響引信的炸點(diǎn)分布情況[1];電池噪聲增大可引起炸距增大,當(dāng)電池噪聲增大到一定程度時(shí),會(huì)導(dǎo)致早炸[2]。因此電池性能對引信正常工作有很大影響。

在實(shí)驗(yàn)室測試引信電池性能,即使用雙環(huán)境力電源性能測試裝置,模擬引信工作時(shí)的高沖擊與高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境,使電池被激活并有穩(wěn)定的輸出,進(jìn)行電池在規(guī)定負(fù)載下的放電測試,得到電池的激活時(shí)間、輸出電壓、輸出持續(xù)時(shí)間和噪聲等動(dòng)態(tài)參數(shù)。根據(jù)噪聲的帶寬范圍,要測得可靠的數(shù)據(jù)需要較高的采樣頻率,要得到完整的輸出曲線,電池要充分放電,測試時(shí)間較長,不低于250 s。綜合以上因素,要求測試技術(shù)能同時(shí)達(dá)到高速采樣與大容量存儲(chǔ)要求。

基于存儲(chǔ)測試技術(shù)的引信電池測試儀要能置于被測體體內(nèi),跟隨被測體一起運(yùn)動(dòng)并且不影響被測體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律[3-4],小體積、抗高沖擊是實(shí)現(xiàn)測試功能的基礎(chǔ)。為了保證測試過程的可靠性和持續(xù)性,高信噪比和低功耗是設(shè)計(jì)時(shí)的重要因素?，F(xiàn)有的引信電池存儲(chǔ)測試儀,具有體積小,抗沖擊性好的特點(diǎn),可跟隨引信電池上彈發(fā)射。同時(shí),受所用的元器件和體積的限制采樣頻率較低,一般為100 k Hz左右,存儲(chǔ)容量小,一般為幾十或幾百KB,采樣時(shí)間為毫秒級[5],無法實(shí)現(xiàn)高采樣頻率、長時(shí)間的數(shù)據(jù)記錄。針對此問題,本文設(shè)計(jì)了一種基于閃存的大容量存儲(chǔ)測試方法。

1 引信電池存儲(chǔ)測試儀

現(xiàn)有的引信電池存儲(chǔ)測試儀,為了減小體積降低功耗,充分利用了單片機(jī)內(nèi)的集成模塊,減少了外圍元件的使用[5]。TI公司的MSP430F系列單片機(jī),集成度、體積、功耗等綜合性能較好,片內(nèi)集成有AD、存儲(chǔ)器、接口等部分。基于單片機(jī)的引信電池存儲(chǔ)測試儀[5],采用MSP430F1612單片機(jī),內(nèi)嵌12 bit16通道的ADC,55 KB+256B Flash Memory和5 KB RAM。通過對此單片機(jī)的設(shè)計(jì)在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)了以下系統(tǒng)功能:AD轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)器、采樣頻率控制、芯片管理、地址發(fā)生器、延遲控制,系統(tǒng)具有階段管理和自動(dòng)工作轉(zhuǎn)換功能。圖1為基于單片機(jī)的引信電池存儲(chǔ)測試原理圖。虛線框內(nèi)是單片機(jī)內(nèi)部劃分的多個(gè)功能模塊。

圖1 基于單片機(jī)的引信電池存儲(chǔ)測試原理圖Fig.1 Principle of storage measurement for fuze battery based on microcontroller

2 大容量存儲(chǔ)測試方法

對于本文中引信電池實(shí)驗(yàn)室放電測試,主要解決的問題為如何實(shí)現(xiàn)高的數(shù)據(jù)存取率,以及如何長時(shí)間記錄電池激活前后完整的輸出曲線。單純的單片機(jī)控制難以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行,而單獨(dú)采用CPLD控制功耗較大且邏輯復(fù)雜[6-7]。在實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采樣和大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的功能,同時(shí)控制功耗和體積的前提下,本文設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)測試方法采用單片機(jī)與CPLD共同控制的模式,使用兩片閃存交替工作組成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,滿足了電池放電測試高采樣頻率和長時(shí)間記錄的要求。單片機(jī)控制測試系統(tǒng)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和發(fā)出對閃存進(jìn)行寫入、讀取、擦除操作的命令,CPLD控制高速數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換完畢后數(shù)據(jù)的緩存。這樣的設(shè)計(jì)充分利用了單片機(jī)功耗低、邏輯簡單,CPLD速度高的優(yōu)點(diǎn),提高了測試系統(tǒng)的功能性和穩(wěn)定性。閃存中設(shè)計(jì)了負(fù)延遲單元,存儲(chǔ)電池激活前的數(shù)據(jù),使測試結(jié)果可以顯示完整的放電曲線。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用三星公司的NAND型閃存K9F4G08U0B,單片容量為512 MB。NAND結(jié)構(gòu)閃存的特點(diǎn)是:以頁為單位進(jìn)行讀和編程操作,以塊為單位進(jìn)行擦除操作。對一頁(2 KB)數(shù)據(jù)編程進(jìn)入非易失介質(zhì)的典型時(shí)間為 200μs,擦除一塊(128 KB)的典型時(shí)間為1.5 ms。數(shù)據(jù)、地址、命令采用同一總線,芯片使用引腳少。

基于該方法研制的測試儀由模擬適配模塊、信號(hào)采樣轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、接口模塊和電源管理模塊組成。圖2為大容量存儲(chǔ)測試方法原理圖。

圖2 大容量存儲(chǔ)測試方法原理圖Fig.2 Principle of large-capability storage measurement method

2.1 高速采樣控制

電池輸出信號(hào)通過模擬適配電路分為電壓和噪聲兩個(gè)通道,使用CPLD對外部晶振分頻后的信號(hào)作為AD轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘,這樣得出的信號(hào)穩(wěn)定且占用芯片資源少。采用固定采樣頻率雙通道循環(huán)采樣的策略,每通道采樣頻率可達(dá)1 MHz。為達(dá)到高速數(shù)據(jù)采樣,相應(yīng)地也要提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的速度,CPLD內(nèi)部同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存功能,將一定量的數(shù)據(jù)一次性快速寫入閃存中,避免了對數(shù)據(jù)的多次處理產(chǎn)生的耗時(shí)。

2.2 負(fù)延遲與低功耗

由于測試時(shí)間較長,為了滿足測試要求并降低功耗,測試過程中設(shè)計(jì)了負(fù)延遲和低功耗兩種狀態(tài)。

將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分分為兩個(gè)單元,第一單元存儲(chǔ)負(fù)延遲的數(shù)據(jù),第二單元存儲(chǔ)觸發(fā)后的數(shù)據(jù)。觸發(fā)前電池未被激活,為負(fù)延遲狀態(tài),此狀態(tài)下閃存循環(huán)記錄數(shù)據(jù),觸發(fā)后(TR=1)電池被激活,閃存地址跳入第二單元順序記錄電池的動(dòng)態(tài)輸出,這樣,電池激活前的一段數(shù)據(jù)得以保留。記錄完畢后和數(shù)據(jù)擦除后測試儀處于低功耗狀態(tài),低功耗狀態(tài)下單片機(jī)控制關(guān)斷模擬部分電源,數(shù)字部分處于休眠狀態(tài),有效降低了功耗。

2.3 大容量閃存的應(yīng)用

設(shè)計(jì)大容量閃存作為外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊。由于閃存存在較長的頁編程時(shí)間,編程時(shí)無法對其進(jìn)行操作,為了在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換情況下不丟失數(shù)據(jù),并進(jìn)一步提高存儲(chǔ)容量,采用兩片閃存芯片交替工作組成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,總存儲(chǔ)容量擴(kuò)大為1 GB。AD輸出為12 bit,閃存的數(shù)據(jù)線為8 bit,轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)先進(jìn)入CPLD轉(zhuǎn)化為2組8位數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)位數(shù)匹配。對A片發(fā)出命令后,A片進(jìn)行編程時(shí)對B片寫入數(shù)據(jù),反之相同,這樣提高了測試儀的數(shù)據(jù)處理速度,滿足了測試要求。

3 實(shí)驗(yàn)及測試驗(yàn)證

引信電池激活時(shí),測試儀要承受很高的沖擊,為了保證測試儀的可靠性,將電路用環(huán)氧樹脂進(jìn)行真空灌封,并且在電路殼體外增加了膠墊起到緩沖保護(hù)的作用,這樣處理后測試儀可以承受10 000 g的過載。

對引信電池進(jìn)行了多次不同g值與轉(zhuǎn)速下的放電測試,測試儀均工作正常,數(shù)據(jù)捕獲率百分之百。在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、過載3 000 g的雙環(huán)境參數(shù)下對引信電池進(jìn)行多次放電測試,其中一組測試數(shù)據(jù)如下所示。

圖3為完整的引信電池電壓輸出曲線。圖中橫坐標(biāo)為時(shí)間,縱坐標(biāo)為電壓值。圖中粗豎線是觸發(fā)線,表明了觸發(fā)時(shí)刻。從圖中可得出引信電池放電規(guī)律。引信電池從被激活到完全放電的過程中,電壓隨時(shí)間變化的關(guān)系:觸發(fā)之前引信電池沒有被激活,輸出為 0,激活后電壓迅速上升輸出達(dá)到最大值,引信電池在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行放電,輸出電壓緩慢下降,在120 s之內(nèi)電壓在有效范圍內(nèi),120 s之后輸出大幅下降,引信電池充分放電時(shí)間約為240 s。從圖中橫坐標(biāo)可看出記錄時(shí)間達(dá)到了270 s,滿足了長時(shí)間數(shù)據(jù)記錄的要求,得到了激活前后完整的測試曲線。

圖3 引信電池電壓輸出曲線Fig.3 The output voltage of fuze battery

輸出電壓曲線展開放大后得到引信電池激活瞬間電壓上升的曲線,如圖4所示。在圖中通過測量可以直接得到引信電池電壓上升到有效值的時(shí)間。從放大后的曲線可看出引信電池激活后輸出平穩(wěn)。

圖4 引信電池電壓上升時(shí)間曲線Fig.4 Curve of voltage rise time of fuze battery

圖5 為引信電池輸出的噪聲曲線,為了便于數(shù)據(jù)處理,噪聲通道設(shè)有基準(zhǔn)電壓。

由噪聲曲線可以測量得出濾波后的引信電池輸出噪聲的大小,通過對比電壓及噪聲曲線,得出引信電池在激活時(shí)噪聲最大,電壓達(dá)到穩(wěn)定值后噪聲輸出呈周期性。曲線反映了在規(guī)定帶寬下輸出噪聲隨時(shí)間的變化關(guān)系,表明測試方法滿足了高速采樣的要求,顯示了測試儀的準(zhǔn)確性、可靠性。

圖5 引信電池噪聲曲線Fig.5 Curve of nois of fuze battery

多次放電實(shí)驗(yàn)后,數(shù)據(jù)的一致性良好,與理論設(shè)計(jì)值誤差較小。通過實(shí)驗(yàn)可以得出:轉(zhuǎn)速的大小和旋轉(zhuǎn)的均勻性對引信電池輸出電壓值的大小和有效工作時(shí)間有較大影響,放電實(shí)驗(yàn)中可以得到?jīng)_擊加速度值與激活時(shí)間的關(guān)系。為提高引信電池性能改進(jìn)引信電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了重要的依據(jù)和參考。

4 結(jié)論

基于閃存的引信電池大容量存儲(chǔ)測試方法,采用單片機(jī)與CPLD作為控制器件,使用兩片大容量閃存組成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,CPLD產(chǎn)生高頻采樣信號(hào),單片機(jī)控制兩片閃存交替工作,存儲(chǔ)容量擴(kuò)大至1 GB,滿足了電池放電測試大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的要求。實(shí)驗(yàn)與測試表明:此方法可將采樣頻率提高到1 MHz,記錄時(shí)間延長到270 s,使用此方法可以實(shí)現(xiàn)引信電池放電測試時(shí)的高速數(shù)據(jù)采樣和長時(shí)間數(shù)據(jù)記錄功能。

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