基于Flash的侵徹關鍵信號分區(qū)存儲方法

任勇峰，周 濤，李輝景，劉占峰，王 闖

（1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原，030051；2.電子測試技術重點實驗室，山西太原030051）

基于Flash的侵徹關鍵信號分區(qū)存儲方法

任勇峰1，2，周 濤1，2，李輝景1，2，劉占峰1，2，王 闖1，2

（1.中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原，030051；2.電子測試技術重點實驗室，山西太原030051）

針對彈體侵徹硬目標過程中，關鍵信號獲取存儲難度大，有效數據易丟失、被覆蓋的問題，提出了基于Flash的侵徹關鍵信號分區(qū)存儲方法。該方法將Flash存儲單元邏輯上分為兩區(qū)，通過判斷彈體是否侵徹目標掉電，從而跳區(qū)將侵徹關鍵有效數據捕獲并鎖存至單次記錄的第二區(qū)。實驗表明，該分區(qū)存儲方法獲取關鍵信號準確可靠，記錄數據完整度高，具有很好的應用價值。

Flash；侵徹；存儲測試

0 引言

隨著戰(zhàn)略目標防御能力的增強，對硬目標侵徹武器打擊能力的要求也相應提高，為了最大程度上對目標進行摧毀，需要獲取彈體侵徹過程中的裝置引爆、火工品引爆以及引信狀態(tài)等關鍵信號，以此計算和驗證最佳破壞的爆炸時機［1］。目前的彈載存儲測試技術，在高沖擊、強振動、高溫高壓的惡劣條件下，瞬時獲取和存儲侵徹信號有一定難度，且面臨侵徹目標掉電數據易丟失、被覆蓋等風險［2］。本文針對此問題，提出了基于Flash閃存的侵徹關鍵信號分區(qū)存儲方法。

1 信號存儲器

1.1 信號存儲器特征

信號存儲器采用Xilinx公司的Spartan-II系列現場可編程邏輯門陣列（FPGA）作為主控核心，Micron公司的NAND Flash作為存儲芯片，主要完成系統的掉電續(xù)電、信號的調理與采集以及數據的雙備份存儲，具體組成框圖如圖1所示。

FPGA具有時鐘頻率高、內部延時小、速度快、效率高以及邏輯資源豐富等特點，是很好的邏輯控制器件選擇方案［3］。

NAND Flash體積小、成本低、存儲密度高，且具有大容量、非易失、可擦除與重復性編程等優(yōu)點，非常適合數據存儲［4］。有以下特點：

1）每塊Flash芯片在出廠時都會有一定比例的壞塊存在，在操作之前，需要對Flash進行無效塊檢測。

2）Flash內部操作一般以塊擦除、頁編程和頁讀的方式進行。

圖1 信號存儲器組成框圖Fig.1 Schematic diagram of signal storage system

1.2 掉電續(xù)電解決辦法

彈體發(fā)射和飛行過程中信號存儲器通過彈上電源供電，侵徹硬目標時會承受超高沖擊和過載，導致彈上電源解體斷電［5］。因此，信號存儲器首先要解決掉電續(xù)電問題，才能為后續(xù)的存儲工作提供可行性保障。

圖2為信號存儲器掉電續(xù)電硬件電路，主要由電源引入、分壓采集、使能控制和主電源芯片組成。MIC29151電源芯片負責轉出信號存儲器所需的5 V電源VCC。

圖2 掉電續(xù)電模塊電路Fig.2 Circuit of electric relay module

二極管兩端壓降大的先導通，所以正常情況下，信號存儲器是從12 V彈上電源取電，彈上掉電后，才轉為內部鋰電池組續(xù)電，工作流程如圖3所示。

整個過程中，FPGA實時監(jiān)測12 V彈上電源電壓，并將彈上12 V掉電作為侵徹硬目標開始的判據，及時對侵徹關鍵信號采集和存儲。

圖3 掉電續(xù)電工作流程圖Fig.3 Flowchart of electric relay work

2 分區(qū)存儲方法

2.1 存儲分析

信號存儲器旨在獲取和存儲侵徹過程中的關鍵信號，而發(fā)射、飛行過程中的大量信號數據不必存儲記錄。因此，通過分區(qū)存儲方法將Flash存儲單元邏輯上分為兩區(qū)，在第一區(qū)采用邊擦邊寫、循環(huán)記錄的方式存儲彈體發(fā)射、飛行過程中采集的信號數據；彈體侵徹目標瞬間再跳至第二區(qū)進行單次記錄存儲侵徹過程中的關鍵信號，避免了數據的覆蓋和丟失。

2.2 分區(qū)存儲的實現

信號存儲器中NAND Flash存儲芯片采用的是Micron的MT29F16G08ABABA，包含1個邏輯單元（LUN），存儲容量2 GB，內部有兩個平面共4 096塊，每塊有128頁，每頁4 096個字節(jié)。

在對Flash操作之前，需要進行無效塊檢測。通過檢查各塊第一頁的第4 096字節(jié)的數據是否為“00H”來判定無效塊，從而生成無效塊列表，并存放于FPGA內部的雙口只讀內存（ROM）中，無效塊檢測流程如圖4所示。

圖4 無效塊檢測流程圖Fig.4 Flowchart of invalid block check

需要注意的是，為了方便塊地址比較，避免進入檢測死循環(huán)，設計中將第4 096塊也認為是無效塊，并將該塊地址也并入無效塊列表。之后，只要系統不斷電，Flash的擦除、讀、寫操作都按照該列表操作，不再進行無效塊檢測。

將塊地址為0～4 095共4 096個塊的Flash芯片分為兩區(qū)，塊地址0～2 047為第一區(qū)，2 048～4 095為第二區(qū)，每區(qū)容量1 GB，分區(qū)示意如圖5所示。信號存儲器上電后，采集的信號數據在第一區(qū)按塊依次邊擦邊寫、循環(huán)記錄，一旦侵徹目標掉電，則中斷第一區(qū)的寫入，跳至第二區(qū)從第2 048塊開始邊擦邊寫、單次記錄，實現侵徹關鍵信號的獲取與鎖定存儲。

信號存儲器需要采集的關鍵信號共5路，每路信號采樣率250 k Hz，總采樣率為1.25 MHz，采用8位的A/D轉換器，則采集數據生成率為：

由此可得，在第一區(qū)（循環(huán)記錄區(qū)）和第二區(qū)（單次記錄區(qū)）數據不發(fā)生覆蓋的前提下，兩區(qū)分別可記錄時長為：

彈體高速侵徹過程時間極短約幾百微秒到幾十毫秒，彈體型號、飛行速度和擊中硬目標不同，侵徹時間有所不同［1，5］，但819.2 s的第二區(qū)記錄時長足以滿足侵徹關鍵信號的存儲要求。考慮到掉電續(xù)電后鋰電池組的供電能力，防止有效數據被覆蓋或丟失，在滿足存儲要求的情況下，FPGA內部增加了22 s的計時器，侵徹跳至第二區(qū)采集存儲22 s信號數據后，拉低主電源芯片使能，使信號存儲器關機停止記錄。分區(qū)存儲邏輯控制流程如圖6所示。

圖5 Flash分區(qū)示意圖Fig.5 Schematic diagram of Flash partition

圖6 分區(qū)存儲流程圖Fig.6 Flowchart of partition storage

Flash內部檢測無效塊后，按塊擦除，并按頁執(zhí)行編程寫入。如果當前塊為有效塊，且未監(jiān)測到彈上掉電，則對該塊執(zhí)行邊擦邊寫，直至寫完第2047塊，若此時彈上仍未掉電，則再跳回第1塊執(zhí)行循環(huán)記錄。整個過程中，一旦監(jiān)測到彈上掉電，不管在第一區(qū)寫到第幾塊，均跳至第二區(qū)從第2048塊開始執(zhí)行邊擦邊寫，直至22 s計時器滿關機。

3 模擬實驗結果

為了模擬彈體侵徹硬目標造成彈上電源掉電，驗證該分區(qū)存儲方法能在彈上12 V掉電后轉為鋰電池組續(xù)電，通過判斷彈上掉電跳至第二區(qū)獲取存儲侵徹掉電時刻之后的關鍵信號，記錄22 s數據后關機的可靠有效性。實驗平臺采用12 V直流電源輸入，采集4路設定寬度分別為10 ms、50 ms、100 ms、150 ms的瞬態(tài)脈沖信號和該12 V電源信號，信號存儲器開始上電記錄一段時間后，突然斷開12 V電源，之后通過上位機讀回數據繪圖分析，結果如圖7所示。

圖7 模擬關鍵信號繪制波形圖Fig.7 Waveform of simulated key signal

圖7顯示的是模擬侵徹目標彈上12 V掉電后，第二區(qū)數據的繪制波形。可以看出，在第3 s時刻左右直流電源D12 V斷電，之后信號存儲器續(xù)電成功，工作到第25 s時刻后關機停止記錄。獲取和存儲的22 s關鍵信號完整不丟失，4路瞬態(tài)脈沖信號測試結果與原始信號吻合一致。

實驗證明，該分區(qū)存儲方法能有效及時的獲取侵徹關鍵信號，跳存至第二區(qū)防止數據丟失和覆蓋。

4 結論

本文提出了基于Flash的侵徹關鍵信號分區(qū)存儲方法。該方法將Flash存儲單元邏輯上分為兩區(qū)，通過判斷彈體是否侵徹目標掉電，從而跳區(qū)將侵徹關鍵有效數據捕獲并鎖存至單次記錄的第二區(qū)。實驗表明，該分區(qū)存儲方法獲取關鍵信號準確可靠，記錄數據完整。目前，該存儲方法已成功用于實彈發(fā)射試驗，具有較高的可靠性，對其他存儲設計也有一定參考價值。

［1］董力科.多層侵徹過載信號獲取技術研究［D］.太原：中北大學，2013.

［2］王永芳，范錦彪，王燕.基于可編程邏輯器件的彈載存儲測試儀［J］.探測與控制學報，2012，34（5）：55-58.

［3］劉東海，任勇峰，儲成君.基于FPGA控制的NAND Flash存儲設計［J］.科學技術與工程，2013，13（34）：10349-10353.

［4］李鑫旺，張丕狀.基于非易失存儲器的數據存儲于管理方法［J］.探測與控制學報，2010，32（1）：84-87.

［5］劉海濤.彈體斜侵徹混凝土靶過程中動態(tài)參數測試技術研究［D］.太原：中北大學，2011.

Penetration Signal Storing Based on Flash Partition Storage

REN Yongfeng1，2，ZHOU Tao1，2，LI Huiiing1，2，LIU Zhanfeng1，2，WANG Chuang1，2
（1.The Ministry of Education Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In the process of hard targets penetration，the key signal is hard to be captured and stored，the valid datais liable to be lost and covered.A key penetration signal partition storage method based on Flash was proposed in this paper.This method logically divided the flash memory into two areas.It would iump to the second area to captureand storage key penetration valid data by single record if missile penetration target power was down.Tests showed that this partition storage method was accurate and reliable on capturing key signal with high recording data integrity.

flash；penetration；storage measurement

TP274

A

1008-1194（2015）05-0106-04

2015-03-09

任勇峰（1968—），男，山西中陽人，教授，博士生導師，研究方向：微電路系統、電路系統檢測與診斷技術。E-mail：zhoutaoo728@diyun.com。