水下沖擊波超壓高速存儲測試系統(tǒng)的研究

劉 浩,尤文斌,裴東興,牛躍聽

(1 中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051;2 中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;3 解放軍軍械工程學院,石家莊 050003)

水下沖擊波超壓高速存儲測試系統(tǒng)的研究

劉 浩1,2,尤文斌1,2,裴東興1,2,牛躍聽3

(1 中北大學電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051;2 中北大學儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室,太原 030051;3 解放軍軍械工程學院,石家莊 050003)

針對當前水下沖擊波超壓測試中存在儀器布設(shè)繁雜、采樣頻率低、關(guān)鍵數(shù)據(jù)難以及時獲取等問題,設(shè)計了一種水下沖擊波超壓存儲系統(tǒng)。提出雙級流水線循環(huán)存儲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)高速存儲,運用觸發(fā)地址回溯檢索算法精準定位有效數(shù)據(jù)存儲位置,以ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)交互通信完成測試系統(tǒng)的智能配置、狀態(tài)監(jiān)控和關(guān)鍵數(shù)據(jù)及時提取。試驗表明該系統(tǒng)能以10 MB/s的速率完整記錄沖擊波超壓瞬態(tài)信號,具有智能化、易布設(shè)等特點,適用于水下沖擊波超壓信號的測試。

水下沖擊波;無線通信;高速存儲;數(shù)據(jù)提取

0 引言

水下爆炸研究始于二戰(zhàn)各國對水中艦船毀傷的需要[1],其后以美國為代表的西方國家加強了艦艇抗沖擊波特性的研究,并通過《美國海軍艦船試驗總綱》強制規(guī)定同批下水戰(zhàn)艦必須選定一艘進行抗水下爆炸沖擊波特性的實驗[2],緊隨國外研究熱點我國也在積極開展對艦艇抗沖擊特性和水下沖擊波特性的研究[3]。目前國內(nèi)外對水下沖擊波的測試方法分引線電測法和存儲測試法[4-5]。引線電測法是通過測點布置傳感器,由電纜統(tǒng)一將信號接入遠端的采集系統(tǒng)此法的優(yōu)點在于信號采樣頻率高,能實時監(jiān)控測試單元工作狀態(tài),但卻存在干擾噪聲大,試驗布設(shè)困難繁雜等不足[6]。存儲測試法較引線測試法的不同是將測試數(shù)據(jù)存儲于遠端測試單元中,通過實驗后回收測試單元讀取數(shù)據(jù),該方法的優(yōu)點是能有效消除布設(shè)電纜引入的噪聲,提高測試數(shù)據(jù)信噪比,卻存在不能實時監(jiān)控測試單元的工作狀態(tài),信號采樣頻率低,裝置回收不便等問題[7]。

針對上述兩種測試方法的不足,充分發(fā)揮各法優(yōu)點的基礎(chǔ)上研制了一種具有無線功能的水下沖擊波超壓存儲測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)有機的將ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與智能存儲測試技術(shù)相融合實現(xiàn)測試單元工作狀態(tài)無線監(jiān)控和配置,避免引線引起的干擾,采用一種全新的存儲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)連續(xù)采樣數(shù)據(jù)高速可靠存儲,有效數(shù)據(jù)高效提取并無線上傳,提高了關(guān)鍵數(shù)據(jù)獲取的時效性。

1 總體設(shè)計方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,由布設(shè)在爆炸測試點的智能測試單元和安放在安全區(qū)域的遠程中心監(jiān)控平臺組成。智能測試單元具有實時采集存儲測試點沖擊波超壓信號、數(shù)據(jù)交互通信的功能,中心監(jiān)控平臺以無線通信[8-10]的方式實現(xiàn)對智能測試單元遠距離操控和工作狀態(tài)的監(jiān)測顯示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 電路設(shè)計及系統(tǒng)工作流程

2.1 智能測試儀設(shè)計

智能測試儀電路原理結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。它由通信單元和存儲控制單元兩部分構(gòu)成,其中通信單元包含無線終端節(jié)點、智能電源管理和MSP430控制部分;存儲控制單元由沖擊波信號調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、USB數(shù)據(jù)接口、Flash存儲陣列和FPGA控制內(nèi)核組成。通信單元的無線終端節(jié)點實現(xiàn)測試儀同中心控制平臺的數(shù)據(jù)交互;MSP430控制部分完成通信單元同存儲控制單元間的數(shù)據(jù)傳輸;智能電源管理在檢測到Flash寫滿后啟動,使智能測試儀進入低功耗狀態(tài)。存儲控制單元以FPGA為核心并行控制器,由其控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)將沖擊波超壓信號數(shù)字化,數(shù)據(jù)經(jīng)由FPGA內(nèi)部FIFO進行緩沖后存儲到Flash陣列。測試儀試驗回收后通過USB數(shù)據(jù)接口回讀存儲數(shù)據(jù)。

智能測試儀具有5 MHz采樣頻率、10 MB/s高速數(shù)據(jù)存儲、14 bit信號分辨率和1 GB存儲容量的性能。

2.2 系統(tǒng)工作流程

水下沖擊波存儲測試系統(tǒng)的工作流程如圖3所示。智能測試單元與中心監(jiān)控平臺間的數(shù)據(jù)交換通過無線通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。測試儀在上電喚醒后首先與中心監(jiān)控平臺進行組網(wǎng),在組網(wǎng)成功后按照測試儀工作要求完成閃存擦除、參數(shù)配置(信號放大倍數(shù)、觸發(fā)電平)操作。在確定試驗準備完畢即將進行爆炸測試時,由中心監(jiān)控平臺向測試儀發(fā)送啟動命令,測試儀在接收到命令后進入32 MB負延時存儲空間以10 MB/s的速率循環(huán)存儲測試數(shù)據(jù)直到觸發(fā)信號的到來,當檢測到觸發(fā)信號后將測試數(shù)據(jù)順序存入后續(xù)992 MB存儲空間。智能電源原理功能模塊在檢測到存儲空間寫滿信號后,使測試儀進入低功耗狀態(tài)直至數(shù)據(jù)回讀。存儲數(shù)據(jù)可通過回收測試單元經(jīng)USB讀數(shù)接口回讀,也可以由中心監(jiān)測平臺以無線的方式迅速查詢關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

圖2 智能測試儀電路原理結(jié)構(gòu)框圖

圖3 測試系統(tǒng)狀態(tài)圖

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高速存儲結(jié)構(gòu)

NAND閃存數(shù)據(jù)口寬度為8 bit,而智能測試單元以5 MHz頻率采集14 bit分辨率的沖擊波信號,兩者間的數(shù)據(jù)寬度不匹配,須將14 bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為高低8 bit的形式,為此必須以大于等于10 MB/s的速率向Flash中寫入數(shù)據(jù)才能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無損存儲。負延時存儲需要對Flash先擦除后才能寫入操作,一塊存儲空間的(128 KB存儲空間)擦除時間為2 ms,鑒于此傳統(tǒng)的存儲結(jié)構(gòu)已不能滿足負延時存儲空間對數(shù)據(jù)高速循環(huán)存儲的要求。為此設(shè)計了一種雙級流水線循環(huán)存儲結(jié)構(gòu),其結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 雙級流水線存儲結(jié)構(gòu)原理圖

該存儲結(jié)構(gòu)的核心原理是A級流水線與B級流水線交替完成數(shù)據(jù)的存儲和負延時存儲空間的擦除。單級流水線各片F(xiàn)lash在頁編程時間完成前,另一單級流水線各片F(xiàn)lash的塊存儲空間已完成擦除操作,通過該方式實現(xiàn)負延時部分的高速循環(huán)數(shù)據(jù)擦除和存儲功能。電路原理如圖5所示,電路設(shè)計時將Flash分為同等數(shù)量的A、B兩組,各片F(xiàn)lash共用數(shù)據(jù)總線和部分控制總線,按照流水線的方式進行數(shù)據(jù)存儲。A級流水線A1片F(xiàn)lash某塊第1頁完成數(shù)據(jù)加載進入頁編程時間后,進行A2片F(xiàn)lash某塊第1頁的數(shù)據(jù)寫操作,在逐片完成A級流水線所有Flash某塊64頁存儲空間的數(shù)據(jù)加載后,進行A級流水線所有Flash下一塊存儲空間擦除,完成后進行B級流水線的數(shù)據(jù)寫操作,其操作流程與A相同。在B級流水線進行Flash某塊存儲空間數(shù)據(jù)加載工作的同時,A級流水線存儲陣列進行下一塊存儲空間的數(shù)據(jù)擦除。通過同一時間內(nèi)兩個獨立功能并行工作的方式確保Flash的連續(xù)循環(huán)寫操作。此存儲結(jié)構(gòu)的存儲速度計算公式為:

(n-1)>700

(1)

式中:V為向Flash中寫入數(shù)據(jù)的速度(MB/s);n為單級流水線所需Flash片數(shù);700為Flash一頁存儲空間最大頁編程時間(μs);2 048為Flash一頁存儲空間字節(jié)數(shù)量(B)。要實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)無丟失寫入Flash,V的值最低為10 MB/s,通過式(1)計算可知n>4.418,單級5片F(xiàn)lash就可以實現(xiàn)5 MHz采樣14 bit信號。

圖5 存儲流水結(jié)構(gòu)電路原理圖

3.2 關(guān)鍵數(shù)據(jù)的無線高效提取

中心監(jiān)控平臺由順舟科技公司生產(chǎn)的SZ05型ZigBee實現(xiàn)與各智能測試單元間的無線通信,并通過玻璃鋼天線增強ZigBee的通信距離。在空曠平坦場地實測,中心監(jiān)控平臺完成1 MB數(shù)據(jù)在1 km距離下的可靠無線回讀,受其最高57 600 bit/s的傳輸速率限制需耗時約146 s,因此要完全回讀各智能測試單元采集的1 GB數(shù)據(jù)在時間上難以忍受。為此,提出了一種新的高效數(shù)據(jù)提取方法,能夠從1 GB的測量數(shù)據(jù)中直接提取有效沖擊波數(shù)據(jù),實現(xiàn)有用數(shù)據(jù)的高效無損耗提取,其原理如圖6所示。根據(jù)水下爆炸形成的沖擊波信號有效時長一般在十幾毫秒內(nèi)的特點,找到?jīng)_擊波到來時刻St,提取上升沿前S1(長度32 KB)和上升沿后S2(長度140 KB)兩段數(shù)據(jù)即可得到完整的沖擊波信號,這樣無線回讀一次沖擊波有效數(shù)據(jù)大約耗時25 s,將傳輸數(shù)據(jù)量壓縮到原來的0.01%,實現(xiàn)了有效數(shù)據(jù)的高效提取。

圖6 關(guān)鍵數(shù)據(jù)提取原理圖

智能測試單元實現(xiàn)關(guān)鍵數(shù)據(jù)提取的流程圖如圖7所示。圖7(a)為數(shù)據(jù)寫流程圖,A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)進入FPGA后,將數(shù)據(jù)的高8位鎖存與設(shè)定閾值Tv進行比較,當采樣數(shù)據(jù)連續(xù)16次大于設(shè)定閾值時確認為內(nèi)觸發(fā)時刻,并將觸發(fā)信息編碼至指定存儲空間中。圖7(b)為數(shù)據(jù)無線讀取流程圖,首先從單片內(nèi)部Flash中獲取觸發(fā)時刻的地址信息,通過觸發(fā)地址回溯檢索算法對地址信息進行解算,在海量存儲數(shù)據(jù)中鎖定圖6中St位置時的存儲地址,從而精準讀取有效數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)進行無線發(fā)送。

圖7 數(shù)據(jù)提取流程

4 實驗測試及數(shù)據(jù)分析

為驗證設(shè)計方案的可行性和穩(wěn)定性,對研制的水下沖擊波超壓高速存儲測試系統(tǒng)進行了試驗測試,此次測試中選取多套智能測試單元中的兩套進行各項功能測試,試驗在一個長、寬均為2 m，水深為1.7 m的立方體水池進行,而傳感器和柱狀TNT藥包在水池中的布設(shè)情況如圖8、圖9所示。

圖8 試驗布設(shè)情況示意

圖9 現(xiàn)場試驗布設(shè)情況

試驗選取兩套智能測試單元同時進行不同藥量的多次測試,各傳感器按圖8所示測點位置進行連接布設(shè),其中兩套裝置在10.2 g和3.0 gTNT藥量下的部分測試數(shù)據(jù)波形如圖10、圖11所示。從圖10可知,測試儀捕獲到兩次氣泡脈動,圖10和圖11中第一次脈動超壓與炸藥爆炸超壓峰值的比值分別為11.53%、11.89%,均在脈動超壓與爆炸超壓數(shù)值關(guān)系理論計算的范圍內(nèi)[11],說明測試儀系統(tǒng)具有較高的測試靈敏度。

圖10 3.0 gTNT藥量測試點1處數(shù)據(jù)波形

圖11 10.2 gTNT藥量測試點2處數(shù)據(jù)波形

為進一步檢驗測試結(jié)果的準確性,將實測數(shù)據(jù)與經(jīng)驗公式計算結(jié)果進行比較。通過爆炸相似律知,質(zhì)量為W的藥包處在深度為H的水域中爆炸,在距離爆心R處的沖擊波超壓峰值Pm和氣泡脈動周期Tm采用如下經(jīng)驗公式:

Pm=(W1/3/R)T

(2)

(3)

式中:W為炸藥重量(kg);R為傳感器距爆點的距離(m);H為炸藥水深度(m);而K、T和Kr為經(jīng)驗常數(shù),其超壓相似律系數(shù)[12-13]如表1所示。

表1 炸藥超壓相似律系數(shù)

表2 理論計算結(jié)果與試驗測試數(shù)據(jù)誤差分析

5 結(jié)論

文中研究了一種能無線提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)的水下沖擊波瞬態(tài)信號高速存儲測試系統(tǒng),雙級流水線存儲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)沖擊波數(shù)據(jù)10 MB/s的高速無損存儲,觸發(fā)地址回溯檢索算法精準定位沖擊波超壓峰值數(shù)據(jù)的存儲位置。通過多發(fā)TNT藥柱的水下爆炸試驗,驗證測試系統(tǒng)各項測試數(shù)據(jù)誤差均在2%以內(nèi),同時也驗證了沖擊波超壓峰值數(shù)據(jù)無線提取的高效穩(wěn)定性。本測試系統(tǒng)布設(shè)便捷、多測試點無線組網(wǎng)迅速穩(wěn)定、測試精度高、能迅速獲取測試超壓峰值關(guān)鍵數(shù)據(jù),尤其適用于野外水下爆炸沖擊波的測試工作。

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Research on a Overpressure High-speed Memory and Test System of Underwater Shock Wave

LIU Hao1,2,YOU Wenbin1,2,PEI Dongxing1,2,NIU Yueting3

(1 National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China; (2 Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China), Ministry of Education, Taiyuan 030051, China; 3 Ordnance Engineering College of PLA, Shijiazhuang 050003, China)

In order to solve the problems of underwater shock wave overpressure test, such as the complicated arrangement of instruments, the low sampling frequency and the difficulty of obtaining the key data in time, the underwater shock wave overpressure storage system was designed. To realize high-speed data storage, a new two-stage pipeline circular storage structure was proposed seriously. Applying the trigger address back-track retrieval algorithm to position data storage location precisely. The intelligent configuration, condition monitoring and key data timely extraction were completed by ZigBee wireless network. The test results indicated that the system could fully record the shock wave overpressure transient signal with 10 MB/s rate, which had advantages of intelligence and easy to layout, and it was applicable for the test of underwater shock wave overpressure signal.

underwater shock wave; wireless communication; high-speed storage; data extraction

2016-04-28

國家自然科學基金(61471385)資助

劉浩(1990-),男,四川內(nèi)江人,碩士研究生,研究方向:智能控制和動態(tài)信息獲取。

TN98

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