壓力測試中多次觸發連續存儲技術的研究?

軒春青，軒志偉，賴富文

(1.鄭州商學院信息與機電工程學院，河南鞏義451200；2.中北大學電子測試技術國防重點實驗室，太原030051；3.鄭州威科姆科技股份有限公司，鄭州450001；4.中國白城兵器實驗中心，吉林 白城137001)

爆炸過程所產生的沖擊波壓力場的大小是評估武器威力和性能的一項重要指標[1-3]；受測試手段限制，目前僅能對沖擊波場中若干關鍵點的壓力值進行測試，對沖擊波場進行重構進而評估毀傷效果，試驗研制成本很高，準確可靠的獲取數據顯得極為重要[4]。當前國內外沖擊波壓力場信號測試方法主要有:引線電測法和存儲測試法[5-7]。其中引線電測法可隨時監測測試節點狀態和更改參數，易于數據回收；但布線繁瑣，易引入干擾。存儲測試技術將傳感器與采集存儲模塊作為一體布設到測試場內，采用壓力觸發方式獲取沖擊波信號，實現多點測試[8-9]；但測試節點布設完畢后無法監測其工作狀態，參數更改不便、靈活性差；預設壓力觸發方式易受環境影響誤觸發采集不到有效數據；數據回收需要讀取每個節點數據，效率較低[10-12]。

本文介紹一種基于多次觸發連續存儲技術的無線分布式測試系統，將多次觸發連續存儲技術與無線技術結合到一起，當測試節點誤觸發采集過程未結束而真實信號到來時，使測試節點擺脫傳統的單次觸發固定采集時長的局限性，實現真實信號的完整的采集，提高了測試的可靠性。采用WiFi技術實現控制中心與測試節點之間的數據交互，實現測試節點集中管理和狀態監測，數據傳輸過程采用編幀方式，確保傳輸的可靠性；裝置采用PCB貼片天線，減少對沖擊波信號的干擾，提高測試的準確性。

1 多次觸發連續存儲技術

早期測試中因開始測試時間不定、等待時間較長且存儲器容量有限，為獲取完整的沖擊波信號，采用負延時加預設壓力值觸發的方式，合理的利用存儲容量，但是存在誤觸發問題，采集不到真實信號；后期的多存少取技術采用連續觸發方式對數據進行記錄；通過大容量的數據存儲來增加有效信號記錄時間，雖然降低外界干擾對系統的影響，提高了存儲測試的可靠性[1]；當系統被誤觸發后，在該采集周期內，若沖擊波信號到來，系統將無法采集到完整的壓力信號。

多次觸發連續存儲技術是在延時觸發與多存少取的基礎上根據壓力沖擊波信號上升沿陡峭、持續時間短的特點，針對性的制定觸發策略，在確保采集到真正信號的前提下減少誤觸發。采用信號觸發識別控制技術，通過對觸發后采集到的數據進行比較識別，判斷是否為再次觸發，從而調整存儲長度，達到獲取完整信號的效果，工作原理如圖1所示。

圖1 多次觸發存儲原理框圖

ADC變換器將模擬信號轉換成數字信號(測試數據)，數據被順序存儲到緩沖區中，控制器同時將數據與設定閾值相比較，如果識別到多個連續超出閾值、各點之間遞進增大且突變較大的信號，則認為是有效數據，停止緩沖區循環記錄，并標記緩沖區數據位置，將后續數據依次存入到存儲器中。在數據存儲過程中，控制器將獲取的壓力信號輸入電壓比較器與預設參考電壓比較。控制器對電壓比較器輸出進行檢測，若發現較長時間的高電平輸出，則認為是再次觸發，將在目前記錄時長的基礎上，增加存儲記錄時間。因壓力信號上升迅速，持續時間較短，適當的設置負延時可以避免單個信號帶來的重復觸發。使用電壓比較器識別再次觸發減少對數據存儲過程的影響；控制器僅對電壓比較器的輸出進行識別，以判斷是否增加存儲時間，通過增加硬件資源，提高系統效率與響應速度。

圖2是多次觸發連續存儲系統的工作流程與時間關系圖，系統上電后，進入采集模式，將采集到的數據順序存入緩沖區中，并根據觸發控制條件判斷是否為有效數據，而后進行順序存儲，有效數據記錄時長為T0。如果在該采集周期的Ti時刻識別到第二次觸發，那么系統有效記錄時長為T0＋Ti；如果在采集結束之前識別到N個觸發，第N次觸發時有效記錄時長記為Tj，那么系統有效記錄時間為T0＋Tj。系統總的記錄時長受存儲器容Mt量和采樣速率Fs限制，即 Ta＝Mt/Fs；如果 Ta大于 T0＋Tj，則可以保證獲取完整的沖擊波壓力信號。

圖2 多次觸發連續存儲系統的工作流程與時間關系圖

2 測試節點的設計

結合沖擊波壓力信號的特點，根據多次觸發連續存儲的思想，對測試節點進行設計，采用PCB公司的ICP傳感器。該傳感器需要2 mA～20 mA恒流源供電，20 V～30 V左右激勵電壓下正常工作，輸出信號中帶有8 V～14 V的偏置電壓；系統中電路設計帶寬為0.1 Hz～250 kHz，信號采樣頻率1 MHz，分辨率12 bit。測試節點主要由信號調理電路，存儲控制電路及無線通信電路組成；系統采用單電源供電，其中信號調理電路主要結合傳感器的特點，給傳感器提供激勵電壓(24 V)、恒流源(4 mA)等，并對輸出的信號進行調理濾除輸出偏置電壓，放大后輸入抗混疊濾波器；因沖擊波壓力信號存在負壓區域(幅值較小)而所用ADC轉換器輸入電壓范圍為0～5 V，為保證信號完整性，對放大濾波后的信號添加1.25 V偏置電壓。信號經過調理后，接入存儲控制板進行模數轉換和存儲控制。存儲控制板采用FPGA作為主控制器，用于完成壓力信號的采集轉換、負延時控制、觸發電平選擇、觸發識別、存儲器讀寫控制及通信傳輸等各項功能，各個功能模塊相互獨立，系統實時性強。測試節點系統架構如圖3所示。

圖3 測試節點結構框圖

3 數據回收設計

系統設計時采用USB接口與無線通信相結合的方式，以無線通信為主。在測試節點中采用具有IEEE 802.11b/g傳輸協議WiFi模塊，在FPGA的控制下完成與外界的數據交互[10]。各個測試節點通過無線AP(無線接入點)與控制中心組建成一個局域網；采用C/S架構，使用socket連接進行通信。控制中心可通過網絡對測試節點狀態的狀態進行實時監控；數據傳輸速率高，最大可達54 Mbyte/s，數據回收方便，適合大數據量的回收；在無線故障或禁止使用無線的場景，可通過USB接口設置系統參數，完成數據回收，增強系統可靠性。

為避免無線信號較差傳輸中斷而造成的數據丟失，在使用TCP連接的基礎上對數據進行分包處理，并增加校驗位。測試節點在回傳數據前對數據進行分包編幀處理，增加幀號、數據長度和校驗位等。控制中心收到數據后根據幀頭、數據長度和校驗位等對收到的數據進行解析確認，無誤后根據幀號對數據進行提取重組。若收到數據不完整或者丟失，則請求測試節點重新發送相關幀號的數據。

4 系統功能驗證

為驗證系統的可用性，利用該測試系統采集模擬壓力信號。通過控制中心對測試節點進行參數設置，進入待觸發狀態，模擬產生多次壓力信號完成觸發采集；采集完成后重新設置單次采集的存儲長度，累計對系統進行5次采集操作；每次采集過程中累計觸發次數分別為4次、3次、5次、4次與3次。使用無線對獲取的數據進行讀取并顯示，測試結果如圖4所示，其中圖5為第一次采集連續觸發信號的放大圖。從圖中可知系統完整記錄5次采集操作所產生的波形，每次采集的數據中所觸發的次數與實際操作一致；且采集過程中能夠識別到再觸發而延長存儲時間，如圖所示。將無線回收的數據與USB讀取數據進行比對，二者完全一致，無數據丟失。結果表明，設備能夠實現多次觸發連續采集的功能，能在單次觸發過程中識別到再次觸發，擴展存儲深度，保證采集到完整的數據。

圖4 五次采集過程數據圖

圖5 單次采集多次觸發過程放大圖

5 結論

針對沖擊波壓力測試提出了一種多次觸發連續存儲的技術，用于解決存儲測試系統在誤觸發過程中壓力信號到來而無法采集到完整信號的問題。針對沖擊波信號特點，使用FPGA＋電壓比較器并配合軟件程序完成信號采集過程中再觸發的識別，與參考文獻[1]相比通過采用再觸發識別技術提高了系統獲取有效數據的概率。采用WiFi通信技術，對測試節點進行組網管理，前端覆蓋范圍可達200 m，提高了系統的靈活性，解決大量數據回收不便的問題，并針對無線不穩定造成數據丟失制定相關策略，保證數據回收的完整性。研制了測試系統工程樣機，并通過相關試驗驗證系統功能的可靠性與穩定性；在誤觸發的情況下可成功獲取現場的壓力信號，具有實際應用價值，可以在相關應用中推廣使用。