沖擊波超壓時基同步存儲測試技術

摘" 要： 沖擊波超壓測試作為評價武器性能的重要手段，其測試過程要求測試設備具有多通道、大容量數據存儲和沖擊波信號觸發時間精確記錄的功能。基于此，提出一種時基同步的沖擊波超壓存儲測試技術。該技術以GPS衛星授時技術為基礎，通過GPS模塊輸出的串行數據和PPS信號對設備系統時鐘進行校準，并利用多通道數據存儲技術實現對數據存儲空間的管理和存儲數據文件的檢索。實驗結果表明，采集設備間時基同步誤差為256 ns，所研究的數據存儲技術寫入速度可達18.45 MB/s，可保證存儲數據的完整性和采集設備數據的穩定存儲。

關鍵詞： 沖擊波超壓測試； GPS模塊； 時基同步技術； 多通道數據存儲； 數據檢索； 寫入測試

中圖分類號： TN402?34； TJ510.6" " " " " " " " 文獻標識碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號： 1004?373X（2025）06?0001?08

Time?based synchronous storage testing technology for shock wave overpressure

LIU Hao1， ZHU Yichen2， BI Rong1， LIU Jia1， CUI Haoran3， CUI Jianfeng1

（1. School of Electrical and Control Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. School of Instrument and Electronics， North University of China， Taiyuan 030051， China;

3. School of Chemistry and Chemical Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： Shock wave overpressure testing is an important means of evaluating weapon performance， and its testing process requires the testing equipment to have multi?channel， high?capacity data storage and accurate recording functions of shock wave signal triggering time. On this basis， a time?based synchronous storage testing technology for shock wave overpressure is proposed. In this technology， based on GPS satellite timing technology， the device system clock is calibrated by means of serial data and PPS signals output by the GPS module. The multi?channel data storage technology is used to realize the management of data storage space and the retrieval of storage data file. The experimental results prove that the time?based synchronization error between the acquisition devices is 256 ns， and the proposed data storage technology can achieve a writing speed of 18.45 MB/s， which can ensure the storage of data integrity and the stable storage of the acquisition device data.

Keywords： shock wave overpressure test; GPS module; time?based synchronization technology; multi?channel data storage; data retrieval; writing test

0" 引" 言

常規武器毀傷參數測試中，沖擊波超壓作為評價武器性能的重要參數，可以準確測量試驗過程中產生的沖擊波超壓和沖量，為武器火力性能的評判以及武器升級換代提供設計依據[1]。目前，沖擊波超壓測試主要方法為存儲測試法[2?3]，該方法將采集、存儲和傳輸等功能模塊集成于單一設備內，具有測試現場布置方便、抗干擾能力強和使用靈活等優點[4]。隨著測試技術水平的不斷提高，為滿足更高的測試要求，測試設備采樣通道數增加，要求沖擊波超壓采集設備具有高效率、高可靠性和高穩定性的測試數據存儲技術[5?6]。

在靜爆試驗中，需采集多方位沖擊波超壓信號，將多個采集設備分別布置于距試驗點不同距離測點上。由于布設測點多，為提高測點間采集信號一致性與可比性，方便后期對各設備采集數據進行處理，需對各個測點沖擊波信號觸發采集時間做同步處理。沖擊波信號采集常用觸發方式有內觸發、光學觸發和斷線觸發。相比內觸發方式，后兩種方法通過檢測外部所提供的觸發信號，達到各測點設備間觸發時基相對統一[7]。內觸發方式通過設備內部電路判斷所監測沖擊波信號是否達到設定值來產生觸發信號，由于沖擊波信號到達不同位置測點的時間不同，無法利用該觸發信號進行設備間相對時基同步[8]。針對上述問題，將絕對時基同步技術和多通道測試數據存儲技術有效結合，提出一種應用于多通道沖擊波超壓采集設備、觸發信號絕對時基存儲的存儲測試技術，實現高精度時基同步和采集數據高效有序儲存的功能。

1" 系統方案設計

沖擊波超壓采集設備主要由供電單元、信號調理單元、CPLD采集控制單元、內/外觸發檢測單元和存儲同步單元五大部分構成，其總體結構如圖1所示。ICP沖擊波超壓傳感器采集的信號通過信號調理單元傳遞給CPLD采集控制單元；CPLD采集控制單元對傳感調理信號進行模/數轉換控制，并將轉換后的數據經EXMC接口傳輸至存儲同步單元；存儲同步單元采用兆易GD32F470作為主控MCU，通過MCU內部集成的SDIO接口與eMMC（embedded Multi Media Card）存儲模塊互聯，對接收的采集數據進行存儲；同時根據內/外觸發中斷信號記錄觸發時刻信息，并在信號采集完成后，通過USB接口將數據導出到上位機終端。

該沖擊波超壓采集設備可同時采集8路信號，并采用GPS模塊進行設備間時基同步，所選用的GPS模塊型號為ATK?1218?BD，模塊可接收北斗衛星和GPS衛星信號，可輸出協調世界時（UTC）和秒脈沖（PPS）。MCU可通過串口讀取UTC時間，并通過PPS信號連接MCU中斷引腳。同步算法利用PPS信號對單片機系統運行時鐘進行補償，設備以算法補償后的時間為基準，實現設備間高精度時基同步。

2" 系統關鍵技術實現

2.1" 高精度時基同步原理

沖擊波超壓采集設備內置GPS模塊，該模塊外接有源天線，用于接收北斗衛星或GPS衛星信號，GPS模塊通過衛星授時的方法為系統提供精確時間基準源。衛星授時方法以衛星時間為基準，GPS模塊通過接收衛星信號和時延補償機制在本地建立時間基準源，如圖2所示。GPS模塊可同時接收多顆衛星信號，通過獲取信號中相關信息來建立定位方程，對方程進行求解，得到模塊位置信息和本地時鐘偏差[9]。接收的衛星信號中還包括星歷參數，可通過該參數計算得到模塊和衛星間的精確距離，計算信號傳播距離時間修正值并對本地時間進行修正，恢復出衛星時間。

系統采用ATK?1218?BD型號的GPS模塊衛星授時精度達30 ns。MCU可通過兩種方式獲取GPS模塊衛星授時時間：一種是通過單片機外中斷捕獲秒脈沖信號，并將該信號當成1 s的起始時刻；另一種是通過串口獲取GPS模塊數據，通過NMEA?0183協議對數據進行解析，得到當前UTC時間。第二種方式獲得的同步時間為準確的年月日時分秒信息，其精度僅為秒級，無法達到系統高精度時基同步要求；但可以將兩種衛星授時時間獲取方式相結合，利用PPS脈沖信號補償系統運行時間，并通過串行數據接口讀取當前UTC時間，即可得到高精度絕對時間。

利用此方法可實現多設備間時基同步，如圖3所示，處于同一區域的各個設備通過自帶的GPS模塊獲取同一衛星星座時間，當MCU接收到由內外觸發電路發出的觸發信號后，讀取當前系統運行時間，進而獲得精確的觸發信號時間戳。沖擊波超壓采集設備外觸發電路用于檢測實驗過程中的有源斷線觸發信號。斷線觸發同步原理如圖4所示，設備分為若干組，一組分為若干個，分別擺放在距爆心不同半徑圓上。當戰斗部動作時，設備與其所連導線會斷開，產生觸發信號被設備外觸發電路捕捉。該電路利用高速光耦將觸發輸入信號隔離，光耦輸出連接至MCU中斷引腳，利用中斷記錄斷線觸發時刻系統運行時間。理論上連接同一斷線的設備所記錄的觸發時間誤差由GPS模塊授時同步誤差、光電轉換響應時間和單片機中斷執行時間等因素共同決定。

內觸發電路用于檢測實驗過程中產生的沖擊波超壓信號是否達到設定閾值，該電路由高速比較器和參考電壓設置電路構成。比較器輸入端連接信號調理電路，輸出信號連接CPLD。CPLD對8路比較器輸出做或邏輯處理后傳遞給MCU中斷引腳。單片機接收到內觸發中斷后說明設備已檢測到超壓信號，記錄此時系統時間即為內觸發時刻，如圖5所示。圖中：①為設備1記錄內觸發時刻；②為設備2記錄內觸發時刻；③為設備3記錄內觸發時刻。由于組內各個測點布放位置不一樣，超壓信號到達測點時間不同，導致設備記錄觸發絕對時刻不同，可通過設備間記錄的觸發時刻時間差計算出沖擊波超壓信號的傳播速度。

2.2" 絕對時基同步技術實現

設備在運行時，通過MCU內部32位定時器提供高精度系統時間，定時器時鐘由系統主時鐘（頻率為240 MHz）直接提供，時間分辨率可達4.17 ns。多個設備間僅使用此方法實現的時基同步作為相對時基，且設備間由于存在系統時鐘不同步和時鐘抖動問題，會造成時間基準存在誤差，且該誤差會隨時間積累，導致時基偏移現象。時鐘不同步和時鐘抖動如圖6所示。沖擊波超壓采集設備使用GPS模塊提供的精確本地時間實現絕對時基同步，首先利用GPS模塊提供的UTC時間獲得秒級世界時間，之后通過輸出的PPS信號校正定時器時鐘不同步和抖動引入的時間誤差。

系統上電后單片機初始化GPS模塊，完成串行數據輸出波特率配置、模塊測量頻率設置和PPS時鐘脈沖輸出寬度等操作后，模塊便開始接收衛星信號。當GPS模塊接收到多路衛星信號實現衛星授時后，模塊開始輸出PPS信號和NEMA數據，輸出時序如圖7所示，PPS信號和NEMA數據存在一定時間差T1，該時間為納秒級。

為保證系統運行的實時性和代碼執行效率，單片機固件設計中選用嵌入式實時操作系統RT?Thread，在此基礎上開發絕對時基同步技術。單片機的中斷引腳連接PPS輸出引腳，創建GPS同步線程后，首先線程函數對外部中斷檢測引腳和定時器1進行配置，該定時器計數器為32位，設置定時器時鐘頻率為240 MHz，啟動定時器，之后線程獲取同步信息量而自動掛起。

PPS信號觸發單片機中斷后，以中斷服務函數執行時間盡量短為原則設計函數執行流程，如圖8所示。單片機第一次檢測到PPS上升沿中斷時，說明GPS模塊接收多個衛星信號成功，在外部觸發中斷服務函數里將已經打開的定時器計數值清零并重新計數，然后釋放GPS同步線程信號量，喚起該線程。在GPS同步線程里進行兩次NEMA數據獲取，避開T1時間差，保證獲取數據為當前時刻準確的UTC時間信息。獲取到時間后將BCD碼的UTC時間信息轉換為32位的UTC時間戳格式，記錄為變量[Ts]，為方便后續對[Ts]進行操作，將[Ts]定義為全局變量，可供其他函數訪問。

單片機對第二次PPS信號觸發的外部中斷進行處理時，首先在中斷服務函數中讀取定時器1當前計數值，保存為[Ta]，并清除計數值重新計數，對UTC時間戳進行加1操作；對后續PPS信號觸發的外部中斷進行處理時，首先在中斷服務函數中讀取定時器1當前計數值，保存為[Ta+1]，并清除計數值重新計數，之后[Ta]和[Ta+1]相加計算平均值再重新賦值給[Ta]，該值為當前時刻評估1 s時長的基準，后續會在中斷服務函數中不斷對該值進行校正。如果其他線程獲取當前時刻時間，可通過讀取變量[Ts]、[Ta]和當前定時器1計數值[Tr]，通過下式獲得當前系統運行時間[T]，系統時間單位為s，該時間精度為4.17 ns。設備利用高精度時基同步計數，可實現設備時基與衛星星座時基統一，進而實現設備間絕對時基同步，為沖擊波超壓觸發信號記錄提供準確時基。

[T=Ts+（Tr/Ta）]

2.3" 數據儲存電路設計

沖擊波超壓采集設備所使用的數據儲存方案為內嵌型多媒體存儲卡（eMMC），其電路圖如圖9所示。eMMC芯片與單片機SDIO通過10根數據總線進行通信，其中CLK作為通信時鐘線由單片機SDIO外設驅動，用于數據和指令傳輸的同步；CMD線則作為單片機指令發送信號線和eMMC芯片的指令響應信號線；D[0：7]是8根數據傳輸線。由于傳輸過程中信號頻率較高，會產生高頻噪聲，因此在每根信號線上串聯一個22 Ω電阻以實現阻抗匹配。這些串聯的22 Ω電阻與信號線上分布的電容及負載的輸入電容構成一個等效RC電路，從而降低了信號邊沿的陡峭程度，對信號起到一定程度的濾波和降噪作用，進而提高設計的可靠性。該方案相對于非易失性存儲介質NAND FLASH[10]，在存儲芯片的物理架構、訪問接口和操作協議上進行了規范化處理。與同等容量大小的NAND FLASH芯片相比，eMMC具有體積小、功耗低和容量大等優勢[11]。此外，eMMC內部整合了閃存控制器來實現如NAND FLASH讀寫操作以及負載均衡、壞塊管理和ECC校驗等功能[12]。其芯片采用BGA（Ball Grid Array）封裝方式，在焊接后能夠與電路板充分接觸，并滿足高速度、小型化設計以及大容量需求，具備抗沖擊性以及高可靠性[13?14]。

2.4" 多通道數據存儲技術實現

多通道數據存儲技術利用儲存介質特性，實現沖擊波數據高效存儲、儲存空間管理和存儲數據檢索等功能。為采集完整的沖擊波信號，要求沖擊波采集設備具有預采樣功能，圖10為沖擊波信號采集過程。超壓信號采集過程分為預采樣和采樣階段，兩個階段有效采集時長均為10 s。預采樣階段系統采樣頻率為100 kHz，采集時長不固定，最大時長為10 s，超過10 s后之前采集數據會被丟棄。當系統檢測到觸發信號后，會進入采樣階段，該階段采樣頻率為1 MHz，連續采集10 s后完成一輪采集工作。為完成上述采集流程，采取SRAM和FLASH的存儲方案，SRAM存儲預采樣階段采集數據，FLASH存儲采樣階段數據，一輪采集工作完成后將SRAM中的數據保存至FLASH，完成整個階段數據存儲。

由于eMMC芯片內部硬件實現負載均衡和壞塊管理功能，因此可采用將預采樣數據直接存入eMMC，通過覆蓋寫的方式去掉不關心的預采樣數據，降低數據儲存電路復雜度。

數據存儲算法實現的重點在于存儲空間劃分，合理的存儲區域劃分可方便采集數據存儲和內部存儲數據檢索，提高系統可靠度。存儲區域劃分如圖11所示，可通過讀取eMMC芯片內部寄存器獲取整個磁盤的可用容量為14 930 MB。將磁盤分為兩部分，一部分為數據區，另一部分為引導區，引導區信息雙備份，如果一份出現錯誤可根據另一份進行糾錯并將數據還原。

系統上電后將對引導區BOOT區域信息進行校驗，如果校驗未通過說明磁盤已損壞或者磁盤未進行存儲空間劃分，將進行引導區重寫來劃分磁盤存儲空間。引導區在功能上被劃分為文件頭存儲區域和BOOT區，BOOT區存放系統版本號、eMMC總塊數、引導區地址、文件頭存儲區地址和當前操作文件序號等關鍵信息。當前操作文件序號指向下一個可操作的文件頭，當執行寫數據操作時程序可通過該參數信息找到操作數據區域。文件頭存儲區域用于存儲文件數據信息，為文件寫入、文件讀取和數據解析提供關鍵信息。從文件頭信息中的UTC時間戳[Ts]、1 s時間標準[Ta]和當前計數值[Tr]可以知道文件的建立時間，該時間也為觸發發生時刻。

數據區域被劃分為若干數據塊，數據塊大小設定至關重要。各個通道數據在數據塊中的存儲格式如圖12所示。系統為8通道數據同步采集，所以將通道1～8數據編成1組，數據按組由地址依次遞增儲存在數據塊中。數據塊大小通過采樣通道個數、單點數據所占字節數、采樣頻率和采樣時間這些系統信息計算得到。沖擊波超壓測試系統為8通道采樣，單點數據為2 B，預采樣頻率為100 kHz，采樣頻率為1 MHz，預采樣和采樣時長各為10 s，單次測試采集數據約需要167.8 MB存儲空間。為提高eMMC的寫入數據速率，設定一次數據區讀寫操作為4 KB，故設定實際數據塊大小為176 MB。數據區被劃分為82個數據塊，其數目和引導區文件頭數目一一對應，可根據引導區信息對數據塊進行檢索。

數據塊用于存放預采樣階段和采樣階段數據，數據塊寫入情況如圖13所示，大致情況分為3種，每種情況數據都是從小地址開始遞增，寫滿數據塊后再繼續從小地址開始寫入，此時之前存儲數據會被覆蓋。

情況1為最理想情況，數據塊先寫入預采樣階段數據，之后再寫入采樣階段數據，采樣數據寫完，標志數據塊則寫入完成。在寫入過程中記錄寫入結束地址、預采樣字節數和采樣字節數，在讀取數據時可通過這三個關鍵信息進行解析。數據塊寫入過程中的關鍵信息在數據塊寫完后會被存儲于文件頭中，文件頭更新后將BOOT區域當前操作文件序號更新，完成整個采樣過程數據存儲。情況2和情況3分別為在采樣階段和預采樣階段發生數據覆蓋，被覆蓋數據為預采樣階段數據，可通過情況1方法對數據進行解析。

3" 系統性能測試與分析

本文進行2個實驗：實驗1為設備間時基同步精度測試，測試絕對時基同步技術的精度；實驗2為大批量數據寫入測試，模擬多次的沖擊波超壓信號采集實驗，測試應用多通道數據存儲技術的設備在實際運行情況下的穩定性和可靠性。

3.1" 時基同步精度測試

時基同步精度測試圖見圖14，設備1和設備2放置在空曠室外，板上GPS模塊連接有源天線接收GPS信號，信號發生器輸出通道2連接設備1和設備2外觸發輸入引腳。設備1和設備2通過USB轉串口模塊供電，并通過該模塊將記錄的觸發時間發送至計算機。GPS模塊同步成功后，模塊狀態指示燈由常量變為閃爍，閃爍頻率為PPS信號輸出頻率。看到指示燈閃爍說明GPS模塊衛星授時成功，打開信號發生器通道2輸出開關，通道2將輸出脈沖信號，信號頻率設置低于0.05 Hz，并在實驗過程中改變信號輸出頻率，模擬沖擊波測試實驗斷線觸發信號。

連續實驗200余次，實驗時長為2 h。將設備1和設備2記錄觸發時間導出，求得兩個設備實驗數據差值并記錄，結果如圖15所示。因設備間性能有所差異，造成記錄數據存在偏差，理論上設備間所記錄觸發時間差值為0，即記錄數據差值真值為0。數據差值則表示設備間時基同步絕對誤差，差值最大值為256 ns，該值為設備間時基同步精度。

3.2" 多通道數據儲存技術寫入速度測試

測試數據寫入速率是通過存儲數據量除以所用時間得到的。存儲數據為由MCU生成的指定數據，單次測試連續寫入200 MB固定的數據量。為了更好地模擬沖擊波超壓的實驗數據，其中：47 MB為預采樣階段數據量，153 MB為采樣階段數據量。存儲數據所用時間是通過MCU內部滴答定時器完成計時的，其原理是在MCU內部滴答定時器設置了一個1 ms的定時器，并在該定時器超時處理函數中維護一個累加的全局變量。當數據全部寫入完成后，關閉定時器，讀取計數值并轉換為對應時間值，進而得到存儲數據所用時間。

為了充分驗證多通道數據儲存技術寫入速度，將上述寫入操作重復進行60輪，每寫入一輪后檢測數據寫入是否正確。寫入速度測試結果如圖16所示。測試結果表明，平均寫入速度約為18.45 MB/s。此外，本次測試共寫入12 GB數據，過程中并未出現數據寫入失敗、丟失等現象，表明該儲存技術穩定、可靠。

4" 結" 語

本文針對沖擊波超壓測試中要求數據存儲設備具有多通道、存儲大容量和精確時基同步等特點的應用背景，設計了一種時基同步沖擊波超壓存儲測試技術。該技術基于GPS衛星授時技術準確獲取本地時間，并通過PPS信號對系統時間進行校準，實現設備間高精度時基統一；設備以eMMC作為數據存儲介質，利用多通道數據存儲技術實現對數據存儲空間管理和數據文件檢索的功能。通過60次模擬沖擊波超壓數據量寫入測試實驗和時基同步精度測試實驗，測得設備間最大同步差值為256 ns，應用存儲技術設備平均寫入速度約為18.45 MB/s，表明沖擊波超壓時基同步存儲測試技術滿足測試需要。

注：本文通訊作者為崔建峰。

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作者簡介：劉" 豪（1988—），男，河南南陽人，博士研究生，講師，研究方向為動態測試與智能儀器。

朱益辰（1991—），男，山西太原人，碩士研究生，研究方向為微系統設計、存儲測試技術。

畢" 榮（1998—），男，山西忻州人，碩士研究生，研究方向為動態測試與智能儀器。

劉" 佳（1991—），女，黑龍江人，博士研究生，講師，研究方向為極端環境下的測試技術。

崔浩然（1989—），男，山西長治人，博士研究生，副教授，研究方向為裝備健康管理。

崔建峰（1980—），男，河南安陽人，博士研究生，副教授，研究方向為分布式智能測控系統、故障診斷與健康管理、先進控制理論及應用。

收稿日期：2024?07?31" " " " " "修回日期：2024?09?17

基金項目：山西省基礎研究計劃資助項目（20210302124311）；山西省基礎研究計劃資助項目（20210302124266）