基于閃存的引信電池大容量存儲測試方法

謝 銳,馬鐵華,裴東興

(中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室,山西太原 030051)

0 引言

儲液式引信化學電池安全性好、儲存時間長,因此廣泛應用于引信供電電源中[1]。引信電池的電壓上升時間(激活時間)、供電電壓值、供電持續時間和噪聲大小是電池性能的重要指標[2]。激活時間過長,將會影響整個火炮系統的最小攻擊距離;掉壓或供電不完全,供電時間短,可造成引信瞎火、早炸,影響引信的炸點分布情況[1];電池噪聲增大可引起炸距增大,當電池噪聲增大到一定程度時,會導致早炸[2]。因此電池性能對引信正常工作有很大影響。

在實驗室測試引信電池性能,即使用雙環境力電源性能測試裝置,模擬引信工作時的高沖擊與高速旋轉環境,使電池被激活并有穩定的輸出,進行電池在規定負載下的放電測試,得到電池的激活時間、輸出電壓、輸出持續時間和噪聲等動態參數。根據噪聲的帶寬范圍,要測得可靠的數據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,測試時間較長,不低于250 s。綜合以上因素,要求測試技術能同時達到高速采樣與大容量存儲要求。

基于存儲測試技術的引信電池測試儀要能置于被測體體內,跟隨被測體一起運動并且不影響被測體的運動規律[3-4],小體積、抗高沖擊是實現測試功能的基礎。為了保證測試過程的可靠性和持續性,高信噪比和低功耗是設計時的重要因素。現有的引信電池存儲測試儀,具有體積小,抗沖擊性好的特點,可跟隨引信電池上彈發射。同時,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,存儲容量小,一般為幾十或幾百KB,采樣時間為毫秒級[5],無法實現高采樣頻率、長時間的數據記錄。針對此問題,本文設計了一種基于閃存的大容量存儲測試方法。

1 引信電池存儲測試儀

現有的引信電池存儲測試儀,為了減小體積降低功耗,充分利用了單片機內的集成模塊,減少了外圍元件的使用[5]。TI公司的MSP430F系列單片機,集成度、體積、功耗等綜合性能較好,片內集成有AD、存儲器、接口等部分。基于單片機的引信電池存儲測試儀[5],采用MSP430F1612單片機,內嵌12 bit16通道的ADC,55 KB+256B Flash Memory和5 KB RAM。通過對此單片機的設計在單個芯片上實現了以下系統功能:AD轉換、存儲器、采樣頻率控制、芯片管理、地址發生器、延遲控制,系統具有階段管理和自動工作轉換功能。圖1為基于單片機的引信電池存儲測試原理圖。虛線框內是單片機內部劃分的多個功能模塊。

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

2 大容量存儲測試方法

對于本文中引信電池實驗室放電測試,主要解決的問題為如何實現高的數據存取率,以及如何長時間記錄電池激活前后完整的輸出曲線。單純的單片機控制難以實現高速運行,而單獨采用CPLD控制功耗較大且邏輯復雜[6-7]。在實現高速數據采樣和大容量數據存儲的功能,同時控制功耗和體積的前提下,本文設計的存儲測試方法采用單片機與CPLD共同控制的模式,使用兩片閃存交替工作組成數據存儲器,滿足了電池放電測試高采樣頻率和長時間記錄的要求。單片機控制測試系統工作狀態的轉換和發出對閃存進行寫入、讀取、擦除操作的命令,CPLD控制高速數據采樣轉換和轉換完畢后數據的緩存。這樣的設計充分利用了單片機功耗低、邏輯簡單,CPLD速度高的優點,提高了測試系統的功能性和穩定性。閃存中設計了負延遲單元,存儲電池激活前的數據,使測試結果可以顯示完整的放電曲線。

數據存儲器選用三星公司的NAND型閃存K9F4G08U0B,單片容量為512 MB。NAND結構閃存的特點是:以頁為單位進行讀和編程操作,以塊為單位進行擦除操作。對一頁(2 KB)數據編程進入非易失介質的典型時間為 200μs,擦除一塊(128 KB)的典型時間為1.5 ms。數據、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、信號采樣轉換模塊、控制模塊、數據存儲模塊、接口模塊和電源管理模塊組成。圖2為大容量存儲測試方法原理圖。

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

2.1 高速采樣控制

電池輸出信號通過模擬適配電路分為電壓和噪聲兩個通道,使用CPLD對外部晶振分頻后的信號作為AD轉換的時鐘,這樣得出的信號穩定且占用芯片資源少。采用固定采樣頻率雙通道循環采樣的策略,每通道采樣頻率可達1 MHz。為達到高速數據采樣,相應地也要提高數據存儲的速度,CPLD內部同時實現數據的緩存功能,將一定量的數據一次性快速寫入閃存中,避免了對數據的多次處理產生的耗時。

2.2 負延遲與低功耗

由于測試時間較長,為了滿足測試要求并降低功耗,測試過程中設計了負延遲和低功耗兩種狀態。

將數據存儲部分分為兩個單元,第一單元存儲負延遲的數據,第二單元存儲觸發后的數據。觸發前電池未被激活,為負延遲狀態,此狀態下閃存循環記錄數據,觸發后(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態輸出,這樣,電池激活前的一段數據得以保留。記錄完畢后和數據擦除后測試儀處于低功耗狀態,低功耗狀態下單片機控制關斷模擬部分電源,數字部分處于休眠狀態,有效降低了功耗。

2.3 大容量閃存的應用

設計大容量閃存作為外部數據存儲模塊。由于閃存存在較長的頁編程時間,編程時無法對其進行操作,為了在高速數據轉換情況下不丟失數據,并進一步提高存儲容量,采用兩片閃存芯片交替工作組成數據存儲器,總存儲容量擴大為1 GB。AD輸出為12 bit,閃存的數據線為8 bit,轉換得到的數據先進入CPLD轉化為2組8位數據,使數據位數匹配。對A片發出命令后,A片進行編程時對B片寫入數據,反之相同,這樣提高了測試儀的數據處理速度,滿足了測試要求。

3 實驗及測試驗證

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

對引信電池進行了多次不同g值與轉速下的放電測試,測試儀均工作正常,數據捕獲率百分之百。在額定轉速3 000 r/min、過載3 000 g的雙環境參數下對引信電池進行多次放電測試,其中一組測試數據如下所示。

圖3為完整的引信電池電壓輸出曲線。圖中橫坐標為時間,縱坐標為電壓值。圖中粗豎線是觸發線,表明了觸發時刻。從圖中可得出引信電池放電規律。引信電池從被激活到完全放電的過程中,電壓隨時間變化的關系:觸發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到最大值,引信電池在高速旋轉時進行放電,輸出電壓緩慢下降,在120 s之內電壓在有效范圍內,120 s之后輸出大幅下降,引信電池充分放電時間約為240 s。從圖中橫坐標可看出記錄時間達到了270 s,滿足了長時間數據記錄的要求,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間。從放大后的曲線可看出引信電池激活后輸出平穩。

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

圖5 為引信電池輸出的噪聲曲線,為了便于數據處理,噪聲通道設有基準電壓。

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噪聲最大,電壓達到穩定值后噪聲輸出呈周期性。曲線反映了在規定帶寬下輸出噪聲隨時間的變化關系,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

多次放電實驗后,數據的一致性良好,與理論設計值誤差較小。通過實驗可以得出:轉速的大小和旋轉的均勻性對引信電池輸出電壓值的大小和有效工作時間有較大影響,放電實驗中可以得到沖擊加速度值與激活時間的關系。為提高引信電池性能改進引信電池結構設計提供了重要的依據和參考。

4 結論

基于閃存的引信電池大容量存儲測試方法,采用單片機與CPLD作為控制器件,使用兩片大容量閃存組成數據存儲器,CPLD產生高頻采樣信號,單片機控制兩片閃存交替工作,存儲容量擴大至1 GB,滿足了電池放電測試大容量數據存儲的要求。實驗與測試表明:此方法可將采樣頻率提高到1 MHz,記錄時間延長到270 s,使用此方法可以實現引信電池放電測試時的高速數據采樣和長時間數據記錄功能。

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