存儲測試技術中采樣策略的研究

王 鵬 裴東興 張紅艷 王亞軍

(中北大學電子測試技術重點實驗室，山西 太原 030051)

0 引言

存儲測試不同于廣義的存儲測試技術，它是一種新概念動態測試技術。該技術具體闡述為：在對被測對象無影響或影響在允許范圍的條件下，在被測對象內置入微型數據采集與存儲測試儀，現場實時完成信息的快速采集與記憶;測試完畢后回收記錄儀，由計算機處理和再現測試信息[1]。

由于存儲測試儀置入被測體所在環境之中，故被測對象所處環境的特殊性與多變性在客觀上要求數據采集的方法一定要與之相匹配，即采樣頻率、系統增益以及偏置的選擇和設置要具有可編程控制性和自適應性。數據采集方法是存儲測試系統中的重要環節，它關系到信號獲取的質量和測試系統的精度。

本文根據被測信號的特點、測試要求和測試環境等因素提出了采樣策略的概念，分別從采樣頻率和系統增益兩個角度進行深入的研究，并總結了應用于多個動態參數測試試驗的采樣策略實現方法，重點提出了自適應性采樣策略的實現手段。

1 數據采集面臨的問題

在實際應用中，采樣周期TS決定了采樣信號的質量和數量。TS太小，會使采樣序列的數量劇增，從而占用大量的存儲單元;TS太大，會使模擬信號的某些信息被丟失，出現失真現象，影響數據處理的精度。因此，必須合理選擇采樣周期，以確保使fS不失真地恢復原信號f(t)，同時必須考慮存儲容量的限制[2]。

125破甲彈引信的加速度曲線如圖1所示。

圖1 加速度曲線Fig.1 The acceleration curve

在不同的時間段，實際測試時的被測信號有時變化快，有時變化慢，且信號幅值相差很大。因此，僅由信號的最高上限截止頻率確定采樣頻率并采集某一物理過程不一定是最優的，有時甚至是不可行的;同時，在有些情況下無法采用單一采樣頻率對被測信號進行采集和記錄。

由圖1可以看出，測試數據全程按時間特征分為7段。BC段為膛內低增益過程，從C段開始是高增益，CD段為后效期，DE段為后效期后相對平靜段，EF段為彈丸尾翼張開撞擊彈體產生的作用期，FG段為尾翼第一次撞擊后的相對平靜期，G段以后為尾翼多次余振的作用期，H段以后彈丸飛行受到空氣阻力平穩飛行。這7段數據的信號波形呈不規律變化，采集這類信號既要保證時間上的高分辨率，還要考慮到系統容量的有限性。

2 采樣策略的原理

綜合分析125破甲彈的加速度曲線后發現，彈丸從發射、出膛到飛行的整個過程存在膛內、出膛口、飛行3個環境。每個環境的狀態都不一樣，進入每個環境的采樣規律也不一樣。為達到最佳測試效果，根據被測對象運動規律及其變化而相應地采取或改變采樣的規律，稱為采樣策略[3]。采樣策略包括：系統增益、采樣頻率以及偏置電平等。正確的采樣策略是實現新概念動態測試的關鍵技術。

根據實際測試情況，將采樣策略分為5類。為了較好地說明采樣策略，本文采用狀態圖進行描述。

2.1 單次單變采樣

單次單變采樣是指在一次測量過程中，采用固定的采樣頻率、系統增益、系統偏置的組合的采樣方法。被測過程發生的時間相對隨機，在信號到來前，測試裝置一直不停地循環采樣記錄一部分存儲器容量的數據。當信號達到一定幅度時，即停止采樣記錄。例如放入式電子測壓器采樣策略，其狀態圖如圖2所示。

圖2 單次單變采樣策略狀態圖Fig.2 State diagram of the single univariate sampling strategy

2.2 單次多變采樣

單次多變采樣是指在一次采樣過程中，采樣頻率及系統增益、偏置隨被測過程的變化而按一定的規律變化的采樣方法。發生的時間是相對隨機的，由觸發事件決定一次采樣過程在適當的時間停止，由隨后的觸發事件或定時時間確定狀態的轉換。例如三環境破甲彈引信測試采樣策略，其狀態圖如圖3所示。

圖3 單次多變采樣策略狀態圖Fig.3 State diagram of the single multivariate sampling strategy

2.3 隨機復合單次采樣

隨機的復合單次性采樣是單次性采樣的多次重復，一般是單次性單變采樣過程隨機發生的組合。每一次重復的發生時間是相對隨機的，因此要靠每一個過程的觸發事件來決定一次采樣過程在適當的時間停止[4]，例如引信運輸碰撞試驗采樣策略設計。

2.4 復合多過程采樣

復合多過程采樣即工況過程采樣，通常每個工況的記錄起點不重要，由外部觸發一次采樣過程(或由定時啟動一次采樣過程)，每個工況記錄的存儲器低位地址從0開始，存儲器的高位地址表示記錄的工況序號[5]，例如坦克發動機、傳動系統按工況過程測試。

2.5 多參量多變過程采樣

多參量長時間單一(或多變)過程采樣是黑匣子的特點。它需要記錄的信號很多(可多達100路以上)，而且記錄時間長、數據量大;由導彈發射命令外部觸發一次采樣過程，記錄起點的存儲器地址從0地址開始;放置測試裝置的空間相對較大，供電電源的容量相對較大;記錄的是導彈飛行的狀態信號(如陀螺狀態信號、舵機狀態信號等)和彈上計算機發出的命令[6]。測試裝置對導彈系統的影響必需在規程規定的范圍以內，一般采用單片機作為測試裝置的控制器。

3 自適應性采樣策略

由于測試目標信號的多樣性，所以對于不同的測試對象必須設計不同的采樣策略，這就使得測試系統的開發周期延長，同時也浪費了人力物力，并且使得電路的可靠性降低。在綜合上述各種采樣策略研制過程的基礎上，研制出多種基于CPLD、SoC的專用集成電路(application specific integrated circuit，ASIC)，這樣就能針對不同的測試要求，配以傳感器、適配電路、模數轉換器和存貯器等測試部件，再經過簡單的連接就可組成高性能的測試系統。

為了更靈活地適應各種測試要求，提出了自適應性采樣策略的設計思路。同時，選用DSP等MCU作為核心控制芯片，制作測試系統的基本采樣模塊;根據實際測試要求即時更新DSP中的邏輯內容，以適應測試信號幅值的跳變性以及頻率的多變性要求。

3.1 系統增益的自適應

為了滿足對系統增益的自適應采樣要求，需要在測試接口中加入增益可調的高精度放大器。由于現有集成程控增益放大器的可調增益范圍有限，例如PGA103的可調增益只有1、10、100這3檔，所以實際應用中很難滿足使用要求。本文在現有的研究基礎上提出的智能自適應采樣策略，是將MCU主控芯片和程控增益放大電路結合起來，通過采集和控制電路來自動調整，智能化程度較高、可調增益范圍較大。由于可調節的檔位較多，所以輸入信號的動態范圍較寬。

3.1.1 系統結構

輸入信號首先進入程控放大模塊，放大倍數設定為1;然后由采集模塊進行采集并由DSP作出判定。當DSP判定測試結果不滿足采集模塊的需求時，DSP將重新計算適合所采集數據的量程以及增益，并通過計算得到的放大倍數反饋調整程控放大模塊的相應管腳。這樣重復采集、判定直至滿足系統增益的自適應采樣要求。系統結構框圖如圖4所示。

圖4 系統結構框圖Fig.4 Structure of the system

3.1.2 程控放大模塊

程控放大電路由放大器AD620以及配合放大器使用的程控數字電位計AD8403組成，它將微弱的電

AD8403是四通道、256位、數字控制可變電阻(VR)器件，可實現與電位計或可變電阻相同的電子調整功能。AD8403內置4個可選的獨立可變電阻(1 kΩ、10 kΩ、50 kΩ、100 kΩ)，可提供 24 引腳 PDIP、SOIC和TSSOP這3種封裝。其內置一個帶游標觸點的固定電阻，游標與固定電阻任一端點之間的電阻值，隨傳輸至VR鎖存器中的數字碼呈線性變化。在A端與游標或B端與游標之間，各可變電阻提供一個完全可編程的電阻值。每個VR均有各自的VR鎖存器，用來保存其編程電阻值[7]。這樣，在DSP的16位數字信號控制下，電位器就具有自動改變滑動端與固定端之間阻值的功能，從而實現程控放大功能。

3.1.3 軟件模塊設計

設輸入電壓為 Vi、輸出電壓為 Vo、AD8403和AD620組成的程控增益放大器的放大倍數為G，則可以得出以下關系：

由式(1)和式(2)可得：

壓信號進行放大，以滿足采樣系統的需求。AD620是一款高精度、低失調電壓(最大50 μV)和低失調漂移(最大 0.6 μV/°C)的放大器，它還具有低噪聲、低輸入偏置電流和低功耗特性，專為滿足可編程非標準增益要求而設計，是傳感器接口等精密數據采集系統的理想之選。它僅需要增加一個增益調節電阻RG，便可配置成軟件可編程增益放大器(SPGA)。將AD8403配置為SPGA的增益調節電阻RG，增益步進完全由用戶根據實測需要選擇。其放大倍數G與增益調節電阻RG的關系為：

當電壓信號進入程控放大電路時，具體流程如下。

①將放大器的放大倍數設置為1，即原信號輸入;

②由采集電路采集數據并由DSP對數據進行比對及計算，判斷是否符合采集電路量程的要求;

③當不符合要求時，由DSP根據采集電路所測數據判斷輸入信號范圍，并將放大電路的放大倍數進行調整，再重復第②步;

④對于經過重復調整符合采集電路量程要求的信號，通過采集模塊完成模數轉換存到存儲器中;同時根據式(3)進行精確計算并以編碼的形式將放大倍數及存儲地址一同存到存儲器中。這樣數據采集完成后，根據存貯器中A/D轉換的數據和相應的增益編碼可精確還原出原被測信號。

主程序流程如圖5所示。

圖5 主程序流程圖Fig.5 Flowchart of the main program

3.2 采樣頻率的自適應

在實際采樣過程中，常常遇到信號在某一段時間內變化快需高采樣頻率、在某一段時間內變化慢需低采樣頻率的狀況。為了不丟失信號的細節，通常系統都全程采用較高的采樣頻率進行采樣，但是這又與有限的系統存儲資源相矛盾。因此，根據信號的變化率自適應地采取合適的采樣率，可減少資源浪費。

采樣頻率自適應策略流程如圖6所示。

圖6 采樣頻率自適應策略流程圖Fig.6 Process of sampling frequency adaptive strategy

對于頻率變化比較緩慢的信號，它在相鄰的幾個周期內的頻率變化很小。因此，可以通過對其進行頻譜分析，并采用軟件算法得到信號的實際頻率，然后用DSP實時計算后得到的實際頻率自動調整、更新A/D的采樣頻率。這種方法為采樣頻率的自適應采樣提供了一種思路。

本算法采用一定寬度的時間窗和基礎采樣頻率采集一段信號，通過DSP實時地對該信號進行FFT運算;然后在頻域內計算所采集信號的實際頻率f0，并以此頻率更新系統采樣頻率。通過重復這一過程不斷修正采樣頻率，使系統的自適應采樣策略得以實現。在實際應用中，采用DSP芯片TMS320VC5509，可將采樣時間精確到5 ns。

需要說明的是，DSP是通過實時計算上一時間窗采樣序列所確定的信號頻率來修正本次ADC的采樣頻率，因此，本算法能被采用的前提必須是被測信號的頻率在單位時間窗內不會發生大幅突變，否則將很難滿足系統的實時性采集要求。對于爆炸沖擊波等信號，本算法還存在許多亟需完善的地方。

4 結束語

根據存儲測試的特殊要求，針對采樣頻率、系統增益等可調節因素的變化規律，研究總結了基于ASIC的多種采樣策略實現方法，并重點提出了基于DSP主控芯片的自適應采樣策略實現手段[8－11]。自適應性采樣策略可使測試系統達到最佳測試效果。實測試驗驗證了該方案具有很強的存活性和可靠性，能適用于不同的動態存儲測試。本文所探討的存儲測試是新概念存儲測試的關鍵技術，對于通用復雜環境動態測試系統的研制具有指導意義。

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