爆炸場壓力測試多存少取技術研究

王文廉，張晉文，趙晨陽，張志杰

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051）

爆炸場壓力測試多存少取技術研究

王文廉1，2，張晉文1，趙晨陽1，張志杰1，2

（1.中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051）

爆炸場壓力信號測試過程中，現場干擾容易引起錯誤的系統觸發導致測試失敗。針對分布式存儲測試系統，提出一種多存少取的測試技術。大容量的測試數據存儲實現長時間的信號記錄，可避免誤觸發引起的失效；標記并提取小容量的有效數據段，可改善數據傳輸和數據處理效率。設計并研制了一種基于多存少取技術的爆炸場地面壓力測試系統，測試節點采樣速率1 Msps、128 Gb數據存儲、512 kW有效數據段提取，并具有Wi-Fi無線網絡覆蓋。

爆炸場；壓力測試；多存少??；無線網絡

爆炸過程中的沖擊波壓力測試是武器研制過程中威力評估和性能評價的重要手段［1－3］，研制試驗成本很高，必須保證測試的可靠性。常規的測試系統記錄時間短，需要可靠的系統觸發來保證瞬態爆炸壓力信號測試的成功。系統觸發方式包括手動觸發、斷線觸發、壓力信號觸發和無線控制觸發等［4－6］。在多數的爆炸測試環境中，測試人員遠距離撤離，無線網絡在爆炸前一段時間關閉，壓力測試系統的工作狀態很難監測，現場干擾可能引起測試系統誤觸發導致測試失敗。另一方面，隨著壓力場測試要求的提高，測試節點的數量越來越多，測試數據量不斷增加，加重了數據傳輸和處理的負擔。特別是無線通信技術逐漸應用于測試系統的控制和數據傳輸，其有效通信速率相對較低［7－9］，對于信號采集速率較高的沖擊波壓力測試，很難實現大容量數據傳輸。

本文針對分布式存儲測試系統提出一種多存少取的測試技術，通過大容量的數據存儲來實現長時間的信號采集，從而擺脫系統依靠觸發記錄的工作方式，提高測試的可靠性。并且，提取小容量的有效數據段進行傳輸，提高數據傳輸效率。以多存少取技術為基礎，研制了一種基于Wi-Fi無線技術的爆炸場沖擊波壓力測試系統。

1 多存少取測試技術

在常規的沖擊波壓力測試系統中，比如通用型的采集卡設備，為了獲得高的采集速率，需要選擇存儲容量小、存取速度快的SRAM或SDRAM等存儲器件。受限于數據存儲容量，測試系統記錄的信號長度短。此類測試系統為了捕獲瞬態的爆炸壓力信號，必須采用觸發記錄的工作方式。圖1是常規測試系統的工作流程與工作時間的關系。為了獲得觸發時刻前的負延遲數據，系統上電后立即進入循環采集存儲狀態，即待觸發狀態，時間長度為Tw；如果檢測到觸發信號，系統進入順序采集存儲狀態，即信號采集狀態，時間長度為Ts；系統總的工作時間為Ta，表示為Ta＝Tw＋Ts。在實際的試驗場應用中，等待觸發時間Tw需要很長，主要包括人員撤離、其他測試部門協調、安裝起爆裝置、下達指令等時間。而有效信號采集時間Ts很短，由數據存儲容量和采樣速率決定，通常為幾秒鐘。如果系統在爆炸前發生了誤觸發，Ts很短，那么很難采集到壓力信號。

圖1 常規測試系統工作流程與時間關系Fig.1 Workflow of conventional measurement system versus time

多存少取的測試技術通過大容量的數據存儲來增加有效信號記錄時間，并結合有效數據段標記方法，提取小容量的有效數據段，用于傳輸和數據處理，工作原理如圖2所示。A/D變換器將模擬信號轉換成數字信號（測試數據），數據被順序存儲到大容量的存儲器中，同時對數據跟蹤。如果發生一定脈寬的突變信號，將其劃分為有效數據段，并按存儲地址和存儲時間兩種方式標記下來。在采集存儲完成以后，提取有效數據段。如果在整個測試過程中，出現了一些類似沖擊波壓力信號特征的干擾信號，也將一并被標記為有效數據段，從而出現多個有效數據段。按爆炸時刻提取其中一個數據段，如果還存在數據干擾，可以提取其他備份數據段。這種多存少取的方法通過廣泛采集，精確篩選既提高了測試的成功率，也減輕了數據傳輸和處理的壓力。

圖3是多存少取測試系統的工作流程與時間的關系。系統上電后直接進入信號采集狀態，采集的數據順序存入大容量的存儲器，同時控制器根據信號特性對數據段進行判斷是否為有效數據，然后進行標記。一個有效數據段記錄的時間長度為Ti，如果有Ns個有效數據段，那么系統有效的信號記錄時間Ts＝Ns·Ti。系統總的工作時間為Ta，Ta由存儲容量Nm和采集速率fs決定，Ta＝Nm/fs。Ts≤Ta，系統有效的信號記錄時間最長可以達到系統總的工作時間。如果Ta足夠長，可保證獲得爆炸的壓力信號。隨著大容量存儲器技術的發展，在兼顧系統采集速率（通常約為1Msps）的情況下，可以獲得大容量的存儲。

圖2 多存少取工作原理Fig.2 Schematic diagram ofmass storage and less read technology

圖3 多存少取測試系統工作流程與時間關系Fig.3 Workflow ofmass storage and less read measurement system versus time

2 測試節點設計與實現

根據多存少取的設計思路，研制了用于爆炸場地面壓力測試的無線測試節點。傳感器采用PCB公司的ICP壓力傳感器，上升時間小于1μs，諧振頻率大于500 kHz，節點的測試壓力量程0.01 MPa～10 MPa，可根據測試要求選用不同的傳感器。電路帶寬0.1 Hz～250 kHz，信號的采集速率1Msps，采集分辨率12 bit。

節點的電路設計結構如圖4所示，主要包括壓力傳感器、A/D變換器、FPGA、FLASH存儲器和Wi-Fi無線協議。采用可編程控制器FPGA作為中心控制器，負責所有的控制、協議、數據總線、參數存儲和信號判斷等功能，相比其他微控制器（MCU），FPGA容量大、速度快，更主要的是可以實現各模塊的多線程工作，提高系統的效率和數據傳輸速率。

圖4 測試節點結構框圖Fig.4 Block diagram ofmeasurement node

2.1 大容量存儲

大容量存儲技術主要取決于存儲器，早期的選擇有磁盤、磁光盤等，但需要高速旋轉，也很難微型化。半導體的存儲器件可以抗沖擊、微型化，主要有SRAM、DRAM、EEPROM和Flash Memory等。多存少取的大容量存儲需要滿足幾個要求：存入平均速率高于采集速率，比如1MW/s；存儲容量滿足長時間順序存儲，比如2小時；可按地址隨機存?。惑w積小，抗沖擊?，F有的快速大容量存儲，大多選擇多片DRAM芯片實現，NAND Flash存儲器已經逐漸得到應用。本文的研制系統中采用NAND Flash存儲器K9MDG08U5D，單片存儲容量已經達到16G×8bit，頁大?。?k＋218）Byte，頁寫入速率300μs。

Flash存儲器相對于SARM和DRAM控制復雜，研制的關鍵是設計寫入、擦除、壞塊檢測、讀出、地址控制等程序，如圖4，全部由FPGA硬件編程完成。壓力傳感器輸出信號通過增益、偏置、濾波處理后，由A/D變換器轉換為數字信號。A/D變換器的控制由FPGA編程實現，控制轉換速率和獲取轉換數據。1Msps的轉換速率，很難按點即時地寫入存儲器，將數據通過FIFO緩存，并變成8位字節的形式，寫入Flash存儲器。

2.2 有效數據段提取

根據壓力信號的特征、通信速率和存儲器塊長度，有效數據段的長度設計為512 kW。提取有效數據段，需要標記和讀出兩個階段。標記是根據數據的變化初步判斷是否沖擊波壓力信號到來，其判斷標準采用簡單的上升時間和脈寬判斷。如果上升時間小于10μs，正向持續時間大于100μs，標記為有效數據段，將其存儲到Flash的起始地址標記出來。這樣的判斷標準一方面是為了去除高頻噪聲干擾和低頻漂移；另一方面保留不同爆炸當量和不同距離時的沖擊波特性。這種判斷標準很寬松，對于傳感器感受到的其他壓力信號，如敲擊、碰撞等不能濾除，可能出現多個有效數據段。

為了更準確提取有效數據段，除了判斷信號特性，還在標記地址的同時標記時間信息。在FPGA內有時間發生器，并用主控計算機授時，在判斷為有效數據段時，把此刻的時間記錄下來。數據的提取在爆炸完成后由主控計算機完成，可以用爆炸時刻來選擇有效數據段。

2.3 Wi-Fi無線通信

存儲測試技術可以提高系統抗干擾能力，保證人員安全，但是系統工作狀態難以監控，測試數據回收不方便。具有無線通信的存儲測試系統，可以實現遠距離的監控和數據傳輸。目前大多數的無線測試系統采用發展成熟的zigbee無線傳感器網絡原理。此類無線網絡的傳輸速率低、距離近，對于數據量較大沖擊波壓力測試，很難得到實際應用［6－7］。本系統采用具有IEEE 802.11 b/g傳輸協議的Wi-Fi通信，通信速率能達到54 Mbps，甚至更高。在每個存儲測試節點中設計一個Wi-Fi通信模塊，與爆炸場附近的無線接入點（AP）連接組網，最終與2 km外的主控計算機建立遠距離通信。

根據現場使用情況，將通信分為連續模式A和間斷模式B，如圖5所示。在連續模式下，測試節點上電后作為服務器端，處于監聽狀態等待連接，但同時進行信號采集存儲。如果已經獲得壓力信號，可以隨時建立無線連接，中斷采集，讀取數據。在間斷模式下，測試節點在信號采集前建立連接，進行功能檢測和授時，然后關閉無線連接，進入信號采集狀態。在采集存儲完成后，自動進入監聽狀態，等待建立連接，讀取數據。在需要完全關閉無線通信的試驗中，系統可以采用USB接口的方式完成參數配置和數據讀取。

圖5 無線通信狀態圖Fig.5 State diagram ofwireless communication

3 實驗及數據分析

為了驗證壓力測試系統的可靠性，參加了爆炸環境的測試實驗。測試節點現場安裝如圖6所示，在距離爆炸中心不同的位置（20 m～30 m）安裝了多個測試節點，節點貼近地面工作。因為爆炸有預制破片，在測試節點前方安裝了直徑50 mm的圓柱形防護體，距離傳感器的距離500 mm。測試過程中，在爆炸圓周上布置了多種其他測試裝備，人員、車輛和電纜較多。為了保證測試人員安全，提前開啟了壓力測試系統，人員撤離到安全位置。

圖6 現場實驗測試節點安裝Fig.6 Disposal ofmeasurement nodes in experiment

經過5次爆炸壓力測試，都獲得了有效數據。以其中一次較特殊的現場情況為例，說明多存少取測試系統的可靠性。開啟測試系統后，在爆炸前有少量下雨，雨點落到壓力傳感器上產生干擾信號。對于常規的存儲式測試系統，雨點干擾信號將引起誤觸發，無法記錄到爆炸壓力信號。而多存少取測試系統，可以長時間有效記錄，保證捕獲到爆炸壓力信號。由于雨點干擾信號近似壓力特征，被標示為有效數據段1，而爆炸壓力信號被標示為有效數據段2，如圖7所示。圖7（a）是雨點干擾信號曲線，圖7（b）是爆炸壓力曲線。分析表明，距離爆炸中心20 m位置的地面沖擊波超壓值為0.053 MPa，持續時間16.445 ms。在沖擊波到達前34.974 ms內有噪聲信號。根據噪聲信號特征和爆炸環境分析，噪聲來源包括預制破片飛行引起的激波，以及爆炸電磁場和地面震動。

圖7 測試曲線Fig.7 Measurement curves of experiment

4 結 論

針對試驗場爆炸環境的沖擊波壓力測試，提出了一種多存少取測試技術。通過FPGA控制下的NAND Flash大容量存儲方式實現了長時間的信號記錄，從而提高測試的可靠性；根據信號上升時間和脈寬劃分了有效數據段，并按存儲地址和存儲時間進行了標記，縮短了數據傳輸和信號處理時間。研制了用于地面壓力測試的多存少取無線測試系統，實驗驗證了測試系統的有效性。

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Mass storage and less read technology for pressurem easurement of an exp losion field

WANGWen-lian1，2，ZHANG Jin-wen1，ZHAO Chen-yang1，ZHANG Zhi-jie1，2
（1.MOE Key Laboratory of Instrumentation Science＆Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.State key Laboratory for Electronic Test Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Duringmeasuring pressure signals of explosion field，the interference on site causes easily wrong system triggering tomakemeasurements fail.A measurement technology based on mass storage and less read was proposed for a distributed storagemeasurement system.Long signal recording acquisition was achieved with mass storage ofmeasurement data to avoid failure due to wrong triggering.On the other hand，small valid data segments were extracted with signal marking to improve the efficiency of data transmission and data processing.A measurement system based on mass storage and less read technology was designed and developed for ground pressure measurement of an explosion field，and the measurement nodes were characterized with sampling rate of 1Msps，data storage of 128Gb，valid data segment extraction of512kW，and Wi-Fiwireless network coverage.

explosion field；pressure measurement；mass storage and less read；wireless network

TN06

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.009

國家自然科學基金項目（61106077）

2013－08－20 修改稿收到日期：2014－01－02

王文廉男，博士，副教授，1978年1月生