沖擊加速度存儲測試的變頻采樣策略分析

陳昌鑫，靳 鴻，馬鐵華,4

(1. 中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051； 2. 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； 3. 蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215021； 4. 中北大學計算機與控制工程學院，山西 太原 030051)

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沖擊加速度存儲測試的變頻采樣策略分析

陳昌鑫1,2，靳 鴻3,4，馬鐵華1,2,4

(1. 中北大學電子測試技術國家重點實驗室，山西 太原 030051； 2. 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； 3. 蘇州大學機電工程學院，江蘇 蘇州 215021； 4. 中北大學計算機與控制工程學院，山西 太原 030051)

沖擊加速度測試過程中信號存在低速、中速和高速變化的特點，采用固定采樣頻率完成整個測試過程的參數測試是不合理的，為了減少數據冗余、保證信號無失真恢復，在改變ADC采樣頻率的變頻采樣策略基礎上，提出一種數字變頻采樣策略。使用兩片存儲器，以高速采樣頻率得到充足數據源并且以同樣頻率寫入存儲器1，根據信號變化特征改變存儲器2的地址推進頻率，對存儲器1里的數據進行抽點存儲，實現變頻采樣。經過Hopkinson桿上的沖擊測試，變頻測量系統具有抗沖擊可靠性。仿真和測試表明，變頻采樣方法可以有效解決采樣頻率、數據容量之間的矛盾。

爆炸力學；動態測試；變頻采樣；采樣策略；加速度

存儲測試[1]是在對被測對象無影響或者影響可以忽略的情況下，將電池供電、高強度殼體防護的存儲測試儀器置入被測對象或者被測環境中，實況地獲取動態參數，事后回收存儲測試儀器，通過計算機讀數再現測試過程，特別適合高溫、高壓、高沖擊等惡劣環境以及不易引線測試的場合，例如高沖擊彈載參數測試[2]、沖擊波參數測試[3]。

將彈載沖擊加速度存儲測試儀器置入彈丸內部進行實況測試時，為減小對彈丸的影響，要求采用電池供電和存儲器記錄數據的存儲測試儀器體積小、功耗低，則電池容量和存儲器容量有所限制。彈載加速度存儲測試儀器具備存儲測儀器的一般特征外，還有一些特征，例如沖擊加速度測試過程中信號存在低速、中速和高速變化。彈載加速度參數測試場合，一個測試過程包含3個典型子過程[1]，即第1子過程(彈丸發射)、第2子過程(彈丸空中飛行)、第3子過程(彈丸撞擊目標)，其加速度信號按照變化速率可以分為第1子過程(中速變化)，第2子過程(低速變化)，第3子過程(高速變化)，參考文獻[1]指出火炮彈丸全彈道加速度信號的3個過程持續的時間相差千倍。于是在一個測試過程中，被測信號的頻率變化很大，如果采用固定采樣頻率是不合理的[1]，例如采用高速采樣頻率則在低速和中速變化過程記錄大量冗余數據，且在測試全過程采用高頻采樣會導致測試儀器的功耗較高，采用低速或中速采樣頻率則導致高速變化過程的信號記錄不完整。因此，比較合理的采樣策略是變頻采樣，其核心思想是在能夠完整反映被測信號的所有信息的前提下，減少冗余數據的存儲[4]。通過分頻改變ADC采樣頻率的采樣策略能夠減少冗余數據，但是在變頻的交界點處存在信號連續變化而采樣頻率階躍變化導致部分信號數字化不完整的問題[4-7]。

本文中，在分頻改變ADC采樣頻率的采樣策略基礎上，提出一種數字變頻采樣策略，將采樣概念擴展為對模擬量和數字量的抽取，其基本思想是采用固定的ADC采樣頻率，在數字量中抽點存儲實現變頻采樣。

1 采樣策略分析

采樣策略是解決采樣頻率、數據容量、測試時間等因素之間的方法[4]。被測動態參量在實驗中經歷k個子過程，采樣頻率、存儲數據容量、測試時間之間的關系滿足：

(1)

式中：M是數據容量，fi是第i個子過程的采樣頻率，Ti是第i個子過程的采樣時間。

如果采用固定的采樣頻率f0完成整個測試過程的測試，其數據容量M1滿足：

(2)

如果按照子過程的采樣頻率與測試過程特征相適應的原則，改變測試子過程的采樣頻率，其數據容量M2滿足：

(3)

針對一個測試過程存在若干個子過程，而且若干個子過程信號變化緩慢特征不一致的測試場合，根據采樣定理，采樣頻率至少為模擬信號頻率分量最高頻率的2倍，則為了保證測試數據有效，固定的采樣頻率fi應按照采樣定理設置，于是變頻采樣策略的采樣頻率fi與固定采樣頻率f0滿足：

(4)

各個子過程的采樣時間由被測對象的運動規律決定，不能更改Ti，于是變頻采樣策略得到的數據容量M2和固定采樣頻率得到的數據容量M1滿足：

(5)

因此，根據信號變化緩慢程度的特征，將測試過程分為若干個工作狀態，選擇與信號變化快慢特征相匹配的采樣頻率是在保證信號采樣不失真前提下減少冗余數據的有效方法。

2 變頻采樣策略

2.1 改變ADC采樣時鐘的變頻采樣策略

圖1 控制狀態圖Fig.1 Control data diagram

根據信號變化快慢特征而通過分頻改變ADC采樣時鐘是常見的變頻采樣策略[7]。以高g值沖擊加速度測試的3個子過程測試(彈丸發射中速、彈丸飛行低速、彈丸撞擊高速3環境測試)為例，存儲測試儀器的控制狀態圖如圖1所示。

第1子過程(中速采樣狀態)到第2子過程(低速采樣狀態)通過定時觸發實現采樣頻率改變，因為彈丸發射過程時間較短，設置一定時間(一定存儲容量)后進行低速采樣狀態，此時彈丸處于飛行狀態。第2子過程飛行狀態的時間由彈丸運動規律決定，其采樣時間較長而且不可精確預見，于是低速采樣到高速采樣不能采用定時觸發，而是采用內觸發實現采樣頻率改變。

低采樣頻率狀態到高采樣頻率狀態切換，會造成觸發點之前短暫的一段時間內信號記錄不完整問題，因為在觸發點前后，信號連續變化，而采樣頻率階躍變化，即觸發之前信號已經快速變化，而此時仍然以較低的采樣頻率采樣，則出現短暫的信號記錄不完整的問題。信號波形示意圖如圖2所示，設置觸發界限a1。t1之前信號變化緩慢，采用低速的f2進行采樣、存儲(圖2中t1時刻之前的點表示按照f2采樣得到的點)；當信號超過觸發界限a1(即內觸發有效)時，信號快速變化，以高速的f3進行快速采樣、存儲。在t1時刻之前的瞬間，信號已經快速變化，由于脈沖峰值達不到觸發值，ADC仍然按照低速的f2采樣，較低的采樣頻率無法將這一段信號的變化完整記錄，造成局部信號失真的問題，示意圖如圖3所示，t1時刻之前的波形是由圖2中按照f2采樣得到的點連接而成的曲線。

圖2 信號波形示意圖Fig.2 Signal wave

圖3 采樣數據恢復波形示意圖Fig.3 Sampled waveform of data recovery

改變ADC時鐘的變頻采樣方法存在一定的局限性，由高速采樣過程到低速采樣過程不會出現信號失真，而由低速采樣過程到高速采樣過程，存在有效數據源不足導致信號記錄不完整的問題。

2.2 數字變頻采樣策略

數字變頻采樣策略是一種不同于改變ADC時鐘的數字變頻采樣方法，核心思想是高速采樣、選擇性存儲，即根據信號變化特征確定高速采樣頻率，以高速采樣頻率采樣得到完整的大量數據源，根據信號變化快慢特征，改變數字量寫入存儲器的頻率實現抽點存儲，達到變頻采樣、減少冗余數據的目的[8]。

圖4 數字變頻采樣策略系統框圖Fig.4 Block diagram of digital frequency-change sampling

在控制模塊的管理下，ADC模塊以高速采樣頻率將模擬信號轉換為數字信號寫入存儲器1，并且以相同的頻率推進存儲器1(例如，FIFO存儲器)的地址，實現數據源的完整記錄；分頻模塊在觸發控制模塊的控制下，產生與信號變化特征相匹配的頻率，改變存儲器2的地址推進時鐘，例如信號處于緩慢變化的時候，存儲器2的地址推進時鐘低于存儲器2的寫入時鐘(即：ADC的采樣時鐘、存儲器1的地址推進時鐘)，即只有地址變化之前的數據寫入了存儲器2，這樣實現數字量的抽點存儲，實現變頻采樣。數字變頻采樣策略系統框圖如圖4所示。

由低速采樣過程到高速采樣過程中，數字變頻采樣策略的存儲器1作為數據緩沖器，通過改變存儲器2的地址推進時鐘實現，當t1時刻觸發時候，分頻模塊以高速時鐘推進存儲器2的地址，此時t1時刻之前的一段數據保存在存儲器1(緩沖器)中，保證了2個交替子過程之間數據的有效存儲，這樣保證信號完整、有效。

由高速采樣過程到低速采樣過程，當觸發后以較低的地址推進時鐘寫入存儲器2的數據時候，會造成觸發時刻之前的高速采樣數據丟點，此時啟動延遲計數器，延遲改變存儲器2的地址推進時鐘，保證存儲1中的數據(觸發時刻之前的一段高速采樣數據)正確、有效的寫入存儲器2，這樣可保證信號完整、有效。

對數字變頻采樣策略進行仿真驗證，時序圖如圖5所示，圖中CONVST是ADC的采樣時鐘，設定為恒定的高頻時鐘(不低于多個子過程最高采樣頻率)；FRD是存儲器1(例如FIFO)的讀時鐘；FWE是存儲器1的寫時鐘，也即ADC的讀時鐘；ADDR是存儲器2的地址推進時鐘，由CONVST分頻得到，MWE是存儲器2的寫時鐘，只有存儲器2地址變化之前的數據寫入存儲器2。

圖5 數字變頻采樣策略的時序圖Fig.5 Sequence diagram of digital frequency-change sampling

變頻采樣策略(數字抽點)仿真圖如圖6所示，將CONVST十分頻得到ADDR，sram_wr是存儲1的寫時鐘，sram_rd是存儲器1的讀時鐘，sram_din是存儲器1的數據，也即ADC輸出的數據(10,11,12……50)，sram_dout是寫入存儲器2的數據(15,25,35,45)，驗證了數據抽點方法的正確性。

圖6 變頻采樣策略(數字抽點)仿真圖Fig.6 Simulation diagram of digital frequency-change sampling

3 實驗驗證

沖擊加速度測試儀[9]由壓電加速度傳感器，電荷放大器和放大、濾波電路，數據存儲及控制電路等模塊組成，測試儀電路安裝在金屬殼體里面，并經過環氧樹脂灌封[10]，其尺寸按照隨彈安裝要求設計(尺寸參數是?3.5 cm×5 cm，體積為48 cm3)。在實驗室的Hopkinson桿上進行了抗沖擊試驗[11]，在 5×104g的沖擊載荷下測試儀可靠工作，可靠性試驗的沖擊加速度a測試曲線如圖7所示。

在某靶場進行了彈載加速度測試實驗，記錄了彈丸發射、彈丸飛行、撞擊靶板3個典型過程的單軸加速度參數，測試曲線如圖8所示，X為采樣點。

圖7 加速度測試曲線Fig.7 Acceleration curve

圖8 數字變頻采樣測試曲線Fig.8 Acceleration curve based on digital frequency-change sampling

在觸發之前的負延遲部分記錄了2 kByte的數據；發射過程以50 kHz的采樣頻率記錄了32 kByte數據；飛行過程以1 kHz的采樣頻率記錄了大約33 kByte數據；撞擊過程以100 kHz的采樣頻率記錄了64 kByte數據。從觸發記錄膛內發射過程開始，利用50、1、100 kHz記錄了3個典型過程的數據，其中飛行過程利用1 kHz的采樣頻率記錄了16 905 ms，如果使用最高的100 kHz的采樣頻率記錄飛行過程，數據量是3.22 MByte，則使用變頻采樣方法在飛行測試過程變頻采樣減少冗余數據量的比例是99%。

4 結 語

針對一個存儲測試過程根據信號變化快慢特征分為若干個子過程的測試場合，變頻采樣策略是減少冗余數據的可靠、有效方法。通過方案對比和測試實驗，改變ADC采樣頻率的變頻采樣方法和數字抽點存儲的變頻采樣方法都是有效的變頻采樣策略，但是數字變頻采樣方法更優，它通過固定高速采樣頻率得到完整的數據源，改變存儲器地址推進頻率實現數據的抽點存儲，保證了子過程交替時候信號的完整、有效記錄。通過仿真，驗證了數字變頻采樣方法的正確性和可行性；利用數字變頻采樣方法設計的存儲測試儀器在實驗室的Hopkinson桿上的上進行了抗沖擊試驗，并且在靶場進行了測試實驗，對數字變頻采樣方法進行了驗證，降低了飛行測試過程的采樣頻率，減少了冗余數據的存儲，在爆炸力學動態測試中有一定的應用價值。

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(責任編輯 王小飛)

Analysis of frequency-change sampling strategy for impact acceleration storage measurement

Chen Chang-xin1,2, Jin Hong3,4, Ma Tie-hua1,2,4

(1.NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China; 2.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurementofMinistryofEducation,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China; 3.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,SoochowUniversity,Suzhou215021,Jiangsu,China; 4.SchoolofComputerandControlEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China)

The fixed sampling frequency is not reasonable for obtaining the signal parameters with variable changing speed during the measurement process of high-gacceleration. A digital frequency-change sampling method was put forward in this paper to reduce data redundancy and ensure signal without distortion as well based on the method of changing ADC Sampling-frequency. Two pieces of memory were used to fulfill this target. Sufficient data source got by high-speed sampling frequency was written to the first memory at the same frequency, and the address of the second memory was changed with frequency propulsion according to the characteristic of signal variation, then the data stored in the first memory was extracted thus the frequency-change sampling got realized. Frequency measurement system could bear high impact by Hopkinson bar. Simulation and experiment confirmed that the frequency-change sampling method proposed in the paper can effectively solve the contradiction between the sampling frequency and data capacity.

mechanics of explosion; dynamic measurement; frequency-change sampling; sampling strategy; acceleration

10.11883/1001-1455(2015)04-0501-06

2013-12-06；

2014-04-08

國家自然科學基金項目(51275488)；山西省青年科技研究基金項目(2013021015-1)

陳昌鑫(1988- )，男，博士研究生； 通訊作者： 靳 鴻，jinhong@nuc.edu.cn。

O384 國標學科代碼： 13035

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