多通道存儲式坑道沖擊波測試系統設計

李森，王代華，于建軍，魯 飛，曹海軍

(1.中北大學 電子測試技術重點實驗室 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原 030051；2.晉西工業集團有限責任公司 防務裝備研究院，太原 030051；3.陸軍裝備部裝備項目管理中心，北京 100072)

0 引言

現階段，面對復雜的作戰環境，毀傷效應是現代戰爭中的關注焦點，在戰斗部爆炸過程中所產生的沖擊波及破片是重要毀傷元。根據安全距離沖擊波毀傷準則[1]，把沖擊波超壓峰值和正壓作用時間對人的傷害進行劃分后綜合得知，沖擊波測試系統精度應達到0.01 kPa以上，而且數據存儲必須可靠，對測試系統性能提出更高的要求[2]。

縱覽國內外沖擊波測試的發展現狀，電測法是主流測試方法，從信號轉換存儲的角度又可分為引線式和存儲式。引線式測試設備基于分體式系統架構，具有組建系統簡單易行的特點，但也造成了各功能單元分離的局面：僅將傳感器置于爆炸場內，后續記錄儀器遠離爆炸場以求有效防護，中間采用長引線連接。這使得長引線成為整個系統的薄弱環節；存儲式測試設備屬于專用測試系統，軟硬件組成固化，需不斷豐富工作參數的程控能力和針對不同環境的測試能力，提高設備的通用性。

隨著現代熱武器的命中率和侵徹力的提高，具有鉆地能力的武器性能不斷提高，完全有能力入侵坑道內部或附近地形中，產生爆轟產物及破片通過涌入坑道內形成沖擊波進行傳播，造成坑道內部人員和作戰設備損傷[3]。坑道內空氣沖擊波形成的波陣面速度較空氣中沖擊波大[4]。由于坑道內墻壁面的整形和約束作用，坑道內沖擊波的傳播呈現出壓力長時間持續，衰減速度較自由場空間內慢的特點[5]。坑道內爆炸是常見的一種爆炸形式，國內外不少研究人員已對坑道內爆炸沖擊波的特征開展了研究，但多停留于仿真分析方面，且傳統坑道內沖擊波測試手段存在引線長、系統固化等缺點。針對上述問題，本文設計了一種面向坑道內爆沖擊波的多通道存儲測試系統，本系統以FPGA為主控芯片，使用單片高速AD轉換芯片，采用高速率的模擬開關對多路信號進行切換，通過數字電位器與儀表運放結合以直流耦合的方式消除ICP傳感器的直流偏置，保證了系統信號的完整性，操作簡單，有效縮短了引線長度，提高了系統穩定性，可以完成坑道內沖擊波測試且數據可靠。

1 系統組成及原理

坑道內沖擊波具有更快的速度，更大的威力，需要根據以往沖擊波的測試要求進行相應的指標提升，故本方案針對坑道內沖擊波測試，提高了測試精度，設計了程控放大倍數和濾波截止頻率以適應坑道內沖擊波測試，可通過上位機對其進行靈活設置[6]。本系統在考慮便攜性及數據可靠性的基礎上，采用存儲式設計[7]，傳感器對數據進行采集后，通過信號調理及模數轉換，存儲至FLASH存儲器，實驗結束后回收系統利用USB接口進行回讀，將數據傳輸至上位機，由上位機對其進行顯示處理。系統組成框圖如圖1所示。

圖1 系統組成框圖

試驗前，在坑道內壁或地面上進行打孔，用于試驗時安裝傳感器，傳感器引線通過在墻體或地面挖槽等方式引出至位于坑道口附近安全位置的測試設備，引線溝槽用角鐵覆蓋保護；并通過炸藥當量及測點距離對裝置采樣頻率、放大倍數、觸發電平等參數進行設置。系統選用ICP傳感器，將沖擊波壓力信號轉換成電信號，再經過適配放大器、程控放大器、濾波器等模擬電路將信號調理到適應AD轉換的要求。模擬信號經AD轉換后連續存儲在存儲器中，整個采集和存儲過程由微控制器FPGA協調一致控制。待爆炸過程結束后，現場連接USB數據線，將存儲數據回傳計算機，再進行數據的后續分析處理和打印等工作，最終提供被測沖擊波信號的有關特征參數。系統工作原理圖如圖2所示。

圖2 系統工作原理圖

2 關鍵技術設計及實現

2.1 程控消除直流偏置

測試系統的信號都來源于所選用傳感器，傳感器的信號調理是整個系統的重中之重。本設備采用的是美國PCB公司的ICP壓力傳感器，其量程50～1 000 psi多種類可選，非線性誤差≤1.0% FS，諧振頻率≥500 kHz，分辨率可達0.007 kPa，符合坑道內爆沖擊波測試相關國軍標的性能及精度要求，外形尺寸合適、輸出信號調理簡單，使用便捷。

目前常規消除ICP壓力傳感器輸出的直流偏置電壓的方式是采用交流耦合消除，但這種方式會使信號低頻特性受到影響，增加后續信號分析的誤差。本系統使用兩片數字電位器組合儀表放大器用以消除ICP傳感器直流偏置。采用兩片數字電位器級聯的目的是提高精度，其電路圖如圖3所示。

圖3 消除直流偏置電路圖

將傳感器的輸出信號和數字電位器的電壓輸出分別連接至儀表放大器同相及反相輸入端，系統上電后，在傳感器沒有接收沖擊波信號時，僅輸出直流偏置，此時AD對儀表放大器差模輸出進行采樣。當儀表放大器輸出為正電壓時，說明傳感器直流偏置電壓相對較大，則逐級提高數字電位器級數；當儀表放大器輸出為負電壓時，說明數字電位器輸出電壓相對較大，則逐級降低數字電位器級數。直至調節至儀表放大器輸出信號為0 V，鎖定數字電位器級數，模擬開關切換至下一通道進行消除直流偏置操作。消除直流偏置原理框圖如圖4所示。

圖4 消除直流偏置原理框圖

2.2 程控信號放大及噪聲濾除

為使系統可以針對坑道內沖擊波速度快、超壓值大、衰減速度快的特點，需要系統有更大的量程跨度。故本系統采用更大放大倍數的程控信號放大器和程控濾波器設計，可以根據測試需求和測點安排對每通道的放大倍數和濾波截止頻率進行獨立調整，用于滿足不同藥量戰斗部、不同測點距離等多種測試需求[8]，使系統更具有靈活性和通用性。

程控放大器設計為1～100倍可由主控芯片程控放大倍數。系統通過GCK、GCS和GSI三個引腳的信號對程控放大器的增益倍數選擇和工作模式進行控制。程控放大原理圖如圖5所示。

圖5 程控放大原理圖

程控濾波器設計為可經由外部時鐘進行調節的低通濾波器，截止頻率40k～500k可調，試驗前根據測點實際情況進行調節可有效降低信噪比。程控濾波原理圖如圖6所示。

圖6 程控濾波電路圖

2.3 采集存儲模塊設計

本系統主控芯片選擇的是Altera公司的FPGA芯片，采用高速切換的多路模擬開關加單片AD的設計。模擬開關選用美國ADI公司的8通道多路復用器ADG708，該芯片供電方式為1.8～5.5 V單電源供電或±2.5 V雙電源供電，電阻3 Ω，導通電阻平坦度0.75 Ω，開關時間達14 ns，可以實現多通道快速切換[9]。AD轉換器選用美國ADI公司的16位逐次逼近型ADC，該芯片吞吐速率可達12.5 MSPS，有優異的直流精度性能。存儲元件上，由于NAND FLASH具有擦寫速率高、存儲密度大，適配讀寫速率要求快、數據量大的存儲測試系統，故選擇Micron公司的NAND FLASH作為存儲芯片。本系統選用的NAND FLASH存儲容量為128 MByte。

圖7 AD模塊工作時序

系統上電未觸發時，系統記錄預先設置好的負延時，即系統基線。沖擊波信號來臨后，傳感器開始進行數據采集。采集到的信號通過預先設置好倍數的程控放大電路進行放大，后進入之后的程控濾波電路中濾除雜波，提高數據可靠性。經過放大和濾波電路的信號被調理至AD采樣芯片的輸入范圍，AD芯片再經由模擬開關切換采集各信道的沖擊波信號。由于AD芯片與FLASH存儲器的數據傳輸寬度和傳輸速率均不相同，AD芯片輸出的數字信號先由單片機內的FIFO進行緩存后再存入FLASH存儲器。讀取數據時，控制芯片將FLASH中的數據信息取出，再次通過FIFO緩存后進入數據接口，即可通過USB芯片及接口將數據傳輸至上位機。采集存儲模塊原理框圖如圖8所示。

圖8 采集存儲模塊原理框圖

2.4 壞塊管理策略

由于NAND FLASH在出廠及之后的使用過程中會產生無效塊，即壞塊，為保證數據可靠性，進行壞塊管理十分必要[11]。系統上電后會遍歷各塊的壞塊標志位，找出壞塊并建立壞塊表存儲至FLSH第一塊第一頁中；發現使用壞塊時，在寫入或擦除操作完成后發送狀態讀取指令，返回值若為高電平則此塊標記為壞塊并記錄近壞塊表中，并將數據重新寫入其他好塊內。

通常發現壞塊時的處理方法是在存儲至這塊時跳過，但這種做法會破壞存儲地址的連續性。由于本系統為多通道設備，存儲區已劃分出各通道的存儲地址界限，用后面的好塊簡單代替發現的壞塊可能會導致超出地址界限使每通道記錄的數據混亂。故先劃分出壞塊保留區，對發現的壞塊的物理地址進行替換。此種方法可保證數據存儲區域邏輯地址連續，提高數據可靠性。本系統為方便存儲區域管理及劃分，將最后60塊用作壞塊保留區。壞塊替換流程圖如圖9所示。

圖9 壞塊替換流程圖

邏輯地址和物理地址分別為存儲映射表的頁內地址和頁內數據對應地址，進行壞塊管理時，首先主控芯片會將FLASH第一頁中地址映射表和壞塊表讀取至RAM進行操作。發現壞塊時，首先訪問RAM內的壞塊表，找到壞塊保留區中的第一個好塊，對其物理地址進行替換，之后及時更新RAM內的壞塊表和物理映射表，并將替換塊的壞塊標志位置1。最后將RAM內更新后的壞塊信息寫入FLASH第一塊第一頁中同步更新，避免FLASH與RAM中的壞塊表和地址映射表有信息遲滯，造成數據丟失。物理地址映射示意圖如圖10所示。

3 實測實驗

本系統經多次實彈測試證明了其實用性及數據可靠性。圖11為某次坑道靜爆沖擊波超壓試驗測試現場布局圖，按照試驗大綱要求，以坑道內爆心在地面上的投影為零點，分別在距零點6 m、12 m和15 m的地面上各布設3個測點，中間測點與爆心位于坑道中軸線上，共計9個測點。

圖11 某坑道靜爆沖擊波超壓試驗測試現場布局圖

根據被測信號特征，系統增益設置為2倍，觸發方式設置為內觸發，觸發電平設置為500 mV，采樣頻率設置為2 MHz。圖12為本次試驗的典型曲線。

圖12 某坑道靜爆沖擊波超壓試驗曲線

4 數據處理與分析

表1為測試數據處理結果，從各個測點所采集到的沖擊波曲線中可以看出，坑道內同一截面不同位置的沖擊波超壓并不相等，截面中心會相對偏小。距離爆心越近的測點沖擊波曲線波動越劇烈，呈現出不止一個峰值，且第二個波峰為最大值，原因是距離爆心越近，引爆時化學反應界面以超音速推進形成爆轟波，受裝藥形狀及坑道截面等因素影響波陣面以不同形狀向外擴展，作用于坑道墻壁發生多次反射、疊加，未形成穩定的波陣面，有著較大的強度波動[12]。結果表明距離爆心越近時，沖擊波圖像中的二次波峰越明顯，甚至超過首個波峰。說明近距離坑道爆破中，起爆沖擊波會與反射沖擊波相疊加，產生更大的二次波峰。

表1 某坑道沖擊波超壓試驗測試結果

距離逐漸增大時，沖擊波超壓會逐漸減小且衰減速度隨距離增大逐漸變慢，最遠的測點7#、8#和9#的圖像只有一個明顯峰值，說明此距離下沖擊波陣面經坑道內壁整形后，逐漸形成向前傳播的規則平面波[13]。

5 結束語

在坑道內爆試驗中，由于坑道墻壁的限制，沖擊波傳播規律與自由場空間內不同。經多次實彈測試驗證，本系統操作便捷，測試規模大，數據精度高，可靠性好，具有良好的靈活性與通用性，可以滿足多種試驗條件下對坑道內沖擊波的測試。也可通過將傳感器設置于地面、炮口等位置完成自由場或炮口等沖擊波測試任務，具有良好的應用前景。