基于閾值標定法快速提取數據的采集存儲器設計

劉海龍

(青島杰瑞自動化有限公司,山東 青島 266000)

0 引言

炮彈發射出炮膛時間短暫,過程復雜度高。對炮彈膛內運動行程、沖擊過載和速度等參數測量,可為評價武器系統壽命、可靠性及安全性提供有價值的數據支持。傳統的測量主要依賴炮彈打靶測試試驗獲取炮彈過載數據、動態特性及彈道發射規律等[1-2]。飛行姿態、加速度、旋轉角和過載等大量數據須存儲。采集存儲數據及快速提取出所需的關鍵數據,是解決彈道數據提取最基礎的問題[3]。傳統的采集存儲器在發射前開啟設備,再進行試驗準備,如彈藥填充、方位角、射角調整和射向調整等[4-5]。基于火炮自身特性,發射準備時間較長,發射及準備時間無法準確判斷,采集存儲器不可避免地采集存儲大量與試驗無關的數據,而數據分析人員通常只需要出炮膛前到靶標后極短時間內的關鍵數據。通過炮彈打靶試驗,采集并存儲炮彈出膛數據,采用閾值標定法對關鍵數據快速提取,在對比試驗數據中驗證該方法的可靠性。

1 采集存儲器總體設計

采集存儲模塊主要由調理變換板卡和采集存儲板卡構成,完成信號的調理變換、模數轉換、數據采集存儲等功能。

調理變換板卡經過傳感器信號進行隔離、放大和濾波,將傳感器微弱信號轉換到ADC輸入范圍內且不影響信號質量,提高信噪比、靈敏度和測量精度。信號調理模塊對模擬信號進行放大、偏置等處理后,采用多通道模擬開關進行多路信號切換,將模擬開關的輸出信號送到A/D轉換模塊,主控單元對A/D轉換模塊輸出的數字信號進行編輯處理后緩存,把數據寫入抗高過載存儲模塊,存儲器由電池供電。

采集存儲板卡主要是對數據的采集、存儲及試驗后讀取,整體設計以FPGA為核心器件,主要完成采集存儲器的讀取、寫入、擦除和提取等數據分析步驟。

采集存儲板卡前端采用兩片16路模擬開關,通過編程控制模擬開關選通信號通道。模擬開關輸出信號給ADC模數轉換器,ADC輸出數字信號給存儲陣列進行數據存儲。其中,512 GB存儲陣列由16片32 GB容量的FLASH芯片搭建而成,384 GB存儲陣列由12片32 GB容量的FLASH芯片搭建而成,320 GB存儲陣列由10片32 GB容量的FLASH芯片搭建而成。采集存儲板卡結構如圖1所示。

圖1 采集存儲板卡結構

2 系統工作流程設計

采集存儲器開始啟動后,系統進入自檢模式,功能自檢后等待數據上傳,FPGA控制單元發送指令控制整個系統正常工作,同時接收數據并存儲,采集存儲器使用后回收,在讀取模式下,利用上位機數據提取,完成數據的采集、存儲及讀取功能。系統的工作流程如圖2所示。

圖2 系統工作流程

3 閾值標定法的提出及實現

為實現快速提取關鍵數據,節省數據讀取時間,提高數據處理分析效率,本文提出“閾值標定法”,采集存儲器設計時,先預估試驗過程中出炮膛時刻的最大加速度值,并將該值的1/3設為“關鍵數據閾值”;將實際試驗中第一個“關鍵數據閾值”出現的時刻稱為“關鍵數據零時”。關鍵數據持續時間在毫秒級別,因此以“關鍵數據零時”為時間基準,取其前后1 s的數據足以對整個試驗過程形成完整包絡。

“閾值標定法”主要是在嵌入式代碼中通過相應算法實現,“關鍵數據閾值”作為算法的輸入X,模數轉換模塊的實時轉換數據作為輸入Y(采集存儲器需要存儲的數據)。該方法的核心之一在于采集存儲器進入采集存儲模式時,模數轉換模塊實時轉換數據之后,通過構造的比較器內核比較X、Y;當首次Y>X時,記錄此時Y數據在FLASH存儲單元的地址,由于Y數據在FLASH存儲單元中采用連續寫入的存儲方式,因此該存儲地址可轉換為存儲相對時間,即可得到“關鍵數據零時”;將此“關鍵數據零時”寫入FLASH存儲單元中特定位置以防信息掉電丟失,該特定地址通常設置為FLASH存儲單元中第一塊的第一頁位置,稱為“零時存儲地址”;“關鍵數據零時”信息記錄完畢后,轉換數據Y繼續之前位置進行連續存儲,直至存儲過程結束。流程如圖3所示。

圖3 采集存儲模式中“閾值標定法”流程

試驗結束快速提取關鍵數據時,采集存儲器首先訪問“零時存儲地址”,從該地址中讀取“關鍵數據零時”相關信息;根據“關鍵數據零時”分別計算前后1 s的數據存儲地址,讀取FLASH存儲單元中對應地址的數據(關鍵數據),實現對關鍵數據的快速提取。流程如圖4所示。

圖4 數據讀取模式中“閾值標定法”流程

4 閾值標定法在關鍵數據快速提取中的應用

炮彈搭載采集存儲器試驗,存儲器采集到的數據如圖5所示,出炮膛時刻最大加速度值為10 000 g(假設該值為預估值),則“關鍵數據閾值”為3 300 g,“關鍵數據零時”為40 314 ms,整個試驗過程出炮膛到靶標時間不超過100 ms。使用閾值標定法后,數據采集讀取區域即為a-b段數據,大大縮短數據讀取時間,提高分析數據的效率。

圖5 炮彈整體過載

5 結語

通常情況下,由于采集存儲信號通道多、信號采樣頻率高,產品的性能主要受到存儲模塊的存儲速度影響。存儲器在數據緩存模塊上使用大容量FIFO緩沖數據提高通信效率。在存儲模塊上,對FLASH存儲芯片采用雙平面交叉編程,實現了大容量數據的高速存儲。使用閾值標定法對關鍵數據提取,節省了后期數據處理分析時間,大大提高試驗及數據分析的效率。