基于閃存的引信電池大容量存儲測試方法

謝 銳,馬鐵華,裴東興

(中北大學(xué)儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室,山西太原 030051)

0 引言

儲液式引信化學(xué)電池安全性好、儲存時間長,因此廣泛應(yīng)用于引信供電電源中[1]。引信電池的電壓上升時間(激活時間)、供電電壓值、供電持續(xù)時間和噪聲大小是電池性能的重要指標[2]。激活時間過長,將會影響整個火炮系統(tǒng)的最小攻擊距離;掉壓或供電不完全,供電時間短,可造成引信瞎火、早炸,影響引信的炸點分布情況[1];電池噪聲增大可引起炸距增大,當電池噪聲增大到一定程度時,會導(dǎo)致早炸[2]。因此電池性能對引信正常工作有很大影響。

在實驗室測試引信電池性能,即使用雙環(huán)境力電源性能測試裝置,模擬引信工作時的高沖擊與高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境,使電池被激活并有穩(wěn)定的輸出,進行電池在規(guī)定負載下的放電測試,得到電池的激活時間、輸出電壓、輸出持續(xù)時間和噪聲等動態(tài)參數(shù)。根據(jù)噪聲的帶寬范圍,要測得可靠的數(shù)據(jù)需要較高的采樣頻率,要得到完整的輸出曲線,電池要充分放電,測試時間較長,不低于250 s。綜合以上因素,要求測試技術(shù)能同時達到高速采樣與大容量存儲要求。

基于存儲測試技術(shù)的引信電池測試儀要能置于被測體體內(nèi),跟隨被測體一起運動并且不影響被測體的運動規(guī)律[3-4],小體積、抗高沖擊是實現(xiàn)測試功能的基礎(chǔ)。為了保證測試過程的可靠性和持續(xù)性,高信噪比和低功耗是設(shè)計時的重要因素?，F(xiàn)有的引信電池存儲測試儀,具有體積小,抗沖擊性好的特點,可跟隨引信電池上彈發(fā)射。同時,受所用的元器件和體積的限制采樣頻率較低,一般為100 k Hz左右,存儲容量小,一般為幾十或幾百KB,采樣時間為毫秒級[5],無法實現(xiàn)高采樣頻率、長時間的數(shù)據(jù)記錄。針對此問題,本文設(shè)計了一種基于閃存的大容量存儲測試方法。

1 引信電池存儲測試儀

現(xiàn)有的引信電池存儲測試儀,為了減小體積降低功耗,充分利用了單片機內(nèi)的集成模塊,減少了外圍元件的使用[5]。TI公司的MSP430F系列單片機,集成度、體積、功耗等綜合性能較好,片內(nèi)集成有AD、存儲器、接口等部分?；趩纹瑱C的引信電池存儲測試儀[5],采用MSP430F1612單片機,內(nèi)嵌12 bit16通道的ADC,55 KB+256B Flash Memory和5 KB RAM。通過對此單片機的設(shè)計在單個芯片上實現(xiàn)了以下系統(tǒng)功能:AD轉(zhuǎn)換、存儲器、采樣頻率控制、芯片管理、地址發(fā)生器、延遲控制,系統(tǒng)具有階段管理和自動工作轉(zhuǎn)換功能。圖1為基于單片機的引信電池存儲測試原理圖。虛線框內(nèi)是單片機內(nèi)部劃分的多個功能模塊。

圖1 基于單片機的引信電池存儲測試原理圖Fig.1 Principle of storage measurement for fuze battery based on microcontroller

2 大容量存儲測試方法

對于本文中引信電池實驗室放電測試,主要解決的問題為如何實現(xiàn)高的數(shù)據(jù)存取率,以及如何長時間記錄電池激活前后完整的輸出曲線。單純的單片機控制難以實現(xiàn)高速運行,而單獨采用CPLD控制功耗較大且邏輯復(fù)雜[6-7]。在實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)采樣和大容量數(shù)據(jù)存儲的功能,同時控制功耗和體積的前提下,本文設(shè)計的存儲測試方法采用單片機與CPLD共同控制的模式,使用兩片閃存交替工作組成數(shù)據(jù)存儲器,滿足了電池放電測試高采樣頻率和長時間記錄的要求。單片機控制測試系統(tǒng)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換和發(fā)出對閃存進行寫入、讀取、擦除操作的命令,CPLD控制高速數(shù)據(jù)采樣轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)換完畢后數(shù)據(jù)的緩存。這樣的設(shè)計充分利用了單片機功耗低、邏輯簡單,CPLD速度高的優(yōu)點,提高了測試系統(tǒng)的功能性和穩(wěn)定性。閃存中設(shè)計了負延遲單元,存儲電池激活前的數(shù)據(jù),使測試結(jié)果可以顯示完整的放電曲線。

數(shù)據(jù)存儲器選用三星公司的NAND型閃存K9F4G08U0B,單片容量為512 MB。NAND結(jié)構(gòu)閃存的特點是:以頁為單位進行讀和編程操作,以塊為單位進行擦除操作。對一頁(2 KB)數(shù)據(jù)編程進入非易失介質(zhì)的典型時間為 200μs,擦除一塊(128 KB)的典型時間為1.5 ms。數(shù)據(jù)、地址、命令采用同一總線,芯片使用引腳少。

基于該方法研制的測試儀由模擬適配模塊、信號采樣轉(zhuǎn)換模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、接口模塊和電源管理模塊組成。圖2為大容量存儲測試方法原理圖。

圖2 大容量存儲測試方法原理圖Fig.2 Principle of large-capability storage measurement method

2.1 高速采樣控制

電池輸出信號通過模擬適配電路分為電壓和噪聲兩個通道,使用CPLD對外部晶振分頻后的信號作為AD轉(zhuǎn)換的時鐘,這樣得出的信號穩(wěn)定且占用芯片資源少。采用固定采樣頻率雙通道循環(huán)采樣的策略,每通道采樣頻率可達1 MHz。為達到高速數(shù)據(jù)采樣,相應(yīng)地也要提高數(shù)據(jù)存儲的速度,CPLD內(nèi)部同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的緩存功能,將一定量的數(shù)據(jù)一次性快速寫入閃存中,避免了對數(shù)據(jù)的多次處理產(chǎn)生的耗時。

2.2 負延遲與低功耗

由于測試時間較長,為了滿足測試要求并降低功耗,測試過程中設(shè)計了負延遲和低功耗兩種狀態(tài)。

將數(shù)據(jù)存儲部分分為兩個單元,第一單元存儲負延遲的數(shù)據(jù),第二單元存儲觸發(fā)后的數(shù)據(jù)。觸發(fā)前電池未被激活,為負延遲狀態(tài),此狀態(tài)下閃存循環(huán)記錄數(shù)據(jù),觸發(fā)后(TR=1)電池被激活,閃存地址跳入第二單元順序記錄電池的動態(tài)輸出,這樣,電池激活前的一段數(shù)據(jù)得以保留。記錄完畢后和數(shù)據(jù)擦除后測試儀處于低功耗狀態(tài),低功耗狀態(tài)下單片機控制關(guān)斷模擬部分電源,數(shù)字部分處于休眠狀態(tài),有效降低了功耗。

2.3 大容量閃存的應(yīng)用

設(shè)計大容量閃存作為外部數(shù)據(jù)存儲模塊。由于閃存存在較長的頁編程時間,編程時無法對其進行操作,為了在高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換情況下不丟失數(shù)據(jù),并進一步提高存儲容量,采用兩片閃存芯片交替工作組成數(shù)據(jù)存儲器,總存儲容量擴大為1 GB。AD輸出為12 bit,閃存的數(shù)據(jù)線為8 bit,轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)先進入CPLD轉(zhuǎn)化為2組8位數(shù)據(jù),使數(shù)據(jù)位數(shù)匹配。對A片發(fā)出命令后,A片進行編程時對B片寫入數(shù)據(jù),反之相同,這樣提高了測試儀的數(shù)據(jù)處理速度,滿足了測試要求。

3 實驗及測試驗證

引信電池激活時,測試儀要承受很高的沖擊,為了保證測試儀的可靠性,將電路用環(huán)氧樹脂進行真空灌封,并且在電路殼體外增加了膠墊起到緩沖保護的作用,這樣處理后測試儀可以承受10 000 g的過載。

對引信電池進行了多次不同g值與轉(zhuǎn)速下的放電測試,測試儀均工作正常,數(shù)據(jù)捕獲率百分之百。在額定轉(zhuǎn)速3 000 r/min、過載3 000 g的雙環(huán)境參數(shù)下對引信電池進行多次放電測試,其中一組測試數(shù)據(jù)如下所示。

圖3為完整的引信電池電壓輸出曲線。圖中橫坐標為時間,縱坐標為電壓值。圖中粗豎線是觸發(fā)線,表明了觸發(fā)時刻。從圖中可得出引信電池放電規(guī)律。引信電池從被激活到完全放電的過程中,電壓隨時間變化的關(guān)系:觸發(fā)之前引信電池沒有被激活,輸出為 0,激活后電壓迅速上升輸出達到最大值,引信電池在高速旋轉(zhuǎn)時進行放電,輸出電壓緩慢下降,在120 s之內(nèi)電壓在有效范圍內(nèi),120 s之后輸出大幅下降,引信電池充分放電時間約為240 s。從圖中橫坐標可看出記錄時間達到了270 s,滿足了長時間數(shù)據(jù)記錄的要求,得到了激活前后完整的測試曲線。

圖3 引信電池電壓輸出曲線Fig.3 The output voltage of fuze battery

輸出電壓曲線展開放大后得到引信電池激活瞬間電壓上升的曲線,如圖4所示。在圖中通過測量可以直接得到引信電池電壓上升到有效值的時間。從放大后的曲線可看出引信電池激活后輸出平穩(wěn)。

圖4 引信電池電壓上升時間曲線Fig.4 Curve of voltage rise time of fuze battery

圖5 為引信電池輸出的噪聲曲線,為了便于數(shù)據(jù)處理,噪聲通道設(shè)有基準電壓。

由噪聲曲線可以測量得出濾波后的引信電池輸出噪聲的大小,通過對比電壓及噪聲曲線,得出引信電池在激活時噪聲最大,電壓達到穩(wěn)定值后噪聲輸出呈周期性。曲線反映了在規(guī)定帶寬下輸出噪聲隨時間的變化關(guān)系,表明測試方法滿足了高速采樣的要求,顯示了測試儀的準確性、可靠性。

圖5 引信電池噪聲曲線Fig.5 Curve of nois of fuze battery

多次放電實驗后,數(shù)據(jù)的一致性良好,與理論設(shè)計值誤差較小。通過實驗可以得出:轉(zhuǎn)速的大小和旋轉(zhuǎn)的均勻性對引信電池輸出電壓值的大小和有效工作時間有較大影響,放電實驗中可以得到?jīng)_擊加速度值與激活時間的關(guān)系。為提高引信電池性能改進引信電池結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了重要的依據(jù)和參考。

4 結(jié)論

基于閃存的引信電池大容量存儲測試方法,采用單片機與CPLD作為控制器件,使用兩片大容量閃存組成數(shù)據(jù)存儲器,CPLD產(chǎn)生高頻采樣信號,單片機控制兩片閃存交替工作,存儲容量擴大至1 GB,滿足了電池放電測試大容量數(shù)據(jù)存儲的要求。實驗與測試表明:此方法可將采樣頻率提高到1 MHz,記錄時間延長到270 s,使用此方法可以實現(xiàn)引信電池放電測試時的高速數(shù)據(jù)采樣和長時間數(shù)據(jù)記錄功能。

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