爆炸場(chǎng)壓力測(cè)試多存少取技術(shù)研究

王文廉，張晉文，趙晨陽(yáng)，張志杰

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

爆炸場(chǎng)壓力測(cè)試多存少取技術(shù)研究

王文廉1，2，張晉文1，趙晨陽(yáng)1，張志杰1，2

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051）

爆炸場(chǎng)壓力信號(hào)測(cè)試過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)干擾容易引起錯(cuò)誤的系統(tǒng)觸發(fā)導(dǎo)致測(cè)試失敗。針對(duì)分布式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，提出一種多存少取的測(cè)試技術(shù)。大容量的測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)記錄，可避免誤觸發(fā)引起的失效；標(biāo)記并提取小容量的有效數(shù)據(jù)段，可改善數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)處理效率。設(shè)計(jì)并研制了一種基于多存少取技術(shù)的爆炸場(chǎng)地面壓力測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試節(jié)點(diǎn)采樣速率1 Msps、128 Gb數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、512 kW有效數(shù)據(jù)段提取，并具有Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

爆炸場(chǎng)；壓力測(cè)試；多存少?。粺o(wú)線網(wǎng)絡(luò)

爆炸過(guò)程中的沖擊波壓力測(cè)試是武器研制過(guò)程中威力評(píng)估和性能評(píng)價(jià)的重要手段［1－3］，研制試驗(yàn)成本很高，必須保證測(cè)試的可靠性。常規(guī)的測(cè)試系統(tǒng)記錄時(shí)間短，需要可靠的系統(tǒng)觸發(fā)來(lái)保證瞬態(tài)爆炸壓力信號(hào)測(cè)試的成功。系統(tǒng)觸發(fā)方式包括手動(dòng)觸發(fā)、斷線觸發(fā)、壓力信號(hào)觸發(fā)和無(wú)線控制觸發(fā)等［4－6］。在多數(shù)的爆炸測(cè)試環(huán)境中，測(cè)試人員遠(yuǎn)距離撤離，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在爆炸前一段時(shí)間關(guān)閉，壓力測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)很難監(jiān)測(cè)，現(xiàn)場(chǎng)干擾可能引起測(cè)試系統(tǒng)誤觸發(fā)導(dǎo)致測(cè)試失敗。另一方面，隨著壓力場(chǎng)測(cè)試要求的提高，測(cè)試節(jié)點(diǎn)的數(shù)量越來(lái)越多，測(cè)試數(shù)據(jù)量不斷增加，加重了數(shù)據(jù)傳輸和處理的負(fù)擔(dān)。特別是無(wú)線通信技術(shù)逐漸應(yīng)用于測(cè)試系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)傳輸，其有效通信速率相對(duì)較低［7－9］，對(duì)于信號(hào)采集速率較高的沖擊波壓力測(cè)試，很難實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)傳輸。

本文針對(duì)分布式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)提出一種多存少取的測(cè)試技術(shù)，通過(guò)大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)采集，從而擺脫系統(tǒng)依靠觸發(fā)記錄的工作方式，提高測(cè)試的可靠性。并且，提取小容量的有效數(shù)據(jù)段進(jìn)行傳輸，提高數(shù)據(jù)傳輸效率。以多存少取技術(shù)為基礎(chǔ)，研制了一種基于Wi-Fi無(wú)線技術(shù)的爆炸場(chǎng)沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)。

1 多存少取測(cè)試技術(shù)

在常規(guī)的沖擊波壓力測(cè)試系統(tǒng)中，比如通用型的采集卡設(shè)備，為了獲得高的采集速率，需要選擇存儲(chǔ)容量小、存取速度快的SRAM或SDRAM等存儲(chǔ)器件。受限于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量，測(cè)試系統(tǒng)記錄的信號(hào)長(zhǎng)度短。此類測(cè)試系統(tǒng)為了捕獲瞬態(tài)的爆炸壓力信號(hào)，必須采用觸發(fā)記錄的工作方式。圖1是常規(guī)測(cè)試系統(tǒng)的工作流程與工作時(shí)間的關(guān)系。為了獲得觸發(fā)時(shí)刻前的負(fù)延遲數(shù)據(jù)，系統(tǒng)上電后立即進(jìn)入循環(huán)采集存儲(chǔ)狀態(tài)，即待觸發(fā)狀態(tài)，時(shí)間長(zhǎng)度為Tw；如果檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)，系統(tǒng)進(jìn)入順序采集存儲(chǔ)狀態(tài)，即信號(hào)采集狀態(tài)，時(shí)間長(zhǎng)度為Ts；系統(tǒng)總的工作時(shí)間為Ta，表示為Ta＝Tw＋Ts。在實(shí)際的試驗(yàn)場(chǎng)應(yīng)用中，等待觸發(fā)時(shí)間Tw需要很長(zhǎng)，主要包括人員撤離、其他測(cè)試部門協(xié)調(diào)、安裝起爆裝置、下達(dá)指令等時(shí)間。而有效信號(hào)采集時(shí)間Ts很短，由數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量和采樣速率決定，通常為幾秒鐘。如果系統(tǒng)在爆炸前發(fā)生了誤觸發(fā)，Ts很短，那么很難采集到壓力信號(hào)。

圖1 常規(guī)測(cè)試系統(tǒng)工作流程與時(shí)間關(guān)系Fig.1 Workflow of conventional measurement system versus time

多存少取的測(cè)試技術(shù)通過(guò)大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)來(lái)增加有效信號(hào)記錄時(shí)間，并結(jié)合有效數(shù)據(jù)段標(biāo)記方法，提取小容量的有效數(shù)據(jù)段，用于傳輸和數(shù)據(jù)處理，工作原理如圖2所示。A/D變換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)（測(cè)試數(shù)據(jù)），數(shù)據(jù)被順序存儲(chǔ)到大容量的存儲(chǔ)器中，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)跟蹤。如果發(fā)生一定脈寬的突變信號(hào)，將其劃分為有效數(shù)據(jù)段，并按存儲(chǔ)地址和存儲(chǔ)時(shí)間兩種方式標(biāo)記下來(lái)。在采集存儲(chǔ)完成以后，提取有效數(shù)據(jù)段。如果在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，出現(xiàn)了一些類似沖擊波壓力信號(hào)特征的干擾信號(hào)，也將一并被標(biāo)記為有效數(shù)據(jù)段，從而出現(xiàn)多個(gè)有效數(shù)據(jù)段。按爆炸時(shí)刻提取其中一個(gè)數(shù)據(jù)段，如果還存在數(shù)據(jù)干擾，可以提取其他備份數(shù)據(jù)段。這種多存少取的方法通過(guò)廣泛采集，精確篩選既提高了測(cè)試的成功率，也減輕了數(shù)據(jù)傳輸和處理的壓力。

圖3是多存少取測(cè)試系統(tǒng)的工作流程與時(shí)間的關(guān)系。系統(tǒng)上電后直接進(jìn)入信號(hào)采集狀態(tài)，采集的數(shù)據(jù)順序存入大容量的存儲(chǔ)器，同時(shí)控制器根據(jù)信號(hào)特性對(duì)數(shù)據(jù)段進(jìn)行判斷是否為有效數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行標(biāo)記。一個(gè)有效數(shù)據(jù)段記錄的時(shí)間長(zhǎng)度為Ti，如果有Ns個(gè)有效數(shù)據(jù)段，那么系統(tǒng)有效的信號(hào)記錄時(shí)間Ts＝Ns·Ti。系統(tǒng)總的工作時(shí)間為Ta，Ta由存儲(chǔ)容量Nm和采集速率fs決定，Ta＝Nm/fs。Ts≤Ta，系統(tǒng)有效的信號(hào)記錄時(shí)間最長(zhǎng)可以達(dá)到系統(tǒng)總的工作時(shí)間。如果Ta足夠長(zhǎng)，可保證獲得爆炸的壓力信號(hào)。隨著大容量存儲(chǔ)器技術(shù)的發(fā)展，在兼顧系統(tǒng)采集速率（通常約為1Msps）的情況下，可以獲得大容量的存儲(chǔ)。

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(cè)試系統(tǒng)工作流程與時(shí)間關(guān)系Fig.3 Workflow ofmass storage and less read measurement system versus time

2 測(cè)試節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)多存少取的設(shè)計(jì)思路，研制了用于爆炸場(chǎng)地面壓力測(cè)試的無(wú)線測(cè)試節(jié)點(diǎn)。傳感器采用PCB公司的ICP壓力傳感器，上升時(shí)間小于1μs，諧振頻率大于500 kHz，節(jié)點(diǎn)的測(cè)試壓力量程0.01 MPa～10 MPa，可根據(jù)測(cè)試要求選用不同的傳感器。電路帶寬0.1 Hz～250 kHz，信號(hào)的采集速率1Msps，采集分辨率12 bit。

節(jié)點(diǎn)的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要包括壓力傳感器、A/D變換器、FPGA、FLASH存儲(chǔ)器和Wi-Fi無(wú)線協(xié)議。采用可編程控制器FPGA作為中心控制器，負(fù)責(zé)所有的控制、協(xié)議、數(shù)據(jù)總線、參數(shù)存儲(chǔ)和信號(hào)判斷等功能，相比其他微控制器（MCU），F(xiàn)PGA容量大、速度快，更主要的是可以實(shí)現(xiàn)各模塊的多線程工作，提高系統(tǒng)的效率和數(shù)據(jù)傳輸速率。

圖4 測(cè)試節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram ofmeasurement node

2.1 大容量存儲(chǔ)

大容量存儲(chǔ)技術(shù)主要取決于存儲(chǔ)器，早期的選擇有磁盤、磁光盤等，但需要高速旋轉(zhuǎn)，也很難微型化。半導(dǎo)體的存儲(chǔ)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(chǔ)需要滿足幾個(gè)要求：存入平均速率高于采集速率，比如1MW/s；存儲(chǔ)容量滿足長(zhǎng)時(shí)間順序存儲(chǔ)，比如2小時(shí)；可按地址隨機(jī)存?。惑w積小，抗沖擊。現(xiàn)有的快速大容量存儲(chǔ)，大多選擇多片DRAM芯片實(shí)現(xiàn)，NAND Flash存儲(chǔ)器已經(jīng)逐漸得到應(yīng)用。本文的研制系統(tǒng)中采用NAND Flash存儲(chǔ)器K9MDG08U5D，單片存儲(chǔ)容量已經(jīng)達(dá)到16G×8bit，頁(yè)大?。?k＋218）Byte，頁(yè)寫入速率300μs。

Flash存儲(chǔ)器相對(duì)于SARM和DRAM控制復(fù)雜，研制的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)寫入、擦除、壞塊檢測(cè)、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(hào)通過(guò)增益、偏置、濾波處理后，由A/D變換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。A/D變換器的控制由FPGA編程實(shí)現(xiàn)，控制轉(zhuǎn)換速率和獲取轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)。1Msps的轉(zhuǎn)換速率，很難按點(diǎn)即時(shí)地寫入存儲(chǔ)器，將數(shù)據(jù)通過(guò)FIFO緩存，并變成8位字節(jié)的形式，寫入Flash存儲(chǔ)器。

2.2 有效數(shù)據(jù)段提取

根據(jù)壓力信號(hào)的特征、通信速率和存儲(chǔ)器塊長(zhǎng)度，有效數(shù)據(jù)段的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為512 kW。提取有效數(shù)據(jù)段，需要標(biāo)記和讀出兩個(gè)階段。標(biāo)記是根據(jù)數(shù)據(jù)的變化初步判斷是否沖擊波壓力信號(hào)到來(lái)，其判斷標(biāo)準(zhǔn)采用簡(jiǎn)單的上升時(shí)間和脈寬判斷。如果上升時(shí)間小于10μs，正向持續(xù)時(shí)間大于100μs，標(biāo)記為有效數(shù)據(jù)段，將其存儲(chǔ)到Flash的起始地址標(biāo)記出來(lái)。這樣的判斷標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)量和不同距離時(shí)的沖擊波特性。這種判斷標(biāo)準(zhǔn)很寬松，對(duì)于傳感器感受到的其他壓力信號(hào)，如敲擊、碰撞等不能濾除，可能出現(xiàn)多個(gè)有效數(shù)據(jù)段。

為了更準(zhǔn)確提取有效數(shù)據(jù)段，除了判斷信號(hào)特性，還在標(biāo)記地址的同時(shí)標(biāo)記時(shí)間信息。在FPGA內(nèi)有時(shí)間發(fā)生器，并用主控計(jì)算機(jī)授時(shí)，在判斷為有效數(shù)據(jù)段時(shí)，把此刻的時(shí)間記錄下來(lái)。數(shù)據(jù)的提取在爆炸完成后由主控計(jì)算機(jī)完成，可以用爆炸時(shí)刻來(lái)選擇有效數(shù)據(jù)段。

2.3 Wi-Fi無(wú)線通信

存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)可以提高系統(tǒng)抗干擾能力，保證人員安全，但是系統(tǒng)工作狀態(tài)難以監(jiān)控，測(cè)試數(shù)據(jù)回收不方便。具有無(wú)線通信的存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸。目前大多數(shù)的無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)采用發(fā)展成熟的zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)原理。此類無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率低、距離近，對(duì)于數(shù)據(jù)量較大沖擊波壓力測(cè)試，很難得到實(shí)際應(yīng)用［6－7］。本系統(tǒng)采用具有IEEE 802.11 b/g傳輸協(xié)議的Wi-Fi通信，通信速率能達(dá)到54 Mbps，甚至更高。在每個(gè)存儲(chǔ)測(cè)試節(jié)點(diǎn)中設(shè)計(jì)一個(gè)Wi-Fi通信模塊，與爆炸場(chǎng)附近的無(wú)線接入點(diǎn)（AP）連接組網(wǎng)，最終與2 km外的主控計(jì)算機(jī)建立遠(yuǎn)距離通信。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)使用情況，將通信分為連續(xù)模式A和間斷模式B，如圖5所示。在連續(xù)模式下，測(cè)試節(jié)點(diǎn)上電后作為服務(wù)器端，處于監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)等待連接，但同時(shí)進(jìn)行信號(hào)采集存儲(chǔ)。如果已經(jīng)獲得壓力信號(hào)，可以隨時(shí)建立無(wú)線連接，中斷采集，讀取數(shù)據(jù)。在間斷模式下，測(cè)試節(jié)點(diǎn)在信號(hào)采集前建立連接，進(jìn)行功能檢測(cè)和授時(shí)，然后關(guān)閉無(wú)線連接，進(jìn)入信號(hào)采集狀態(tài)。在采集存儲(chǔ)完成后，自動(dòng)進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，等待建立連接，讀取數(shù)據(jù)。在需要完全關(guān)閉無(wú)線通信的試驗(yàn)中，系統(tǒng)可以采用USB接口的方式完成參數(shù)配置和數(shù)據(jù)讀取。

圖5 無(wú)線通信狀態(tài)圖Fig.5 State diagram ofwireless communication

3 實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了驗(yàn)證壓力測(cè)試系統(tǒng)的可靠性，參加了爆炸環(huán)境的測(cè)試實(shí)驗(yàn)。測(cè)試節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)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(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)貼近地面工作。因?yàn)楸ㄓ蓄A(yù)制破片，在測(cè)試節(jié)點(diǎn)前方安裝了直徑50 mm的圓柱形防護(hù)體，距離傳感器的距離500 mm。測(cè)試過(guò)程中，在爆炸圓周上布置了多種其他測(cè)試裝備，人員、車輛和電纜較多。為了保證測(cè)試人員安全，提前開(kāi)啟了壓力測(cè)試系統(tǒng)，人員撤離到安全位置。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試節(jié)點(diǎn)安裝Fig.6 Disposal ofmeasurement nodes in experiment

經(jīng)過(guò)5次爆炸壓力測(cè)試，都獲得了有效數(shù)據(jù)。以其中一次較特殊的現(xiàn)場(chǎng)情況為例，說(shuō)明多存少取測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。開(kāi)啟測(cè)試系統(tǒng)后，在爆炸前有少量下雨，雨點(diǎn)落到壓力傳感器上產(chǎn)生干擾信號(hào)。對(duì)于常規(guī)的存儲(chǔ)式測(cè)試系統(tǒng)，雨點(diǎn)干擾信號(hào)將引起誤觸發(fā)，無(wú)法記錄到爆炸壓力信號(hào)。而多存少取測(cè)試系統(tǒng)，可以長(zhǎng)時(shí)間有效記錄，保證捕獲到爆炸壓力信號(hào)。由于雨點(diǎn)干擾信號(hào)近似壓力特征，被標(biāo)示為有效數(shù)據(jù)段1，而爆炸壓力信號(hào)被標(biāo)示為有效數(shù)據(jù)段2，如圖7所示。圖7（a）是雨點(diǎn)干擾信號(hào)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(xù)時(shí)間16.445 ms。在沖擊波到達(dá)前34.974 ms內(nèi)有噪聲信號(hào)。根據(jù)噪聲信號(hào)特征和爆炸環(huán)境分析，噪聲來(lái)源包括預(yù)制破片飛行引起的激波，以及爆炸電磁場(chǎng)和地面震動(dòng)。

圖7 測(cè)試曲線Fig.7 Measurement curves of experiment

4 結(jié) 論

針對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)爆炸環(huán)境的沖擊波壓力測(cè)試，提出了一種多存少取測(cè)試技術(shù)。通過(guò)FPGA控制下的NAND Flash大容量存儲(chǔ)方式實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)記錄，從而提高測(cè)試的可靠性；根據(jù)信號(hào)上升時(shí)間和脈寬劃分了有效數(shù)據(jù)段，并按存儲(chǔ)地址和存儲(chǔ)時(shí)間進(jìn)行了標(biāo)記，縮短了數(shù)據(jù)傳輸和信號(hào)處理時(shí)間。研制了用于地面壓力測(cè)試的多存少取無(wú)線測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)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