沖擊加速度存儲(chǔ)測(cè)試的變頻采樣策略分析

陳昌鑫，靳 鴻，馬鐵華,4

(1. 中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051； 2. 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，山西 太原 030051； 3. 蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021； 4. 中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051)

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沖擊加速度存儲(chǔ)測(cè)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(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030051； 2. 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，山西 太原 030051； 3. 蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021； 4. 中北大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山西 太原 030051)

沖擊加速度測(cè)試過(guò)程中信號(hào)存在低速、中速和高速變化的特點(diǎn)，采用固定采樣頻率完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程的參數(shù)測(cè)試是不合理的，為了減少數(shù)據(jù)冗余、保證信號(hào)無(wú)失真恢復(fù)，在改變ADC采樣頻率的變頻采樣策略基礎(chǔ)上，提出一種數(shù)字變頻采樣策略。使用兩片存儲(chǔ)器，以高速采樣頻率得到充足數(shù)據(jù)源并且以同樣頻率寫(xiě)入存儲(chǔ)器1，根據(jù)信號(hào)變化特征改變存儲(chǔ)器2的地址推進(jìn)頻率，對(duì)存儲(chǔ)器1里的數(shù)據(jù)進(jìn)行抽點(diǎn)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)變頻采樣。經(jīng)過(guò)Hopkinson桿上的沖擊測(cè)試，變頻測(cè)量系統(tǒng)具有抗沖擊可靠性。仿真和測(cè)試表明，變頻采樣方法可以有效解決采樣頻率、數(shù)據(jù)容量之間的矛盾。

爆炸力學(xué)；動(dòng)態(tài)測(cè)試；變頻采樣；采樣策略；加速度

存儲(chǔ)測(cè)試[1]是在對(duì)被測(cè)對(duì)象無(wú)影響或者影響可以忽略的情況下，將電池供電、高強(qiáng)度殼體防護(hù)的存儲(chǔ)測(cè)試儀器置入被測(cè)對(duì)象或者被測(cè)環(huán)境中，實(shí)況地獲取動(dòng)態(tài)參數(shù)，事后回收存儲(chǔ)測(cè)試儀器，通過(guò)計(jì)算機(jī)讀數(shù)再現(xiàn)測(cè)試過(guò)程，特別適合高溫、高壓、高沖擊等惡劣環(huán)境以及不易引線測(cè)試的場(chǎng)合，例如高沖擊彈載參數(shù)測(cè)試[2]、沖擊波參數(shù)測(cè)試[3]。

將彈載沖擊加速度存儲(chǔ)測(cè)試儀器置入彈丸內(nèi)部進(jìn)行實(shí)況測(cè)試時(shí)，為減小對(duì)彈丸的影響，要求采用電池供電和存儲(chǔ)器記錄數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)測(cè)試儀器體積小、功耗低，則電池容量和存儲(chǔ)器容量有所限制。彈載加速度存儲(chǔ)測(cè)試儀器具備存儲(chǔ)測(cè)儀器的一般特征外，還有一些特征，例如沖擊加速度測(cè)試過(guò)程中信號(hào)存在低速、中速和高速變化。彈載加速度參數(shù)測(cè)試場(chǎng)合，一個(gè)測(cè)試過(guò)程包含3個(gè)典型子過(guò)程[1]，即第1子過(guò)程(彈丸發(fā)射)、第2子過(guò)程(彈丸空中飛行)、第3子過(guò)程(彈丸撞擊目標(biāo))，其加速度信號(hào)按照變化速率可以分為第1子過(guò)程(中速變化)，第2子過(guò)程(低速變化)，第3子過(guò)程(高速變化)，參考文獻(xiàn)[1]指出火炮彈丸全彈道加速度信號(hào)的3個(gè)過(guò)程持續(xù)的時(shí)間相差千倍。于是在一個(gè)測(cè)試過(guò)程中，被測(cè)信號(hào)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(guò)程記錄大量冗余數(shù)據(jù)，且在測(cè)試全過(guò)程采用高頻采樣會(huì)導(dǎo)致測(cè)試儀器的功耗較高，采用低速或中速采樣頻率則導(dǎo)致高速變化過(guò)程的信號(hào)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(cè)信號(hào)的所有信息的前提下，減少冗余數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)[4]。通過(guò)分頻改變ADC采樣頻率的采樣策略能夠減少冗余數(shù)據(jù)，但是在變頻的交界點(diǎn)處存在信號(hào)連續(xù)變化而采樣頻率階躍變化導(dǎo)致部分信號(hào)數(shù)字化不完整的問(wèn)題[4-7]。

本文中，在分頻改變ADC采樣頻率的采樣策略基礎(chǔ)上，提出一種數(shù)字變頻采樣策略，將采樣概念擴(kuò)展為對(duì)模擬量和數(shù)字量的抽取，其基本思想是采用固定的ADC采樣頻率，在數(shù)字量中抽點(diǎn)存儲(chǔ)實(shí)現(xiàn)變頻采樣。

1 采樣策略分析

采樣策略是解決采樣頻率、數(shù)據(jù)容量、測(cè)試時(shí)間等因素之間的方法[4]。被測(cè)動(dòng)態(tài)參量在實(shí)驗(yàn)中經(jīng)歷k個(gè)子過(guò)程，采樣頻率、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)容量、測(cè)試時(shí)間之間的關(guān)系滿(mǎn)足：

(1)

式中：M是數(shù)據(jù)容量，fi是第i個(gè)子過(guò)程的采樣頻率，Ti是第i個(gè)子過(guò)程的采樣時(shí)間。

如果采用固定的采樣頻率f0完成整個(gè)測(cè)試過(guò)程的測(cè)試，其數(shù)據(jù)容量M1滿(mǎn)足：

(2)

如果按照子過(guò)程的采樣頻率與測(cè)試過(guò)程特征相適應(yīng)的原則，改變測(cè)試子過(guò)程的采樣頻率，其數(shù)據(jù)容量M2滿(mǎn)足：

(3)

針對(duì)一個(gè)測(cè)試過(guò)程存在若干個(gè)子過(guò)程，而且若干個(gè)子過(guò)程信號(hào)變化緩慢特征不一致的測(cè)試場(chǎng)合，根據(jù)采樣定理，采樣頻率至少為模擬信號(hào)頻率分量最高頻率的2倍，則為了保證測(cè)試數(shù)據(jù)有效，固定的采樣頻率fi應(yīng)按照采樣定理設(shè)置，于是變頻采樣策略的采樣頻率fi與固定采樣頻率f0滿(mǎn)足：

(4)

各個(gè)子過(guò)程的采樣時(shí)間由被測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定，不能更改Ti，于是變頻采樣策略得到的數(shù)據(jù)容量M2和固定采樣頻率得到的數(shù)據(jù)容量M1滿(mǎn)足：

(5)

因此，根據(jù)信號(hào)變化緩慢程度的特征，將測(cè)試過(guò)程分為若干個(gè)工作狀態(tài)，選擇與信號(hào)變化快慢特征相匹配的采樣頻率是在保證信號(hào)采樣不失真前提下減少冗余數(shù)據(jù)的有效方法。

2 變頻采樣策略

2.1 改變ADC采樣時(shí)鐘的變頻采樣策略

圖1 控制狀態(tài)圖Fig.1 Control data diagram

根據(jù)信號(hào)變化快慢特征而通過(guò)分頻改變ADC采樣時(shí)鐘是常見(jiàn)的變頻采樣策略[7]。以高g值沖擊加速度測(cè)試的3個(gè)子過(guò)程測(cè)試(彈丸發(fā)射中速、彈丸飛行低速、彈丸撞擊高速3環(huán)境測(cè)試)為例，存儲(chǔ)測(cè)試儀器的控制狀態(tài)圖如圖1所示。

第1子過(guò)程(中速采樣狀態(tài))到第2子過(guò)程(低速采樣狀態(tài))通過(guò)定時(shí)觸發(fā)實(shí)現(xiàn)采樣頻率改變，因?yàn)閺椡璋l(fā)射過(guò)程時(shí)間較短，設(shè)置一定時(shí)間(一定存儲(chǔ)容量)后進(jìn)行低速采樣狀態(tài)，此時(shí)彈丸處于飛行狀態(tài)。第2子過(guò)程飛行狀態(tài)的時(shí)間由彈丸運(yùn)動(dòng)規(guī)律決定，其采樣時(shí)間較長(zhǎng)而且不可精確預(yù)見(jiàn)，于是低速采樣到高速采樣不能采用定時(shí)觸發(fā)，而是采用內(nèi)觸發(fā)實(shí)現(xiàn)采樣頻率改變。

低采樣頻率狀態(tài)到高采樣頻率狀態(tài)切換，會(huì)造成觸發(fā)點(diǎn)之前短暫的一段時(shí)間內(nèi)信號(hào)記錄不完整問(wèn)題，因?yàn)樵谟|發(fā)點(diǎn)前后，信號(hào)連續(xù)變化，而采樣頻率階躍變化，即觸發(fā)之前信號(hào)已經(jīng)快速變化，而此時(shí)仍然以較低的采樣頻率采樣，則出現(xiàn)短暫的信號(hào)記錄不完整的問(wèn)題。信號(hào)波形示意圖如圖2所示，設(shè)置觸發(fā)界限a1。t1之前信號(hào)變化緩慢，采用低速的f2進(jìn)行采樣、存儲(chǔ)(圖2中t1時(shí)刻之前的點(diǎn)表示按照f(shuō)2采樣得到的點(diǎn))；當(dāng)信號(hào)超過(guò)觸發(fā)界限a1(即內(nèi)觸發(fā)有效)時(shí)，信號(hào)快速變化，以高速的f3進(jìn)行快速采樣、存儲(chǔ)。在t1時(shí)刻之前的瞬間，信號(hào)已經(jīng)快速變化，由于脈沖峰值達(dá)不到觸發(fā)值，ADC仍然按照低速的f2采樣，較低的采樣頻率無(wú)法將這一段信號(hào)的變化完整記錄，造成局部信號(hào)失真的問(wèn)題，示意圖如圖3所示，t1時(shí)刻之前的波形是由圖2中按照f(shuō)2采樣得到的點(diǎn)連接而成的曲線。

圖2 信號(hào)波形示意圖Fig.2 Signal wave

圖3 采樣數(shù)據(jù)恢復(fù)波形示意圖Fig.3 Sampled waveform of data recovery

改變ADC時(shí)鐘的變頻采樣方法存在一定的局限性，由高速采樣過(guò)程到低速采樣過(guò)程不會(huì)出現(xiàn)信號(hào)失真，而由低速采樣過(guò)程到高速采樣過(guò)程，存在有效數(shù)據(jù)源不足導(dǎo)致信號(hào)記錄不完整的問(wèn)題。

2.2 數(shù)字變頻采樣策略

數(shù)字變頻采樣策略是一種不同于改變ADC時(shí)鐘的數(shù)字變頻采樣方法，核心思想是高速采樣、選擇性存儲(chǔ)，即根據(jù)信號(hào)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(shù)據(jù)源，根據(jù)信號(hào)變化快慢特征，改變數(shù)字量寫(xiě)入存儲(chǔ)器的頻率實(shí)現(xiàn)抽點(diǎn)存儲(chǔ)，達(dá)到變頻采樣、減少冗余數(shù)據(jù)的目的[8]。

圖4 數(shù)字變頻采樣策略系統(tǒng)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(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)寫(xiě)入存儲(chǔ)器1，并且以相同的頻率推進(jìn)存儲(chǔ)器1(例如，F(xiàn)IFO存儲(chǔ)器)的地址，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)源的完整記錄；分頻模塊在觸發(fā)控制模塊的控制下，產(chǎn)生與信號(hào)變化特征相匹配的頻率，改變存儲(chǔ)器2的地址推進(jìn)時(shí)鐘，例如信號(hào)處于緩慢變化的時(shí)候，存儲(chǔ)器2的地址推進(jìn)時(shí)鐘低于存儲(chǔ)器2的寫(xiě)入時(shí)鐘(即：ADC的采樣時(shí)鐘、存儲(chǔ)器1的地址推進(jìn)時(shí)鐘)，即只有地址變化之前的數(shù)據(jù)寫(xiě)入了存儲(chǔ)器2，這樣實(shí)現(xiàn)數(shù)字量的抽點(diǎn)存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)變頻采樣。數(shù)字變頻采樣策略系統(tǒng)框圖如圖4所示。

由低速采樣過(guò)程到高速采樣過(guò)程中，數(shù)字變頻采樣策略的存儲(chǔ)器1作為數(shù)據(jù)緩沖器，通過(guò)改變存儲(chǔ)器2的地址推進(jìn)時(shí)鐘實(shí)現(xiàn)，當(dāng)t1時(shí)刻觸發(fā)時(shí)候，分頻模塊以高速時(shí)鐘推進(jìn)存儲(chǔ)器2的地址，此時(shí)t1時(shí)刻之前的一段數(shù)據(jù)保存在存儲(chǔ)器1(緩沖器)中，保證了2個(gè)交替子過(guò)程之間數(shù)據(jù)的有效存儲(chǔ)，這樣保證信號(hào)完整、有效。

由高速采樣過(guò)程到低速采樣過(guò)程，當(dāng)觸發(fā)后以較低的地址推進(jìn)時(shí)鐘寫(xiě)入存儲(chǔ)器2的數(shù)據(jù)時(shí)候，會(huì)造成觸發(fā)時(shí)刻之前的高速采樣數(shù)據(jù)丟點(diǎn)，此時(shí)啟動(dòng)延遲計(jì)數(shù)器，延遲改變存儲(chǔ)器2的地址推進(jìn)時(shí)鐘，保證存儲(chǔ)1中的數(shù)據(jù)(觸發(fā)時(shí)刻之前的一段高速采樣數(shù)據(jù))正確、有效的寫(xiě)入存儲(chǔ)器2，這樣可保證信號(hào)完整、有效。

對(duì)數(shù)字變頻采樣策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證，時(shí)序圖如圖5所示，圖中CONVST是ADC的采樣時(shí)鐘，設(shè)定為恒定的高頻時(shí)鐘(不低于多個(gè)子過(guò)程最高采樣頻率)；FRD是存儲(chǔ)器1(例如FIFO)的讀時(shí)鐘；FWE是存儲(chǔ)器1的寫(xiě)時(shí)鐘，也即ADC的讀時(shí)鐘；ADDR是存儲(chǔ)器2的地址推進(jìn)時(shí)鐘，由CONVST分頻得到，MWE是存儲(chǔ)器2的寫(xiě)時(shí)鐘，只有存儲(chǔ)器2地址變化之前的數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器2。

圖5 數(shù)字變頻采樣策略的時(shí)序圖Fig.5 Sequence diagram of digital frequency-change sampling

變頻采樣策略(數(shù)字抽點(diǎn))仿真圖如圖6所示，將CONVST十分頻得到ADDR，sram_wr是存儲(chǔ)1的寫(xiě)時(shí)鐘，sram_rd是存儲(chǔ)器1的讀時(shí)鐘，sram_din是存儲(chǔ)器1的數(shù)據(jù)，也即ADC輸出的數(shù)據(jù)(10,11,12……50)，sram_dout是寫(xiě)入存儲(chǔ)器2的數(shù)據(jù)(15,25,35,45)，驗(yàn)證了數(shù)據(jù)抽點(diǎn)方法的正確性。

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

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

沖擊加速度測(cè)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(shù)據(jù)存儲(chǔ)及控制電路等模塊組成，測(cè)試儀電路安裝在金屬殼體里面，并經(jīng)過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂灌封[10]，其尺寸按照隨彈安裝要求設(shè)計(jì)(尺寸參數(shù)是?3.5 cm×5 cm，體積為48 cm3)。在實(shí)驗(yàn)室的Hopkinson桿上進(jìn)行了抗沖擊試驗(yàn)[11]，在 5×104g的沖擊載荷下測(cè)試儀可靠工作，可靠性試驗(yàn)的沖擊加速度a測(cè)試曲線如圖7所示。

在某靶場(chǎng)進(jìn)行了彈載加速度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，記錄了彈丸發(fā)射、彈丸飛行、撞擊靶板3個(gè)典型過(guò)程的單軸加速度參數(shù)，測(cè)試曲線如圖8所示，X為采樣點(diǎn)。

圖7 加速度測(cè)試曲線Fig.7 Acceleration curve

圖8 數(shù)字變頻采樣測(cè)試曲線Fig.8 Acceleration curve based on digital frequency-change sampling

在觸發(fā)之前的負(fù)延遲部分記錄了2 kByte的數(shù)據(jù)；發(fā)射過(guò)程以50 kHz的采樣頻率記錄了32 kByte數(shù)據(jù)；飛行過(guò)程以1 kHz的采樣頻率記錄了大約33 kByte數(shù)據(jù)；撞擊過(guò)程以100 kHz的采樣頻率記錄了64 kByte數(shù)據(jù)。從觸發(fā)記錄膛內(nèi)發(fā)射過(guò)程開(kāi)始，利用50、1、100 kHz記錄了3個(gè)典型過(guò)程的數(shù)據(jù)，其中飛行過(guò)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(guò)程，數(shù)據(jù)量是3.22 MByte，則使用變頻采樣方法在飛行測(cè)試過(guò)程變頻采樣減少冗余數(shù)據(jù)量的比例是99%。

4 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)測(cè)試過(guò)程根據(jù)信號(hào)變化快慢特征分為若干個(gè)子過(guò)程的測(cè)試場(chǎng)合，變頻采樣策略是減少冗余數(shù)據(jù)的可靠、有效方法。通過(guò)方案對(duì)比和測(cè)試實(shí)驗(yàn)，改變ADC采樣頻率的變頻采樣方法和數(shù)字抽點(diǎn)存儲(chǔ)的變頻采樣方法都是有效的變頻采樣策略，但是數(shù)字變頻采樣方法更優(yōu)，它通過(guò)固定高速采樣頻率得到完整的數(shù)據(jù)源，改變存儲(chǔ)器地址推進(jìn)頻率實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的抽點(diǎn)存儲(chǔ)，保證了子過(guò)程交替時(shí)候信號(hào)的完整、有效記錄。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了數(shù)字變頻采樣方法的正確性和可行性；利用數(shù)字變頻采樣方法設(shè)計(jì)的存儲(chǔ)測(cè)試儀器在實(shí)驗(yàn)室的Hopkinson桿上的上進(jìn)行了抗沖擊試驗(yàn)，并且在靶場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試實(shí)驗(yàn)，對(duì)數(shù)字變頻采樣方法進(jìn)行了驗(yàn)證，降低了飛行測(cè)試過(guò)程的采樣頻率，減少了冗余數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，在爆炸力學(xué)動(dòng)態(tài)測(cè)試中有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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(責(zé)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51275488)；山西省青年科技研究基金項(xiàng)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(guó)標(biāo)學(xué)科代碼： 13035

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