基于FPGA軟核的參數(shù)可變的壓力測試系統(tǒng)設(shè)計

夏永樂，楊 志，趙化彬

(中北大學(xué)儀器與電子學(xué)院，山西太原030051)

爆炸沖擊波壓力測試是對常規(guī)武器系統(tǒng)殺傷力評價的有效技術(shù)手段，可為武器的威力對比，性能評估提供重要的依據(jù)［1，2］。為了獲取整體信息，往往需要在測試現(xiàn)場布設(shè)數(shù)目較多的測試裝置［3］。由沖擊波超壓經(jīng)驗公式分析，超壓峰值隨著彈藥的當量和測點距爆心的距離產(chǎn)生十分顯著的變化［4］。在實際測試中，要求測試系統(tǒng)根據(jù)實驗對象和測試環(huán)境合理設(shè)置參數(shù)。傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)設(shè)計中，為了完成不同的測試任務(wù)，往往需要重新設(shè)計PCB電路。而設(shè)計新的系統(tǒng)不僅花費較大工作量和成本，并且開發(fā)周期長。另外，倘若測試系統(tǒng)需要完善和升級時，則難度較大。

本文根據(jù)不同環(huán)境下的沖擊波壓力測試需求，設(shè)計了可配置的FPGA軟核，在硬件電路的基礎(chǔ)上，通過移植可配置的軟核［5］，在較短的開發(fā)周期內(nèi)，設(shè)計出測試參數(shù)可變的測試系統(tǒng)。解決了傳統(tǒng)測試系統(tǒng)的開發(fā)周期長、成本高、電路可復(fù)用性差等問題。對測試系統(tǒng)進行了實驗驗證后，應(yīng)用到靜爆測試中，有效獲得了壓力數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，系統(tǒng)具有很高的可靠性。

1 系統(tǒng)組成

由于測試環(huán)境惡劣并且爆炸存在極大的破壞性，極易造成測試系統(tǒng)的損壞。為了提高了系統(tǒng)的存活率和智能化，采用存儲測試技術(shù)，將傳感器及其調(diào)理電路、采集存儲電路、電源等集成一體，構(gòu)成一個可獨立工作的微小系統(tǒng)。將其植入爆炸現(xiàn)場，完成沖擊波信號采集與存儲，實驗完成后回收測試系統(tǒng)，由計算機回讀數(shù)據(jù)并再現(xiàn)測試信息。測試系統(tǒng)總體組成如圖1所示，硬件由ICP壓力傳感器、調(diào)理電路(程控放大器、運算放大器、低通濾波器)、AD轉(zhuǎn)換器、FPGA、SDRAM存儲器及USB芯片等組成。軟件設(shè)計主要包括FPGA軟核和上位機。上位機采用LabVIEW設(shè)計，具有良好的人機交互界面，實現(xiàn)測試參數(shù)設(shè)置與回讀，數(shù)據(jù)讀取與顯示的功能。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖

本文研究重點是設(shè)計出滿足不同測試環(huán)境下的壓力測試系統(tǒng)可移植、可復(fù)用的軟核。通過調(diào)用所需要的功能控制軟核，配合周圍電路，完成沖擊波壓力測試。

2 軟核設(shè)計

FPGA具有可靜態(tài)重復(fù)編程和可動態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的優(yōu)點，因此可通過編程來達到修改硬件功能的目的。軟核設(shè)計是通過反復(fù)驗證的、具有特殊功能的宏模塊，可使這些編程數(shù)據(jù)進行移植和修改。只要對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊進行配置后，即可實現(xiàn)相應(yīng)的電路功能。同一FPGA輸入配置好的軟核，便可完成壓力測試的邏輯功能。軟核設(shè)計包括有:數(shù)據(jù)采集模塊軟核、參數(shù)設(shè)置模塊軟核、數(shù)據(jù)存儲模塊軟核、USB通信模塊軟核。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊軟核

時鐘是同步電路系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵，系統(tǒng)采用了數(shù)字時鐘管理單元(DCM)管理和控制時鐘信號，以提供優(yōu)質(zhì)的時鐘信號源。由于每次實驗準備的時間不同，而觸發(fā)具有隨機性，有可能在準備期間因現(xiàn)場干擾造成系統(tǒng)誤觸發(fā)，導(dǎo)致測試失敗。為了提高系統(tǒng)可靠性和降低系統(tǒng)功耗，設(shè)計了定時和參數(shù)可變的功能。測試系統(tǒng)在現(xiàn)場布置好后，根據(jù)離彈藥爆破時刻設(shè)置定時長度。在定時時間內(nèi)系統(tǒng)處于低功耗模式并且只有內(nèi)部計數(shù)器在工作，其他模塊不工作。當定時結(jié)束后，喚醒系統(tǒng)，加載事先設(shè)置好的測試參數(shù)，進入待觸發(fā)模式，等待沖擊波信號的到來，完成數(shù)據(jù)的采集與存儲。數(shù)據(jù)采集模塊工作流程圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊工作流程圖

2.2 參數(shù)設(shè)置軟核設(shè)計

沖擊波超壓隨彈藥當量和距爆心的距離變化而變化，實驗前需根據(jù)布點的位置及測試對象，合理設(shè)置測試參數(shù)。主要包括:定時時長，觸發(fā)電平、放大倍數(shù)、采樣頻率、存儲長度、負延時。參數(shù)設(shè)置模塊原理圖如圖3所示，可通過上位機利用USB接口設(shè)置參數(shù)。

圖3 參數(shù)設(shè)置模塊原理圖

首先設(shè)定了一個合理的觸發(fā)電平值，當AD芯片采樣所得的電平值大于預(yù)設(shè)值時，則滿足觸發(fā)條件，否則不觸發(fā)。沖擊波信號一旦到來，此時給采集控制模塊一個信號以完成采集。然后根據(jù)測試環(huán)境預(yù)測測點的壓力大小，以選擇合理的放大倍數(shù)。模塊提供了1M，2M等不同采樣頻率，以完成不同測試任務(wù)。為了實現(xiàn)能觀測信號來之前的一段信息，設(shè)置了負延時，其大小決定了觸發(fā)前存儲的長度。另外，也可對數(shù)據(jù)存儲長度進行設(shè)置。以容納完整的信號為原則，對存儲長度、負延時進行合理的設(shè)置，以確保沖擊波壓力信號的完整性和連續(xù)性。

2.3 數(shù)據(jù)存儲軟核設(shè)計

爆炸沖擊波具有初值高、衰減快、持續(xù)時間短等特點，其測試是一個瞬態(tài)過程。為了有效地捕抓沖擊波壓力信號，選用PCB公司的ICP壓電壓力傳感器，其響應(yīng)時間小于1 us，同時存儲器采用存取速度快的SDRAM。在AD采集完成后，不停地將數(shù)據(jù)循環(huán)存儲到SDRAM中，同時原數(shù)據(jù)將會不斷被新數(shù)據(jù)刷新覆蓋，當達到設(shè)定的存儲長度后會停止覆蓋，以存儲有用的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲模塊原理設(shè)計如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)存儲讀取控制模塊原理圖

2.4 USB通信模塊軟核及其時序仿真

測試系統(tǒng)與上位機的通信是系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。USB總線具有傳輸速度快、即插即用等優(yōu)點［6］。但復(fù)雜的USB傳輸協(xié)議和驅(qū)動，很大程度上限制了系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)。為此，USB芯片選用FT245R，其內(nèi)部集成了USB協(xié)議，完成并行數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換［6］。系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取是通過上位機完成的，上位機將相應(yīng)的控制命令以串行數(shù)據(jù)存儲在FT245R的內(nèi)部接收FIFO中;而FPGA的回讀信號和數(shù)據(jù)則以8位并行數(shù)據(jù)存儲在發(fā)送FIFO中。通過通信模塊軟核控制FT245R，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

為了驗證通信軟核功能的正確性，利用Modelsim SE對其進行了時序仿真，如圖5所示。先進行讀操作，圖中高亮的data_usb的前4個bytes數(shù)據(jù)，表示上位機從FPGA中回讀的4個參數(shù);然后進行寫操作，圖中data_usb的中間4個bytes數(shù)據(jù)表示上位機對FPGA設(shè)置的4個參數(shù);而data_usb的最后2個bytes數(shù)據(jù)則表示上位機設(shè)置的2個命令。從時序圖可得，rxf和rd、txe和wr的時序，與FT245R芯片讀時序和寫時序完全相符，說明該模塊設(shè)計正確，功能滿足要求。

圖5 通信模塊時序仿真圖

3 系統(tǒng)性能驗證

為了驗證采用軟核設(shè)計壓力測試系統(tǒng)的準確性和可靠性，進行了信號采集試驗。首先利用Agilenl公司的33521A信號發(fā)生器，產(chǎn)生頻率為1 kHz、幅值為2 V的正弦信號，如圖6所示。然后設(shè)置測試系統(tǒng)的參數(shù)，具體包括放大倍數(shù):1倍，觸發(fā)電平:1172，采樣頻率:1 M，負延時:64 k，存儲長度:1 M。設(shè)置完成后，測試系統(tǒng)對正弦波信號進行采集。利用上位機通過USB接口讀取采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及測試信息進行顯示，如圖7所示。

圖6 正弦波輸入波

由圖可知:正弦信號實際頻率為1.000 0 kHz、幅值為2.018 V，而采集到的波形頻率為0.999 kHz、幅值為 2.012 V，測試誤差為0.297%，滿足設(shè)計要求，驗證了測試系統(tǒng)的準確性。另外，圖7右下方回讀的測試信息與之前設(shè)置的參數(shù)一致，進一步驗證了參數(shù)設(shè)置功能的正確性。

圖7 系統(tǒng)測試波形圖

4 彈藥靜爆試驗

將20 kg的某裸裝彈藥架高1.5 m進行靜爆實驗，根據(jù)測試要求并盡可能保護測試系統(tǒng)，將設(shè)計好的2套測試系統(tǒng)分別埋設(shè)于在同一直線上距爆心7.5 m、15 m處。根據(jù)經(jīng)驗公式，計算的沖擊波超壓峰值理論值分別為0.148 3 MPa，0.038 8 MPa。設(shè)置好合理的參數(shù)后，讓其均處于定時狀態(tài)，實驗人員安全撤離后按時進行爆破。實驗完成后，回讀數(shù)據(jù)。測試系統(tǒng)在7.5 m、15 m處測的沖擊波超壓峰值為0.139 2 MPa，0.034 3 MPa，接近理論值，實測壓力曲線如圖8所示。多次實驗表明測試系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定。

圖8 實測壓力曲線

5 結(jié)論

針對不同環(huán)境下的沖擊波壓力測試，設(shè)計了可配置的FPGA軟核，實現(xiàn)對周圍硬件電路的控制，完成了瞬態(tài)沖擊波壓力信號的采集。根據(jù)不同測試條件，可對軟核進行重新配置，實現(xiàn)系統(tǒng)快速設(shè)計，提高了電路復(fù)用性。測試系統(tǒng)在多次實彈測試實驗中得到了應(yīng)用，其穩(wěn)定性、可靠性得到了驗證，并能有效獲取數(shù)據(jù)。

［1］張志杰，王代華，王文廉，等.具有無線數(shù)據(jù)傳輸與控制功能的沖擊波超壓測試系統(tǒng)［J］.計測技術(shù)，2010，30(1):22－25.

［2］王代華，宋林麗，張志杰.存儲測試系統(tǒng)的USB接口設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，11:133 －135.

［3］馬鐵華，祖靜.沖擊波超壓存儲測試技術(shù)研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2004，25(4):134 －136.

［4］趙巖，杜紅棉，馬鐵華.參數(shù)可變的無線式?jīng)_擊波超壓測試系統(tǒng)的研究［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2011，30(5):58－60.

［5］徐文波，田耘.Xilinx FPGA開發(fā)使用教程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2012.

［6］裴峰，吳健，魏海潮，等.面向存儲測試系統(tǒng)的FT245RL數(shù)據(jù)傳輸控制器設(shè)計［J］.電子測試，2011，8:78－80.