一種可編程高可靠性存儲式爆炸沖擊波測試系統(tǒng)

朱金瑞，王代華，蘇尚恩

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室， 太原 030051; 2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國家重點實驗室， 太原 030051; 3.北方導(dǎo)航控制技術(shù)股份有限公司， 北京 100176)

近些年，在公共安全防護(hù)領(lǐng)域，為了對爆炸物和疑似爆炸物進(jìn)行有效處置，國內(nèi)外都把研制抗爆性能良好的防爆容器作為一個重要的研究課題。爆炸物產(chǎn)生危害的主要來源是爆炸時產(chǎn)生的沖擊波、超壓、光波和高速高溫飛濺物等，而防爆容器可以對其內(nèi)部發(fā)生的爆炸過程進(jìn)行有效約束[1]。其中，對沖擊波超壓的約束能力是衡量防爆容器性能的一項主要技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)動物試驗中損傷程度的不同，把沖擊波超壓峰值和正壓作用時間對人的傷害分為五個等級。各傷亡等級與超壓閥值Δp和正壓作用時間t的對應(yīng)關(guān)系為：無傷為Δp<9.81 kPa，t>280 ms；輕傷為Δp=9.81～19.61 kPa，t=280～110 ms；中傷為Δp=19.61～39.23 kPa，t=110～90 ms；重傷為Δp=39.23～58.84 kPa，t=90～70 ms；死亡為Δp>58.84 kPa，t=70～50 ms[2]。鑒于此，沖擊波測試系統(tǒng)分辨力應(yīng)達(dá)到0.1 kPa以內(nèi)，而且數(shù)據(jù)存儲必須可靠，對測試系統(tǒng)性能提出更高的要求。

在防爆容器的研制過程中，主要研究方向是輕型化和良好的抗爆性能，對防爆容器抗爆性的現(xiàn)場測試是一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而對爆炸點周圍自由場沖擊波的測試是防爆容器對沖擊波約束能力的直接體現(xiàn)。現(xiàn)有沖擊波測試系統(tǒng)大多針對軍工領(lǐng)域中各類彈藥的威力評估設(shè)計，存在量程偏大、工作參數(shù)固定等不足，不能滿足防爆容器性能指標(biāo)測試中對測試精度和數(shù)據(jù)存儲可靠性的要求[3]。針對上述問題，本文開展了工作參數(shù)可編程和存儲可靠性控制兩項關(guān)鍵技術(shù)的研究，提高了系統(tǒng)測試精度和數(shù)據(jù)存儲可靠性。

1 系統(tǒng)組成及原理

系統(tǒng)分模塊進(jìn)行設(shè)計，包括信號調(diào)理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、FPGA邏輯控制模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、外部通信模塊和電源管理模塊。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1。

圖1 系統(tǒng)工作原理框圖

系統(tǒng)工作流程：試驗前，根據(jù)炸藥當(dāng)量和測試距離對各測點進(jìn)行放大倍數(shù)、觸發(fā)電平、采樣頻率等工作參數(shù)的設(shè)定；為防止系統(tǒng)誤觸發(fā)，參數(shù)設(shè)定完成后進(jìn)入定時階段；定時結(jié)束后系統(tǒng)才進(jìn)入全速工作狀態(tài)，在觸發(fā)信號的作用下開始采集記錄有效的沖擊波信號，并將有效數(shù)據(jù)順序存入Flash存儲器中；測試數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳送到主控制臺，計算機通過USB接口對數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作，最后經(jīng)應(yīng)用軟件對其進(jìn)行顯示處理。

為提高系統(tǒng)適用性，本系統(tǒng)主要從以下兩個方面開展技術(shù)研究：基于FPGA的工作參數(shù)可編程技術(shù)；NAND Flash的存儲可靠性控制技術(shù)。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于FPGA的工作參數(shù)可編程技術(shù)

存儲測試是目前沖擊波超壓現(xiàn)場測試的主流技術(shù)，但現(xiàn)有存儲式?jīng)_擊波測試系統(tǒng)測試量程較為固定，系統(tǒng)靈活性較差，對小信號的分辨力較低，不能充分利用A/D轉(zhuǎn)換器的量程[4]。因此，參數(shù)可編程是提高系統(tǒng)適用性的一項關(guān)鍵技術(shù)。為了滿足對不同頻率、帶寬和峰值沖擊波信號的測試需求，本系統(tǒng)選用Xilinx公司的FPGA芯片作為核心控制器，開展以下可編程技術(shù)研究。

2.1.1 增益可編程

對傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)而言，傳感器選定后測試系統(tǒng)的量程隨之確定，其信號調(diào)理環(huán)節(jié)放大倍數(shù)固定，倍數(shù)只能按傳感器滿量程設(shè)置，系統(tǒng)對小信號測試的分辨力降低。本系統(tǒng)在信號調(diào)理模塊中采用程控放大器，放大倍數(shù)可根據(jù)測試信號的大小進(jìn)行編程設(shè)置，可編程增益分別為1、2、5、10、20、50和100，由FPGA的程控放大控制模塊編程輸出相應(yīng)組合邏輯給G2、G1、G0，可實現(xiàn)放大倍數(shù)在1～100倍范圍內(nèi)的7檔可編程，充分利用了A/D轉(zhuǎn)換器的有效位數(shù)，提高了測試精度。程控放大控制模塊如圖2所示。

圖2 程控放大控制模塊

2.1.2 觸發(fā)策略可編程

觸發(fā)策略是系統(tǒng)能否采集到有效數(shù)據(jù)的關(guān)鍵，包括觸發(fā)方式的選擇、觸發(fā)電平以及預(yù)觸發(fā)長度的設(shè)定。本系統(tǒng)利用FPGA編程實現(xiàn)了3種觸發(fā)方式可選的觸發(fā)方案設(shè)計，即：外觸發(fā)方式；內(nèi)觸發(fā)方式；內(nèi)外組合觸發(fā)方式。觸發(fā)策略控制模塊如圖3所示。外觸發(fā)電路可將斷線信號轉(zhuǎn)化為多通道輸出的同步觸發(fā)信號，以長線通斷作為觸發(fā)判斷邏輯，然后將此邏輯經(jīng)門電路轉(zhuǎn)換為多路同步輸出，各測點同步啟動記錄，從而獲得各測點沖擊波的相對時間信息，實現(xiàn)了同步性，也增加了多路驅(qū)動能力。

圖3 觸發(fā)策略控制模塊

內(nèi)觸發(fā)利用沖擊波超壓信號脈寬和幅值的變化，將循環(huán)采樣階段采集到的數(shù)據(jù)與設(shè)定的觸發(fā)電平通過高速比較器不斷進(jìn)行比較，當(dāng)其大于觸發(fā)電平時就會使系統(tǒng)觸發(fā)[5]。其中觸發(fā)電平的設(shè)定對是否存儲記錄到有效信號至關(guān)重要。系統(tǒng)內(nèi)觸發(fā)原理框圖如圖4。

圖4 內(nèi)觸發(fā)原理框圖

在采用固定觸發(fā)電平的情況下，觸發(fā)電平設(shè)定過低會增加系統(tǒng)誤觸發(fā)的風(fēng)險，觸發(fā)電平設(shè)定過高則可能在采集小信號時無法觸發(fā)，導(dǎo)致測試失敗。因此，本系統(tǒng)利用FPGA對觸發(fā)電平進(jìn)行編程設(shè)置，實現(xiàn)500～1 000 mV范圍內(nèi)的16檔可選，保證了系統(tǒng)對不同被測信號測試時觸發(fā)操作的正確性。內(nèi)觸發(fā)方式中，通過設(shè)定預(yù)觸發(fā)長度可以對觸發(fā)時刻之前的部分有效沖擊波信號進(jìn)行保留。本系統(tǒng)利用FPGA編程控制預(yù)觸發(fā)長度，實現(xiàn)0～4 MB范圍內(nèi)的8檔可編程，進(jìn)一步提高了測試系統(tǒng)的適應(yīng)性。觸發(fā)電平與預(yù)觸發(fā)長度控制模塊如圖5所示。

圖5 觸發(fā)電平與預(yù)觸發(fā)長度控制模塊

2.1.3 采樣策略可編程

自由場沖擊波信號是一個典型的瞬態(tài)信號，測試系統(tǒng)要具備較高的采樣頻率。本系統(tǒng)選用Analog Devices公司的12位高速、低功耗、逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其工作時序如圖6所示。本系統(tǒng)通過FPGA編程設(shè)計了一個分頻器，在滿足轉(zhuǎn)換時間tCONV不超過300 ns時，為ADC提供不同周期長度的轉(zhuǎn)換時鐘CONVST#，即可獲得不同的采樣頻率，且可通過管腳FEN(1:0)編程設(shè)置，實現(xiàn)500 kHz、1 MHz和2 MHz、3 MHz四種采樣頻率可選，并且根據(jù)CONVST#的輸出頻率產(chǎn)生相應(yīng)的RD#信號。在RD#信號的控制下將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入存儲器。采集電路控制模塊如圖7所示。

圖6 ADC工作時序

圖7 采集電路控制模塊

2.2 NAND Flash存儲可靠性控制技術(shù)

NAND Flash是一種數(shù)據(jù)掉電不丟的非易失性存儲器，其功耗小、體積小、重量輕、抗震能力強、工作溫度寬，使用控制也較方便，讀操作、編程操作和擦除操作均按照數(shù)據(jù)手冊的流程就可以實現(xiàn)，但是，壞塊和使用中出現(xiàn)的差錯會嚴(yán)重影響其性能[6-8]。因此，存儲可靠性控制技術(shù)成為一項關(guān)鍵技術(shù)。本系統(tǒng)選用Micron公司的NAND Flash存儲器，在存儲方案中采用壞塊管理技術(shù)和ECC校驗技術(shù)來提高數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

2.2.1 壞塊管理

NAND Flash壞塊包括芯片出廠時已存在并被標(biāo)記的初始壞塊和在使用過程中因某些比特位置無法翻轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)錯誤過多且無法更正的使用壞塊[9]。針對以上兩種壞塊，設(shè)計了一種動態(tài)壞塊管理機制，既能實現(xiàn)對初始壞塊的掃描，也能對隨機產(chǎn)生的使用壞塊進(jìn)行動態(tài)管理。動態(tài)壞塊管理過程如圖8所示。

動態(tài)壞塊管理的工作流程為：首先對初始壞塊進(jìn)行掃描，建立壞塊表。該NAND Flash存儲芯片共有211(2 048)塊，傳統(tǒng)方式建立壞塊映射表大小至少為：11(bits)×2 048×2=5.5(kB)，本系統(tǒng)采用二進(jìn)制“1”表示無效塊，二進(jìn)制“0”表示有效塊，簡化后映射表的大小為：1(bit)×2 048=0.25(kB)，然后將壞塊表存儲到FRAM中。由于FRAM較強的非易失性和可接近無限次擦寫的特性，其很適合存儲壞塊信息表[14]。最后對NAND Flash中各塊進(jìn)行掃描，掃描結(jié)果轉(zhuǎn)換為“1”或“0”，達(dá)到8位之后完成一次組裝寫入FRAM中，完成對壞塊信息的可靠存儲與快速檢索。此外，針對讀操作和編程操作中產(chǎn)生的新的壞塊，在NAND Flash的FPGA控制器中設(shè)計了一個與NAND Flash頁大小相同的緩存區(qū)，起到備份作用。以編程操作為例，當(dāng)頁編程失敗后，將當(dāng)前塊編號并存入壞塊表中，然后將本頁前的有效數(shù)據(jù)存入下一個有效塊，同時將錯誤所在頁的數(shù)據(jù)從緩存區(qū)中存入有效塊的相同頁地址中，最后繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)編程操作。

圖8 動態(tài)壞塊管理流程

2.2.2 ECC校驗

NAND Flash擦寫次數(shù)的增加會降低存儲單元的可靠性，存儲數(shù)據(jù)也會因外界環(huán)境引入的噪聲和讀寫電路的誤差產(chǎn)生差錯。本系統(tǒng)設(shè)計了一種基于漢明碼的錯誤校驗與糾錯(Error Checking and Correction，ECC)方案[10-12]。漢明碼多為異或操作，占用極少的FPGA資源，運行頻率高且容易實現(xiàn)，滿足系統(tǒng)對出錯概率較小的SLC型NAND Flash的ECC糾錯能力的要求。ECC校驗的工作流程：在數(shù)據(jù)進(jìn)行編程操作過程時，以512字節(jié)數(shù)據(jù)為單位，實時生成與之相對應(yīng)的3字節(jié)的ECC校驗碼。每頁可以存儲2 048字節(jié)的數(shù)據(jù)，共生成12字節(jié)的原始ECC校驗碼A，將其存入該頁附加的存儲空間；在進(jìn)行讀操作時，將本頁2 048字節(jié)的數(shù)據(jù)和12字節(jié)的ECC校驗碼讀出，并且根據(jù)讀出的2 048字節(jié)的數(shù)據(jù)以512字節(jié)為單位生成新的ECC校驗碼B；將ECC校驗碼A和B按位進(jìn)行異或，根據(jù)異或結(jié)果判斷數(shù)據(jù)中是否出現(xiàn)了錯“位”現(xiàn)象及時進(jìn)行糾錯處理。ECC校驗流程框圖如圖9。

3 驗證

本系統(tǒng)已參加了多次現(xiàn)場測試試驗，其測試精度和存儲可靠性得到了充分驗證。圖10為某型防爆容器抗爆性能試驗的現(xiàn)場布局圖。取防爆容器的中軸線到地面的投影為爆心，測試系統(tǒng)布設(shè)在以爆心為圓心半徑為R的圓周上，每個半徑布設(shè)3個測點，布設(shè)高度分別為0.3 m、1.3 m和1.6 m。圖11是其中某半徑處各測點在一次爆炸試驗后記錄的沖擊波超壓測試曲線。根據(jù)被測信號特征，增益設(shè)為8倍，觸發(fā)方式選擇內(nèi)觸發(fā)，觸發(fā)電平500 mV，預(yù)觸發(fā)長度1 MB，采樣頻率2 MHz。表1給出了某半徑處兩次不同炸藥當(dāng)量測試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。從結(jié)果可以看出，系統(tǒng)測試分辨力達(dá)到了0.1 kPa，超壓值最大為 0.020 7 MPa，這充分體現(xiàn)了系統(tǒng)對小信號的測試能力，系統(tǒng)具備較高的測試精度。系統(tǒng)已經(jīng)過多次使用，測試數(shù)據(jù)存儲準(zhǔn)確，驗證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲的可靠性。

圖9 ECC校驗流程框圖

表1 某型防爆容器抗爆性兩次試驗測試結(jié)果

圖10 某型防爆容器現(xiàn)場布局

圖11 某型防爆容器抗爆性試驗中沖擊波超壓測試曲線

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的存儲式測試系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有測試精度高，測量范圍大，數(shù)據(jù)存儲可靠性高等優(yōu)點。系統(tǒng)的多項工作參數(shù)可編程設(shè)置，滿足對不同被測對象的測試需求；存儲可靠性控制技術(shù)的應(yīng)用，使測試數(shù)據(jù)存儲更可靠。系統(tǒng)測試分辨力達(dá)到0.1 kPa，超壓測試范圍可調(diào)至10 kPa左右，在多次使用過程中數(shù)據(jù)讀取操作準(zhǔn)確無誤。本系統(tǒng)在防爆器材抗爆性試驗中具有很好的適用性，可對小信號精確測試，本系統(tǒng)同樣適用于各種彈藥在自由空間的爆炸沖擊波測試。