沖擊波超壓時(shí)基同步存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)

摘" 要： 沖擊波超壓測(cè)試作為評(píng)價(jià)武器性能的重要手段，其測(cè)試過(guò)程要求測(cè)試設(shè)備具有多通道、大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和沖擊波信號(hào)觸發(fā)時(shí)間精確記錄的功能。基于此，提出一種時(shí)基同步的沖擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)。該技術(shù)以GPS衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)GPS模塊輸出的串行數(shù)據(jù)和PPS信號(hào)對(duì)設(shè)備系統(tǒng)時(shí)鐘進(jìn)行校準(zhǔn)，并利用多通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間的管理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件的檢索。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采集設(shè)備間時(shí)基同步誤差為256 ns，所研究的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)寫入速度可達(dá)18.45 MB/s，可保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的完整性和采集設(shè)備數(shù)據(jù)的穩(wěn)定存儲(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 沖擊波超壓測(cè)試； GPS模塊； 時(shí)基同步技術(shù)； 多通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)； 數(shù)據(jù)檢索； 寫入測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN402?34； TJ510.6" " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " "文章編號(hào)： 1004?373X（2025）06?0001?08

Time?based synchronous storage testing technology for shock wave overpressure

LIU Hao1， ZHU Yichen2， BI Rong1， LIU Jia1， CUI Haoran3， CUI Jianfeng1

（1. School of Electrical and Control Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. School of Instrument and Electronics， North University of China， Taiyuan 030051， China;

3. School of Chemistry and Chemical Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： Shock wave overpressure testing is an important means of evaluating weapon performance， and its testing process requires the testing equipment to have multi?channel， high?capacity data storage and accurate recording functions of shock wave signal triggering time. On this basis， a time?based synchronous storage testing technology for shock wave overpressure is proposed. In this technology， based on GPS satellite timing technology， the device system clock is calibrated by means of serial data and PPS signals output by the GPS module. The multi?channel data storage technology is used to realize the management of data storage space and the retrieval of storage data file. The experimental results prove that the time?based synchronization error between the acquisition devices is 256 ns， and the proposed data storage technology can achieve a writing speed of 18.45 MB/s， which can ensure the storage of data integrity and the stable storage of the acquisition device data.

Keywords： shock wave overpressure test; GPS module; time?based synchronization technology; multi?channel data storage; data retrieval; writing test

0" 引" 言

常規(guī)武器毀傷參數(shù)測(cè)試中，沖擊波超壓作為評(píng)價(jià)武器性能的重要參數(shù)，可以準(zhǔn)確測(cè)量試驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊波超壓和沖量，為武器火力性能的評(píng)判以及武器升級(jí)換代提供設(shè)計(jì)依據(jù)[1]。目前，沖擊波超壓測(cè)試主要方法為存儲(chǔ)測(cè)試法[2?3]，該方法將采集、存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ苣K集成于單一設(shè)備內(nèi)，具有測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布置方便、抗干擾能力強(qiáng)和使用靈活等優(yōu)點(diǎn)[4]。隨著測(cè)試技術(shù)水平的不斷提高，為滿足更高的測(cè)試要求，測(cè)試設(shè)備采樣通道數(shù)增加，要求沖擊波超壓采集設(shè)備具有高效率、高可靠性和高穩(wěn)定性的測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)[5?6]。

在靜爆試驗(yàn)中，需采集多方位沖擊波超壓信號(hào)，將多個(gè)采集設(shè)備分別布置于距試驗(yàn)點(diǎn)不同距離測(cè)點(diǎn)上。由于布設(shè)測(cè)點(diǎn)多，為提高測(cè)點(diǎn)間采集信號(hào)一致性與可比性，方便后期對(duì)各設(shè)備采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，需對(duì)各個(gè)測(cè)點(diǎn)沖擊波信號(hào)觸發(fā)采集時(shí)間做同步處理。沖擊波信號(hào)采集常用觸發(fā)方式有內(nèi)觸發(fā)、光學(xué)觸發(fā)和斷線觸發(fā)。相比內(nèi)觸發(fā)方式，后兩種方法通過(guò)檢測(cè)外部所提供的觸發(fā)信號(hào)，達(dá)到各測(cè)點(diǎn)設(shè)備間觸發(fā)時(shí)基相對(duì)統(tǒng)一[7]。內(nèi)觸發(fā)方式通過(guò)設(shè)備內(nèi)部電路判斷所監(jiān)測(cè)沖擊波信號(hào)是否達(dá)到設(shè)定值來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，由于沖擊波信號(hào)到達(dá)不同位置測(cè)點(diǎn)的時(shí)間不同，無(wú)法利用該觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行設(shè)備間相對(duì)時(shí)基同步[8]。針對(duì)上述問(wèn)題，將絕對(duì)時(shí)基同步技術(shù)和多通道測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)有效結(jié)合，提出一種應(yīng)用于多通道沖擊波超壓采集設(shè)備、觸發(fā)信號(hào)絕對(duì)時(shí)基存儲(chǔ)的存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高精度時(shí)基同步和采集數(shù)據(jù)高效有序儲(chǔ)存的功能。

1" 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

沖擊波超壓采集設(shè)備主要由供電單元、信號(hào)調(diào)理單元、CPLD采集控制單元、內(nèi)/外觸發(fā)檢測(cè)單元和存儲(chǔ)同步單元五大部分構(gòu)成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。ICP沖擊波超壓傳感器采集的信號(hào)通過(guò)信號(hào)調(diào)理單元傳遞給CPLD采集控制單元；CPLD采集控制單元對(duì)傳感調(diào)理信號(hào)進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換控制，并將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)EXMC接口傳輸至存儲(chǔ)同步單元；存儲(chǔ)同步單元采用兆易GD32F470作為主控MCU，通過(guò)MCU內(nèi)部集成的SDIO接口與eMMC（embedded Multi Media Card）存儲(chǔ)模塊互聯(lián)，對(duì)接收的采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；同時(shí)根據(jù)內(nèi)/外觸發(fā)中斷信號(hào)記錄觸發(fā)時(shí)刻信息，并在信號(hào)采集完成后，通過(guò)USB接口將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到上位機(jī)終端。

該沖擊波超壓采集設(shè)備可同時(shí)采集8路信號(hào)，并采用GPS模塊進(jìn)行設(shè)備間時(shí)基同步，所選用的GPS模塊型號(hào)為ATK?1218?BD，模塊可接收北斗衛(wèi)星和GPS衛(wèi)星信號(hào)，可輸出協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）和秒脈沖（PPS）。MCU可通過(guò)串口讀取UTC時(shí)間，并通過(guò)PPS信號(hào)連接MCU中斷引腳。同步算法利用PPS信號(hào)對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鐘進(jìn)行補(bǔ)償，設(shè)備以算法補(bǔ)償后的時(shí)間為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間高精度時(shí)基同步。

2" 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.1" 高精度時(shí)基同步原理

沖擊波超壓采集設(shè)備內(nèi)置GPS模塊，該模塊外接有源天線，用于接收北斗衛(wèi)星或GPS衛(wèi)星信號(hào)，GPS模塊通過(guò)衛(wèi)星授時(shí)的方法為系統(tǒng)提供精確時(shí)間基準(zhǔn)源。衛(wèi)星授時(shí)方法以衛(wèi)星時(shí)間為基準(zhǔn)，GPS模塊通過(guò)接收衛(wèi)星信號(hào)和時(shí)延補(bǔ)償機(jī)制在本地建立時(shí)間基準(zhǔn)源，如圖2所示。GPS模塊可同時(shí)接收多顆衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)獲取信號(hào)中相關(guān)信息來(lái)建立定位方程，對(duì)方程進(jìn)行求解，得到模塊位置信息和本地時(shí)鐘偏差[9]。接收的衛(wèi)星信號(hào)中還包括星歷參數(shù)，可通過(guò)該參數(shù)計(jì)算得到模塊和衛(wèi)星間的精確距離，計(jì)算信號(hào)傳播距離時(shí)間修正值并對(duì)本地時(shí)間進(jìn)行修正，恢復(fù)出衛(wèi)星時(shí)間。

系統(tǒng)采用ATK?1218?BD型號(hào)的GPS模塊衛(wèi)星授時(shí)精度達(dá)30 ns。MCU可通過(guò)兩種方式獲取GPS模塊衛(wèi)星授時(shí)時(shí)間：一種是通過(guò)單片機(jī)外中斷捕獲秒脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)當(dāng)成1 s的起始時(shí)刻；另一種是通過(guò)串口獲取GPS模塊數(shù)據(jù)，通過(guò)NMEA?0183協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，得到當(dāng)前UTC時(shí)間。第二種方式獲得的同步時(shí)間為準(zhǔn)確的年月日時(shí)分秒信息，其精度僅為秒級(jí)，無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)高精度時(shí)基同步要求；但可以將兩種衛(wèi)星授時(shí)時(shí)間獲取方式相結(jié)合，利用PPS脈沖信號(hào)補(bǔ)償系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，并通過(guò)串行數(shù)據(jù)接口讀取當(dāng)前UTC時(shí)間，即可得到高精度絕對(duì)時(shí)間。

利用此方法可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間時(shí)基同步，如圖3所示，處于同一區(qū)域的各個(gè)設(shè)備通過(guò)自帶的GPS模塊獲取同一衛(wèi)星星座時(shí)間，當(dāng)MCU接收到由內(nèi)外觸發(fā)電路發(fā)出的觸發(fā)信號(hào)后，讀取當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間，進(jìn)而獲得精確的觸發(fā)信號(hào)時(shí)間戳。沖擊波超壓采集設(shè)備外觸發(fā)電路用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的有源斷線觸發(fā)信號(hào)。斷線觸發(fā)同步原理如圖4所示，設(shè)備分為若干組，一組分為若干個(gè)，分別擺放在距爆心不同半徑圓上。當(dāng)戰(zhàn)斗部動(dòng)作時(shí)，設(shè)備與其所連導(dǎo)線會(huì)斷開(kāi)，產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)被設(shè)備外觸發(fā)電路捕捉。該電路利用高速光耦將觸發(fā)輸入信號(hào)隔離，光耦輸出連接至MCU中斷引腳，利用中斷記錄斷線觸發(fā)時(shí)刻系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間。理論上連接同一斷線的設(shè)備所記錄的觸發(fā)時(shí)間誤差由GPS模塊授時(shí)同步誤差、光電轉(zhuǎn)換響應(yīng)時(shí)間和單片機(jī)中斷執(zhí)行時(shí)間等因素共同決定。

內(nèi)觸發(fā)電路用于檢測(cè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊波超壓信號(hào)是否達(dá)到設(shè)定閾值，該電路由高速比較器和參考電壓設(shè)置電路構(gòu)成。比較器輸入端連接信號(hào)調(diào)理電路，輸出信號(hào)連接CPLD。CPLD對(duì)8路比較器輸出做或邏輯處理后傳遞給MCU中斷引腳。單片機(jī)接收到內(nèi)觸發(fā)中斷后說(shuō)明設(shè)備已檢測(cè)到超壓信號(hào)，記錄此時(shí)系統(tǒng)時(shí)間即為內(nèi)觸發(fā)時(shí)刻，如圖5所示。圖中：①為設(shè)備1記錄內(nèi)觸發(fā)時(shí)刻；②為設(shè)備2記錄內(nèi)觸發(fā)時(shí)刻；③為設(shè)備3記錄內(nèi)觸發(fā)時(shí)刻。由于組內(nèi)各個(gè)測(cè)點(diǎn)布放位置不一樣，超壓信號(hào)到達(dá)測(cè)點(diǎn)時(shí)間不同，導(dǎo)致設(shè)備記錄觸發(fā)絕對(duì)時(shí)刻不同，可通過(guò)設(shè)備間記錄的觸發(fā)時(shí)刻時(shí)間差計(jì)算出沖擊波超壓信號(hào)的傳播速度。

2.2" 絕對(duì)時(shí)基同步技術(shù)實(shí)現(xiàn)

設(shè)備在運(yùn)行時(shí)，通過(guò)MCU內(nèi)部32位定時(shí)器提供高精度系統(tǒng)時(shí)間，定時(shí)器時(shí)鐘由系統(tǒng)主時(shí)鐘（頻率為240 MHz）直接提供，時(shí)間分辨率可達(dá)4.17 ns。多個(gè)設(shè)備間僅使用此方法實(shí)現(xiàn)的時(shí)基同步作為相對(duì)時(shí)基，且設(shè)備間由于存在系統(tǒng)時(shí)鐘不同步和時(shí)鐘抖動(dòng)問(wèn)題，會(huì)造成時(shí)間基準(zhǔn)存在誤差，且該誤差會(huì)隨時(shí)間積累，導(dǎo)致時(shí)基偏移現(xiàn)象。時(shí)鐘不同步和時(shí)鐘抖動(dòng)如圖6所示。沖擊波超壓采集設(shè)備使用GPS模塊提供的精確本地時(shí)間實(shí)現(xiàn)絕對(duì)時(shí)基同步，首先利用GPS模塊提供的UTC時(shí)間獲得秒級(jí)世界時(shí)間，之后通過(guò)輸出的PPS信號(hào)校正定時(shí)器時(shí)鐘不同步和抖動(dòng)引入的時(shí)間誤差。

系統(tǒng)上電后單片機(jī)初始化GPS模塊，完成串行數(shù)據(jù)輸出波特率配置、模塊測(cè)量頻率設(shè)置和PPS時(shí)鐘脈沖輸出寬度等操作后，模塊便開(kāi)始接收衛(wèi)星信號(hào)。當(dāng)GPS模塊接收到多路衛(wèi)星信號(hào)實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星授時(shí)后，模塊開(kāi)始輸出PPS信號(hào)和NEMA數(shù)據(jù)，輸出時(shí)序如圖7所示，PPS信號(hào)和NEMA數(shù)據(jù)存在一定時(shí)間差T1，該時(shí)間為納秒級(jí)。

為保證系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時(shí)性和代碼執(zhí)行效率，單片機(jī)固件設(shè)計(jì)中選用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)RT?Thread，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)絕對(duì)時(shí)基同步技術(shù)。單片機(jī)的中斷引腳連接PPS輸出引腳，創(chuàng)建GPS同步線程后，首先線程函數(shù)對(duì)外部中斷檢測(cè)引腳和定時(shí)器1進(jìn)行配置，該定時(shí)器計(jì)數(shù)器為32位，設(shè)置定時(shí)器時(shí)鐘頻率為240 MHz，啟動(dòng)定時(shí)器，之后線程獲取同步信息量而自動(dòng)掛起。

PPS信號(hào)觸發(fā)單片機(jī)中斷后，以中斷服務(wù)函數(shù)執(zhí)行時(shí)間盡量短為原則設(shè)計(jì)函數(shù)執(zhí)行流程，如圖8所示。單片機(jī)第一次檢測(cè)到PPS上升沿中斷時(shí)，說(shuō)明GPS模塊接收多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)成功，在外部觸發(fā)中斷服務(wù)函數(shù)里將已經(jīng)打開(kāi)的定時(shí)器計(jì)數(shù)值清零并重新計(jì)數(shù)，然后釋放GPS同步線程信號(hào)量，喚起該線程。在GPS同步線程里進(jìn)行兩次NEMA數(shù)據(jù)獲取，避開(kāi)T1時(shí)間差，保證獲取數(shù)據(jù)為當(dāng)前時(shí)刻準(zhǔn)確的UTC時(shí)間信息。獲取到時(shí)間后將BCD碼的UTC時(shí)間信息轉(zhuǎn)換為32位的UTC時(shí)間戳格式，記錄為變量[Ts]，為方便后續(xù)對(duì)[Ts]進(jìn)行操作，將[Ts]定義為全局變量，可供其他函數(shù)訪問(wèn)。

單片機(jī)對(duì)第二次PPS信號(hào)觸發(fā)的外部中斷進(jìn)行處理時(shí)，首先在中斷服務(wù)函數(shù)中讀取定時(shí)器1當(dāng)前計(jì)數(shù)值，保存為[Ta]，并清除計(jì)數(shù)值重新計(jì)數(shù)，對(duì)UTC時(shí)間戳進(jìn)行加1操作；對(duì)后續(xù)PPS信號(hào)觸發(fā)的外部中斷進(jìn)行處理時(shí)，首先在中斷服務(wù)函數(shù)中讀取定時(shí)器1當(dāng)前計(jì)數(shù)值，保存為[Ta+1]，并清除計(jì)數(shù)值重新計(jì)數(shù)，之后[Ta]和[Ta+1]相加計(jì)算平均值再重新賦值給[Ta]，該值為當(dāng)前時(shí)刻評(píng)估1 s時(shí)長(zhǎng)的基準(zhǔn)，后續(xù)會(huì)在中斷服務(wù)函數(shù)中不斷對(duì)該值進(jìn)行校正。如果其他線程獲取當(dāng)前時(shí)刻時(shí)間，可通過(guò)讀取變量[Ts]、[Ta]和當(dāng)前定時(shí)器1計(jì)數(shù)值[Tr]，通過(guò)下式獲得當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間[T]，系統(tǒng)時(shí)間單位為s，該時(shí)間精度為4.17 ns。設(shè)備利用高精度時(shí)基同步計(jì)數(shù)，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備時(shí)基與衛(wèi)星星座時(shí)基統(tǒng)一，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備間絕對(duì)時(shí)基同步，為沖擊波超壓觸發(fā)信號(hào)記錄提供準(zhǔn)確時(shí)基。

[T=Ts+（Tr/Ta）]

2.3" 數(shù)據(jù)儲(chǔ)存電路設(shè)計(jì)

沖擊波超壓采集設(shè)備所使用的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方案為內(nèi)嵌型多媒體存儲(chǔ)卡（eMMC），其電路圖如圖9所示。eMMC芯片與單片機(jī)SDIO通過(guò)10根數(shù)據(jù)總線進(jìn)行通信，其中CLK作為通信時(shí)鐘線由單片機(jī)SDIO外設(shè)驅(qū)動(dòng)，用于數(shù)據(jù)和指令傳輸?shù)耐剑籆MD線則作為單片機(jī)指令發(fā)送信號(hào)線和eMMC芯片的指令響應(yīng)信號(hào)線；D[0：7]是8根數(shù)據(jù)傳輸線。由于傳輸過(guò)程中信號(hào)頻率較高，會(huì)產(chǎn)生高頻噪聲，因此在每根信號(hào)線上串聯(lián)一個(gè)22 Ω電阻以實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。這些串聯(lián)的22 Ω電阻與信號(hào)線上分布的電容及負(fù)載的輸入電容構(gòu)成一個(gè)等效RC電路，從而降低了信號(hào)邊沿的陡峭程度，對(duì)信號(hào)起到一定程度的濾波和降噪作用，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)的可靠性。該方案相對(duì)于非易失性存儲(chǔ)介質(zhì)NAND FLASH[10]，在存儲(chǔ)芯片的物理架構(gòu)、訪問(wèn)接口和操作協(xié)議上進(jìn)行了規(guī)范化處理。與同等容量大小的NAND FLASH芯片相比，eMMC具有體積小、功耗低和容量大等優(yōu)勢(shì)[11]。此外，eMMC內(nèi)部整合了閃存控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)如NAND FLASH讀寫操作以及負(fù)載均衡、壞塊管理和ECC校驗(yàn)等功能[12]。其芯片采用BGA（Ball Grid Array）封裝方式，在焊接后能夠與電路板充分接觸，并滿足高速度、小型化設(shè)計(jì)以及大容量需求，具備抗沖擊性以及高可靠性[13?14]。

2.4" 多通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)

多通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)利用儲(chǔ)存介質(zhì)特性，實(shí)現(xiàn)沖擊波數(shù)據(jù)高效存儲(chǔ)、儲(chǔ)存空間管理和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)檢索等功能。為采集完整的沖擊波信號(hào)，要求沖擊波采集設(shè)備具有預(yù)采樣功能，圖10為沖擊波信號(hào)采集過(guò)程。超壓信號(hào)采集過(guò)程分為預(yù)采樣和采樣階段，兩個(gè)階段有效采集時(shí)長(zhǎng)均為10 s。預(yù)采樣階段系統(tǒng)采樣頻率為100 kHz，采集時(shí)長(zhǎng)不固定，最大時(shí)長(zhǎng)為10 s，超過(guò)10 s后之前采集數(shù)據(jù)會(huì)被丟棄。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)后，會(huì)進(jìn)入采樣階段，該階段采樣頻率為1 MHz，連續(xù)采集10 s后完成一輪采集工作。為完成上述采集流程，采取SRAM和FLASH的存儲(chǔ)方案，SRAM存儲(chǔ)預(yù)采樣階段采集數(shù)據(jù)，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)采樣階段數(shù)據(jù)，一輪采集工作完成后將SRAM中的數(shù)據(jù)保存至FLASH，完成整個(gè)階段數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

由于eMMC芯片內(nèi)部硬件實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和壞塊管理功能，因此可采用將預(yù)采樣數(shù)據(jù)直接存入eMMC，通過(guò)覆蓋寫的方式去掉不關(guān)心的預(yù)采樣數(shù)據(jù)，降低數(shù)據(jù)儲(chǔ)存電路復(fù)雜度。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)算法實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)在于存儲(chǔ)空間劃分，合理的存儲(chǔ)區(qū)域劃分可方便采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)檢索，提高系統(tǒng)可靠度。存儲(chǔ)區(qū)域劃分如圖11所示，可通過(guò)讀取eMMC芯片內(nèi)部寄存器獲取整個(gè)磁盤的可用容量為14 930 MB。將磁盤分為兩部分，一部分為數(shù)據(jù)區(qū)，另一部分為引導(dǎo)區(qū)，引導(dǎo)區(qū)信息雙備份，如果一份出現(xiàn)錯(cuò)誤可根據(jù)另一份進(jìn)行糾錯(cuò)并將數(shù)據(jù)還原。

系統(tǒng)上電后將對(duì)引導(dǎo)區(qū)BOOT區(qū)域信息進(jìn)行校驗(yàn)，如果校驗(yàn)未通過(guò)說(shuō)明磁盤已損壞或者磁盤未進(jìn)行存儲(chǔ)空間劃分，將進(jìn)行引導(dǎo)區(qū)重寫來(lái)劃分磁盤存儲(chǔ)空間。引導(dǎo)區(qū)在功能上被劃分為文件頭存儲(chǔ)區(qū)域和BOOT區(qū)，BOOT區(qū)存放系統(tǒng)版本號(hào)、eMMC總塊數(shù)、引導(dǎo)區(qū)地址、文件頭存儲(chǔ)區(qū)地址和當(dāng)前操作文件序號(hào)等關(guān)鍵信息。當(dāng)前操作文件序號(hào)指向下一個(gè)可操作的文件頭，當(dāng)執(zhí)行寫數(shù)據(jù)操作時(shí)程序可通過(guò)該參數(shù)信息找到操作數(shù)據(jù)區(qū)域。文件頭存儲(chǔ)區(qū)域用于存儲(chǔ)文件數(shù)據(jù)信息，為文件寫入、文件讀取和數(shù)據(jù)解析提供關(guān)鍵信息。從文件頭信息中的UTC時(shí)間戳[Ts]、1 s時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)[Ta]和當(dāng)前計(jì)數(shù)值[Tr]可以知道文件的建立時(shí)間，該時(shí)間也為觸發(fā)發(fā)生時(shí)刻。

數(shù)據(jù)區(qū)域被劃分為若干數(shù)據(jù)塊，數(shù)據(jù)塊大小設(shè)定至關(guān)重要。各個(gè)通道數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)塊中的存儲(chǔ)格式如圖12所示。系統(tǒng)為8通道數(shù)據(jù)同步采集，所以將通道1～8數(shù)據(jù)編成1組，數(shù)據(jù)按組由地址依次遞增儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)塊中。數(shù)據(jù)塊大小通過(guò)采樣通道個(gè)數(shù)、單點(diǎn)數(shù)據(jù)所占字節(jié)數(shù)、采樣頻率和采樣時(shí)間這些系統(tǒng)信息計(jì)算得到。沖擊波超壓測(cè)試系統(tǒng)為8通道采樣，單點(diǎn)數(shù)據(jù)為2 B，預(yù)采樣頻率為100 kHz，采樣頻率為1 MHz，預(yù)采樣和采樣時(shí)長(zhǎng)各為10 s，單次測(cè)試采集數(shù)據(jù)約需要167.8 MB存儲(chǔ)空間。為提高eMMC的寫入數(shù)據(jù)速率，設(shè)定一次數(shù)據(jù)區(qū)讀寫操作為4 KB，故設(shè)定實(shí)際數(shù)據(jù)塊大小為176 MB。數(shù)據(jù)區(qū)被劃分為82個(gè)數(shù)據(jù)塊，其數(shù)目和引導(dǎo)區(qū)文件頭數(shù)目一一對(duì)應(yīng)，可根據(jù)引導(dǎo)區(qū)信息對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行檢索。

數(shù)據(jù)塊用于存放預(yù)采樣階段和采樣階段數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)塊寫入情況如圖13所示，大致情況分為3種，每種情況數(shù)據(jù)都是從小地址開(kāi)始遞增，寫滿數(shù)據(jù)塊后再繼續(xù)從小地址開(kāi)始寫入，此時(shí)之前存儲(chǔ)數(shù)據(jù)會(huì)被覆蓋。

情況1為最理想情況，數(shù)據(jù)塊先寫入預(yù)采樣階段數(shù)據(jù)，之后再寫入采樣階段數(shù)據(jù)，采樣數(shù)據(jù)寫完，標(biāo)志數(shù)據(jù)塊則寫入完成。在寫入過(guò)程中記錄寫入結(jié)束地址、預(yù)采樣字節(jié)數(shù)和采樣字節(jié)數(shù)，在讀取數(shù)據(jù)時(shí)可通過(guò)這三個(gè)關(guān)鍵信息進(jìn)行解析。數(shù)據(jù)塊寫入過(guò)程中的關(guān)鍵信息在數(shù)據(jù)塊寫完后會(huì)被存儲(chǔ)于文件頭中，文件頭更新后將BOOT區(qū)域當(dāng)前操作文件序號(hào)更新，完成整個(gè)采樣過(guò)程數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。情況2和情況3分別為在采樣階段和預(yù)采樣階段發(fā)生數(shù)據(jù)覆蓋，被覆蓋數(shù)據(jù)為預(yù)采樣階段數(shù)據(jù)，可通過(guò)情況1方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。

3" 系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

本文進(jìn)行2個(gè)實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)1為設(shè)備間時(shí)基同步精度測(cè)試，測(cè)試絕對(duì)時(shí)基同步技術(shù)的精度；實(shí)驗(yàn)2為大批量數(shù)據(jù)寫入測(cè)試，模擬多次的沖擊波超壓信號(hào)采集實(shí)驗(yàn)，測(cè)試應(yīng)用多通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)的設(shè)備在實(shí)際運(yùn)行情況下的穩(wěn)定性和可靠性。

3.1" 時(shí)基同步精度測(cè)試

時(shí)基同步精度測(cè)試圖見(jiàn)圖14，設(shè)備1和設(shè)備2放置在空曠室外，板上GPS模塊連接有源天線接收GPS信號(hào)，信號(hào)發(fā)生器輸出通道2連接設(shè)備1和設(shè)備2外觸發(fā)輸入引腳。設(shè)備1和設(shè)備2通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口模塊供電，并通過(guò)該模塊將記錄的觸發(fā)時(shí)間發(fā)送至計(jì)算機(jī)。GPS模塊同步成功后，模塊狀態(tài)指示燈由常量變?yōu)殚W爍，閃爍頻率為PPS信號(hào)輸出頻率?？吹街甘緹糸W爍說(shuō)明GPS模塊衛(wèi)星授時(shí)成功，打開(kāi)信號(hào)發(fā)生器通道2輸出開(kāi)關(guān)，通道2將輸出脈沖信號(hào)，信號(hào)頻率設(shè)置低于0.05 Hz，并在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改變信號(hào)輸出頻率，模擬沖擊波測(cè)試實(shí)驗(yàn)斷線觸發(fā)信號(hào)。

連續(xù)實(shí)驗(yàn)200余次，實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)為2 h。將設(shè)備1和設(shè)備2記錄觸發(fā)時(shí)間導(dǎo)出，求得兩個(gè)設(shè)備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)差值并記錄，結(jié)果如圖15所示。因設(shè)備間性能有所差異，造成記錄數(shù)據(jù)存在偏差，理論上設(shè)備間所記錄觸發(fā)時(shí)間差值為0，即記錄數(shù)據(jù)差值真值為0。數(shù)據(jù)差值則表示設(shè)備間時(shí)基同步絕對(duì)誤差，差值最大值為256 ns，該值為設(shè)備間時(shí)基同步精度。

3.2" 多通道數(shù)據(jù)儲(chǔ)存技術(shù)寫入速度測(cè)試

測(cè)試數(shù)據(jù)寫入速率是通過(guò)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量除以所用時(shí)間得到的。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)為由MCU生成的指定數(shù)據(jù)，單次測(cè)試連續(xù)寫入200 MB固定的數(shù)據(jù)量。為了更好地模擬沖擊波超壓的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中：47 MB為預(yù)采樣階段數(shù)據(jù)量，153 MB為采樣階段數(shù)據(jù)量。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所用時(shí)間是通過(guò)MCU內(nèi)部滴答定時(shí)器完成計(jì)時(shí)的，其原理是在MCU內(nèi)部滴答定時(shí)器設(shè)置了一個(gè)1 ms的定時(shí)器，并在該定時(shí)器超時(shí)處理函數(shù)中維護(hù)一個(gè)累加的全局變量。當(dāng)數(shù)據(jù)全部寫入完成后，關(guān)閉定時(shí)器，讀取計(jì)數(shù)值并轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)時(shí)間值，進(jìn)而得到存儲(chǔ)數(shù)據(jù)所用時(shí)間。

為了充分驗(yàn)證多通道數(shù)據(jù)儲(chǔ)存技術(shù)寫入速度，將上述寫入操作重復(fù)進(jìn)行60輪，每寫入一輪后檢測(cè)數(shù)據(jù)寫入是否正確。寫入速度測(cè)試結(jié)果如圖16所示。測(cè)試結(jié)果表明，平均寫入速度約為18.45 MB/s。此外，本次測(cè)試共寫入12 GB數(shù)據(jù)，過(guò)程中并未出現(xiàn)數(shù)據(jù)寫入失敗、丟失等現(xiàn)象，表明該儲(chǔ)存技術(shù)穩(wěn)定、可靠。

4" 結(jié)" 語(yǔ)

本文針對(duì)沖擊波超壓測(cè)試中要求數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備具有多通道、存儲(chǔ)大容量和精確時(shí)基同步等特點(diǎn)的應(yīng)用背景，設(shè)計(jì)了一種時(shí)基同步?jīng)_擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)。該技術(shù)基于GPS衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)準(zhǔn)確獲取本地時(shí)間，并通過(guò)PPS信號(hào)對(duì)系統(tǒng)時(shí)間進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間高精度時(shí)基統(tǒng)一；設(shè)備以eMMC作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)介質(zhì)，利用多通道數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間管理和數(shù)據(jù)文件檢索的功能。通過(guò)60次模擬沖擊波超壓數(shù)據(jù)量寫入測(cè)試實(shí)驗(yàn)和時(shí)基同步精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)，測(cè)得設(shè)備間最大同步差值為256 ns，應(yīng)用存儲(chǔ)技術(shù)設(shè)備平均寫入速度約為18.45 MB/s，表明沖擊波超壓時(shí)基同步存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)滿足測(cè)試需要。

注：本文通訊作者為崔建峰。

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作者簡(jiǎn)介：劉" 豪（1988—），男，河南南陽(yáng)人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。

朱益辰（1991—），男，山西太原人，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⑾到y(tǒng)設(shè)計(jì)、存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)。

畢" 榮（1998—），男，山西忻州人，碩士研究生，研究方向?yàn)閯?dòng)態(tài)測(cè)試與智能儀器。

劉" 佳（1991—），女，黑龍江人，博士研究生，講師，研究方向?yàn)闃O端環(huán)境下的測(cè)試技術(shù)。

崔浩然（1989—），男，山西長(zhǎng)治人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)檠b備健康管理。

崔建峰（1980—），男，河南安陽(yáng)人，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)榉植际街悄軠y(cè)控系統(tǒng)、故障診斷與健康管理、先進(jìn)控制理論及應(yīng)用。

收稿日期：2024?07?31" " " " " "修回日期：2024?09?17

基金項(xiàng)目：山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（20210302124311）；山西省基礎(chǔ)研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（20210302124266）