朱金瑞，王代華，蘇尚恩

(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)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(gè)重要的研究課題。爆炸物產(chǎn)生危害的主要來源是爆炸時(shí)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(duì)其內(nèi)部發(fā)生的爆炸過程進(jìn)行有效約束[1]。其中，對(duì)沖擊波超壓的約束能力是衡量防爆容器性能的一項(xiàng)主要技術(shù)指標(biāo)。根據(jù)動(dòng)物試驗(yàn)中損傷程度的不同，把沖擊波超壓峰值和正壓作用時(shí)間對(duì)人的傷害分為五個(gè)等級(jí)。各傷亡等級(jí)與超壓閥值Δp和正壓作用時(shí)間t的對(duì)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(cè)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(chǔ)必須可靠，對(duì)測(cè)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(duì)防爆容器抗爆性的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而對(duì)爆炸點(diǎn)周圍自由場(chǎng)沖擊波的測(cè)試是防爆容器對(duì)沖擊波約束能力的直接體現(xiàn)?，F(xiàn)有沖擊波測(cè)試系統(tǒng)大多針對(duì)軍工領(lǐng)域中各類彈藥的威力評(píng)估設(shè)計(jì)，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(cè)試中對(duì)測(cè)試精度和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性的要求[3]。針對(duì)上述問題，本文開展了工作參數(shù)可編程和存儲(chǔ)可靠性控制兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究，提高了系統(tǒng)測(cè)試精度和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性。

1 系統(tǒng)組成及原理

系統(tǒng)分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括信號(hào)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(chǔ)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(yàn)前，根據(jù)炸藥當(dāng)量和測(cè)試距離對(duì)各測(cè)點(diǎn)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(shí)階段；定時(shí)結(jié)束后系統(tǒng)才進(jìn)入全速工作狀態(tài)，在觸發(fā)信號(hào)的作用下開始采集記錄有效的沖擊波信號(hào)，并將有效數(shù)據(jù)順序存入Flash存儲(chǔ)器中；測(cè)試數(shù)據(jù)通過無線通信方式傳送到主控制臺(tái)，計(jì)算機(jī)通過USB接口對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取操作，最后經(jīng)應(yīng)用軟件對(duì)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(gè)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(chǔ)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(chǔ)測(cè)試是目前沖擊波超壓現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的主流技術(shù)，但現(xiàn)有存儲(chǔ)式?jīng)_擊波測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試量程較為固定，系統(tǒng)靈活性較差，對(duì)小信號(hào)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。為了滿足對(duì)不同頻率、帶寬和峰值沖擊波信號(hào)的測(cè)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(duì)傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)而言，傳感器選定后測(cè)試系統(tǒng)的量程隨之確定，其信號(hào)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(duì)小信號(hào)測(cè)試的分辨力降低。本系統(tǒng)在信號(hào)調(diào)理模塊中采用程控放大器，放大倍數(shù)可根據(jù)測(cè)試信號(hào)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(shí)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(cè)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(shí)現(xiàn)了3種觸發(fā)方式可選的觸發(fā)方案設(shè)計(jì)，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(hào)轉(zhuǎn)化為多通道輸出的同步觸發(fā)信號(hào)，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(cè)點(diǎn)同步啟動(dòng)記錄，從而獲得各測(cè)點(diǎn)沖擊波的相對(duì)時(shí)間信息，實(shí)現(xiàn)了同步性，也增加了多路驅(qū)動(dòng)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(hào)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(shí)就會(huì)使系統(tǒng)觸發(fā)[5]。其中觸發(fā)電平的設(shè)定對(duì)是否存儲(chǔ)記錄到有效信號(hào)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(huì)增加系統(tǒng)誤觸發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，觸發(fā)電平設(shè)定過高則可能在采集小信號(hào)時(shí)無法觸發(fā)，導(dǎo)致測(cè)試失敗。因此，本系統(tǒng)利用FPGA對(duì)觸發(fā)電平進(jìn)行編程設(shè)置，實(shí)現(xiàn)500～1 000 mV范圍內(nèi)的16檔可選，保證了系統(tǒng)對(duì)不同被測(cè)信號(hào)測(cè)試時(shí)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(duì)觸發(fā)時(shí)刻之前的部分有效沖擊波信號(hào)進(jìn)行保留。本系統(tǒng)利用FPGA編程控制預(yù)觸發(fā)長度，實(shí)現(xiàn)0～4 MB范圍內(nèi)的8檔可編程，進(jìn)一步提高了測(cè)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(chǎng)沖擊波信號(hào)是一個(gè)典型的瞬態(tài)信號(hào)，測(cè)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(shí)序如圖6所示。本系統(tǒng)通過FPGA編程設(shè)計(jì)了一個(gè)分頻器，在滿足轉(zhuǎn)換時(shí)間tCONV不超過300 ns時(shí)，為ADC提供不同周期長度的轉(zhuǎn)換時(shí)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(shí)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(hào)。在RD#信號(hào)的控制下將A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)存入存儲(chǔ)器。采集電路控制模塊如圖7所示。

圖6 ADC工作時(shí)序

圖7 采集電路控制模塊

2.2 NAND Flash存儲(chǔ)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(chǔ)器，其功耗小、體積小、重量輕、抗震能力強(qiáng)、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(cè)的流程就可以實(shí)現(xiàn)，但是，壞塊和使用中出現(xiàn)的差錯(cuò)會(huì)嚴(yán)重影響其性能[6-8]。因此，存儲(chǔ)可靠性控制技術(shù)成為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。本系統(tǒng)選用Micron公司的NAND Flash存儲(chǔ)器，在存儲(chǔ)方案中采用壞塊管理技術(shù)和ECC校驗(yàn)技術(shù)來提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。

2.2.1 壞塊管理

NAND Flash壞塊包括芯片出廠時(shí)已存在并被標(biāo)記的初始?jí)膲K和在使用過程中因某些比特位置無法翻轉(zhuǎn)或翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤過多且無法更正的使用壞塊[9]。針對(duì)以上兩種壞塊，設(shè)計(jì)了一種動(dòng)態(tài)壞塊管理機(jī)制，既能實(shí)現(xiàn)對(duì)初始?jí)膲K的掃描，也能對(duì)隨機(jī)產(chǎn)生的使用壞塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。動(dòng)態(tài)壞塊管理過程如圖8所示。

動(dòng)態(tài)壞塊管理的工作流程為：首先對(duì)初始?jí)膲K進(jìn)行掃描，建立壞塊表。該NAND Flash存儲(chǔ)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(chǔ)到FRAM中。由于FRAM較強(qiáng)的非易失性和可接近無限次擦寫的特性，其很適合存儲(chǔ)壞塊信息表[14]。最后對(duì)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(duì)壞塊信息的可靠存儲(chǔ)與快速檢索。此外，針對(duì)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(jì)了一個(gè)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(hào)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(gè)有效塊，同時(shí)將錯(cuò)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(dòng)態(tài)壞塊管理流程

2.2.2 ECC校驗(yàn)

NAND Flash擦寫次數(shù)的增加會(huì)降低存儲(chǔ)單元的可靠性，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)也會(huì)因外界環(huán)境引入的噪聲和讀寫電路的誤差產(chǎn)生差錯(cuò)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種基于漢明碼的錯(cuò)誤校驗(yàn)與糾錯(cuò)(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(yùn)行頻率高且容易實(shí)現(xiàn)，滿足系統(tǒng)對(duì)出錯(cuò)概率較小的SLC型NAND Flash的ECC糾錯(cuò)能力的要求。ECC校驗(yàn)的工作流程：在數(shù)據(jù)進(jìn)行編程操作過程時(shí)，以512字節(jié)數(shù)據(jù)為單位，實(shí)時(shí)生成與之相對(duì)應(yīng)的3字節(jié)的ECC校驗(yàn)碼。每頁可以存儲(chǔ)2 048字節(jié)的數(shù)據(jù)，共生成12字節(jié)的原始ECC校驗(yàn)碼A，將其存入該頁附加的存儲(chǔ)空間；在進(jìn)行讀操作時(shí)，將本頁2 048字節(jié)的數(shù)據(jù)和12字節(jié)的ECC校驗(yàn)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(yàn)碼B；將ECC校驗(yàn)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(cuò)“位”現(xiàn)象及時(shí)進(jìn)行糾錯(cuò)處理。ECC校驗(yàn)流程框圖如圖9。

3 驗(yàn)證

本系統(tǒng)已參加了多次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)，其測(cè)試精度和存儲(chǔ)可靠性得到了充分驗(yàn)證。圖10為某型防爆容器抗爆性能試驗(yàn)的現(xiàn)場(chǎng)布局圖。取防爆容器的中軸線到地面的投影為爆心，測(cè)試系統(tǒng)布設(shè)在以爆心為圓心半徑為R的圓周上，每個(gè)半徑布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)，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(cè)點(diǎn)在一次爆炸試驗(yàn)后記錄的沖擊波超壓測(cè)試曲線。根據(jù)被測(cè)信號(hào)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(cè)試數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。從結(jié)果可以看出，系統(tǒng)測(cè)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(duì)小信號(hào)的測(cè)試能力，系統(tǒng)具備較高的測(cè)試精度。系統(tǒng)已經(jīng)過多次使用，測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)準(zhǔn)確，驗(yàn)證了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的可靠性。

圖9 ECC校驗(yàn)流程框圖

表1 某型防爆容器抗爆性兩次試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖10 某型防爆容器現(xiàn)場(chǎng)布局

圖11 某型防爆容器抗爆性試驗(yàn)中沖擊波超壓測(cè)試曲線

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的存儲(chǔ)式測(cè)試系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有測(cè)試精度高，測(cè)量范圍大，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)的多項(xiàng)工作參數(shù)可編程設(shè)置，滿足對(duì)不同被測(cè)對(duì)象的測(cè)試需求；存儲(chǔ)可靠性控制技術(shù)的應(yīng)用，使測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)更可靠。系統(tǒng)測(cè)試分辨力達(dá)到0.1 kPa，超壓測(cè)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(yàn)中具有很好的適用性，可對(duì)小信號(hào)精確測(cè)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(cè)試。