軒春青，軒志偉，賴富文

(1.鄭州商學院信息與機電工程學院，河南鞏義451200；2.中北大學電子測試技術國防重點實驗室，太原030051；3.鄭州威科姆科技股份有限公司，鄭州450001；4.中國白城兵器實驗中心，吉林 白城137001)

爆炸過程所產(chǎn)生的沖擊波壓力場的大小是評估武器威力和性能的一項重要指標[1-3]；受測試手段限制，目前僅能對沖擊波場中若干關鍵點的壓力值進行測試，對沖擊波場進行重構進而評估毀傷效果，試驗研制成本很高，準確可靠的獲取數(shù)據(jù)顯得極為重要[4]。當前國內(nèi)外沖擊波壓力場信號測試方法主要有:引線電測法和存儲測試法[5-7]。其中引線電測法可隨時監(jiān)測測試節(jié)點狀態(tài)和更改參數(shù)，易于數(shù)據(jù)回收；但布線繁瑣，易引入干擾。存儲測試技術將傳感器與采集存儲模塊作為一體布設到測試場內(nèi)，采用壓力觸發(fā)方式獲取沖擊波信號，實現(xiàn)多點測試[8-9]；但測試節(jié)點布設完畢后無法監(jiān)測其工作狀態(tài)，參數(shù)更改不便、靈活性差；預設壓力觸發(fā)方式易受環(huán)境影響誤觸發(fā)采集不到有效數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)回收需要讀取每個節(jié)點數(shù)據(jù)，效率較低[10-12]。

本文介紹一種基于多次觸發(fā)連續(xù)存儲技術的無線分布式測試系統(tǒng)，將多次觸發(fā)連續(xù)存儲技術與無線技術結合到一起，當測試節(jié)點誤觸發(fā)采集過程未結束而真實信號到來時，使測試節(jié)點擺脫傳統(tǒng)的單次觸發(fā)固定采集時長的局限性，實現(xiàn)真實信號的完整的采集，提高了測試的可靠性。采用WiFi技術實現(xiàn)控制中心與測試節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)測試節(jié)點集中管理和狀態(tài)監(jiān)測，數(shù)據(jù)傳輸過程采用編幀方式，確保傳輸?shù)目煽啃裕谎b置采用PCB貼片天線，減少對沖擊波信號的干擾，提高測試的準確性。

1 多次觸發(fā)連續(xù)存儲技術

早期測試中因開始測試時間不定、等待時間較長且存儲器容量有限，為獲取完整的沖擊波信號，采用負延時加預設壓力值觸發(fā)的方式，合理的利用存儲容量，但是存在誤觸發(fā)問題，采集不到真實信號；后期的多存少取技術采用連續(xù)觸發(fā)方式對數(shù)據(jù)進行記錄；通過大容量的數(shù)據(jù)存儲來增加有效信號記錄時間，雖然降低外界干擾對系統(tǒng)的影響，提高了存儲測試的可靠性[1]；當系統(tǒng)被誤觸發(fā)后，在該采集周期內(nèi)，若沖擊波信號到來，系統(tǒng)將無法采集到完整的壓力信號。

多次觸發(fā)連續(xù)存儲技術是在延時觸發(fā)與多存少取的基礎上根據(jù)壓力沖擊波信號上升沿陡峭、持續(xù)時間短的特點，針對性的制定觸發(fā)策略，在確保采集到真正信號的前提下減少誤觸發(fā)。采用信號觸發(fā)識別控制技術，通過對觸發(fā)后采集到的數(shù)據(jù)進行比較識別，判斷是否為再次觸發(fā)，從而調(diào)整存儲長度，達到獲取完整信號的效果，工作原理如圖1所示。

圖1 多次觸發(fā)存儲原理框圖

ADC變換器將模擬信號轉換成數(shù)字信號(測試數(shù)據(jù))，數(shù)據(jù)被順序存儲到緩沖區(qū)中，控制器同時將數(shù)據(jù)與設定閾值相比較，如果識別到多個連續(xù)超出閾值、各點之間遞進增大且突變較大的信號，則認為是有效數(shù)據(jù)，停止緩沖區(qū)循環(huán)記錄，并標記緩沖區(qū)數(shù)據(jù)位置，將后續(xù)數(shù)據(jù)依次存入到存儲器中。在數(shù)據(jù)存儲過程中，控制器將獲取的壓力信號輸入電壓比較器與預設參考電壓比較?？刂破鲗﹄妷罕容^器輸出進行檢測，若發(fā)現(xiàn)較長時間的高電平輸出，則認為是再次觸發(fā)，將在目前記錄時長的基礎上，增加存儲記錄時間。因壓力信號上升迅速，持續(xù)時間較短，適當?shù)脑O置負延時可以避免單個信號帶來的重復觸發(fā)。使用電壓比較器識別再次觸發(fā)減少對數(shù)據(jù)存儲過程的影響；控制器僅對電壓比較器的輸出進行識別，以判斷是否增加存儲時間，通過增加硬件資源，提高系統(tǒng)效率與響應速度。

圖2是多次觸發(fā)連續(xù)存儲系統(tǒng)的工作流程與時間關系圖，系統(tǒng)上電后，進入采集模式，將采集到的數(shù)據(jù)順序存入緩沖區(qū)中，并根據(jù)觸發(fā)控制條件判斷是否為有效數(shù)據(jù)，而后進行順序存儲，有效數(shù)據(jù)記錄時長為T0。如果在該采集周期的Ti時刻識別到第二次觸發(fā)，那么系統(tǒng)有效記錄時長為T0＋Ti；如果在采集結束之前識別到N個觸發(fā)，第N次觸發(fā)時有效記錄時長記為Tj，那么系統(tǒng)有效記錄時間為T0＋Tj。系統(tǒng)總的記錄時長受存儲器容Mt量和采樣速率Fs限制，即 Ta＝Mt/Fs；如果 Ta大于 T0＋Tj，則可以保證獲取完整的沖擊波壓力信號。

圖2 多次觸發(fā)連續(xù)存儲系統(tǒng)的工作流程與時間關系圖

2 測試節(jié)點的設計

結合沖擊波壓力信號的特點，根據(jù)多次觸發(fā)連續(xù)存儲的思想，對測試節(jié)點進行設計，采用PCB公司的ICP傳感器。該傳感器需要2 mA～20 mA恒流源供電，20 V～30 V左右激勵電壓下正常工作，輸出信號中帶有8 V～14 V的偏置電壓；系統(tǒng)中電路設計帶寬為0.1 Hz～250 kHz，信號采樣頻率1 MHz，分辨率12 bit。測試節(jié)點主要由信號調(diào)理電路，存儲控制電路及無線通信電路組成；系統(tǒng)采用單電源供電，其中信號調(diào)理電路主要結合傳感器的特點，給傳感器提供激勵電壓(24 V)、恒流源(4 mA)等，并對輸出的信號進行調(diào)理濾除輸出偏置電壓，放大后輸入抗混疊濾波器；因沖擊波壓力信號存在負壓區(qū)域(幅值較小)而所用ADC轉換器輸入電壓范圍為0～5 V，為保證信號完整性，對放大濾波后的信號添加1.25 V偏置電壓。信號經(jīng)過調(diào)理后，接入存儲控制板進行模數(shù)轉換和存儲控制。存儲控制板采用FPGA作為主控制器，用于完成壓力信號的采集轉換、負延時控制、觸發(fā)電平選擇、觸發(fā)識別、存儲器讀寫控制及通信傳輸?shù)雀黜椆δ?，各個功能模塊相互獨立，系統(tǒng)實時性強。測試節(jié)點系統(tǒng)架構如圖3所示。

圖3 測試節(jié)點結構框圖

3 數(shù)據(jù)回收設計

系統(tǒng)設計時采用USB接口與無線通信相結合的方式，以無線通信為主。在測試節(jié)點中采用具有IEEE 802.11b/g傳輸協(xié)議WiFi模塊，在FPGA的控制下完成與外界的數(shù)據(jù)交互[10]。各個測試節(jié)點通過無線AP(無線接入點)與控制中心組建成一個局域網(wǎng)；采用C/S架構，使用socket連接進行通信?？刂浦行目赏ㄟ^網(wǎng)絡對測試節(jié)點狀態(tài)的狀態(tài)進行實時監(jiān)控；數(shù)據(jù)傳輸速率高，最大可達54 Mbyte/s，數(shù)據(jù)回收方便，適合大數(shù)據(jù)量的回收；在無線故障或禁止使用無線的場景，可通過USB接口設置系統(tǒng)參數(shù)，完成數(shù)據(jù)回收，增強系統(tǒng)可靠性。

為避免無線信號較差傳輸中斷而造成的數(shù)據(jù)丟失，在使用TCP連接的基礎上對數(shù)據(jù)進行分包處理，并增加校驗位。測試節(jié)點在回傳數(shù)據(jù)前對數(shù)據(jù)進行分包編幀處理，增加幀號、數(shù)據(jù)長度和校驗位等。控制中心收到數(shù)據(jù)后根據(jù)幀頭、數(shù)據(jù)長度和校驗位等對收到的數(shù)據(jù)進行解析確認，無誤后根據(jù)幀號對數(shù)據(jù)進行提取重組。若收到數(shù)據(jù)不完整或者丟失，則請求測試節(jié)點重新發(fā)送相關幀號的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)功能驗證

為驗證系統(tǒng)的可用性，利用該測試系統(tǒng)采集模擬壓力信號。通過控制中心對測試節(jié)點進行參數(shù)設置，進入待觸發(fā)狀態(tài)，模擬產(chǎn)生多次壓力信號完成觸發(fā)采集；采集完成后重新設置單次采集的存儲長度，累計對系統(tǒng)進行5次采集操作；每次采集過程中累計觸發(fā)次數(shù)分別為4次、3次、5次、4次與3次。使用無線對獲取的數(shù)據(jù)進行讀取并顯示，測試結果如圖4所示，其中圖5為第一次采集連續(xù)觸發(fā)信號的放大圖。從圖中可知系統(tǒng)完整記錄5次采集操作所產(chǎn)生的波形，每次采集的數(shù)據(jù)中所觸發(fā)的次數(shù)與實際操作一致；且采集過程中能夠識別到再觸發(fā)而延長存儲時間，如圖所示。將無線回收的數(shù)據(jù)與USB讀取數(shù)據(jù)進行比對，二者完全一致，無數(shù)據(jù)丟失。結果表明，設備能夠實現(xiàn)多次觸發(fā)連續(xù)采集的功能，能在單次觸發(fā)過程中識別到再次觸發(fā)，擴展存儲深度，保證采集到完整的數(shù)據(jù)。

圖4 五次采集過程數(shù)據(jù)圖

圖5 單次采集多次觸發(fā)過程放大圖

5 結論

針對沖擊波壓力測試提出了一種多次觸發(fā)連續(xù)存儲的技術，用于解決存儲測試系統(tǒng)在誤觸發(fā)過程中壓力信號到來而無法采集到完整信號的問題。針對沖擊波信號特點，使用FPGA＋電壓比較器并配合軟件程序完成信號采集過程中再觸發(fā)的識別，與參考文獻[1]相比通過采用再觸發(fā)識別技術提高了系統(tǒng)獲取有效數(shù)據(jù)的概率。采用WiFi通信技術，對測試節(jié)點進行組網(wǎng)管理，前端覆蓋范圍可達200 m，提高了系統(tǒng)的靈活性，解決大量數(shù)據(jù)回收不便的問題，并針對無線不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)丟失制定相關策略，保證數(shù)據(jù)回收的完整性。研制了測試系統(tǒng)工程樣機，并通過相關試驗驗證系統(tǒng)功能的可靠性與穩(wěn)定性；在誤觸發(fā)的情況下可成功獲取現(xiàn)場的壓力信號，具有實際應用價值，可以在相關應用中推廣使用。