【深度】多次重触发冲击波测试记录仪的研究
【学术plus】快来试试号内搜索功能！
公众号→【智库扫描】→【搜搜文章】
→输入关键词→一键检索您需要的文章。
【厚度】学术plus年终巨献：2017年 你不可以错过的重磅报告们！（全文阅读链接）
今日荐文
今日荐文的作者为中北大学专家张晓光，尤文斌，任小军。本篇节选自论文《多次重触发冲击波测试记录仪的研究》，发表于《中国电子科学研究院学报》第12卷第6期。
摘 要：鉴于现行冲击波存储测试方法存在无法完成高密度测试、实验效率低的问题，提出了一种基于单次冲击波测试记录仪的多次重触发改进设计方案。该方案以CPLD作为时序控制、MSP430作为控制核心，通过将存储地址分成16段，每段内部划分出循环存储区间和顺序存储区间。在由信号数值和外部触发控制信号触发顺序记录前，数据在循环存储区间存储，触发后跳转至顺序存储区间，记满后跳转到下一段循环采集等待触发。利用MSP430单片机内部flash记录触发地址和循环区间的最大地址，解决了数据顺序读取和存储坏块的难题。实验结果表明该记录仪能实现连续16次触发，重启后续存功能。
关键词：冲击波测试；多次重触发；MSP430；CPLD
引 言
在现行的冲击波测试的环境中，最为常用的测试方法有：存储测试法、引线测试法。与引线测试法对比而言，存储测试法可以大大提高捕获率，也是符合冲击波测试的发展方向，但存储仪器通常采用的。
单次触发方式存在明显的限制：
其一，在完成一次实验之后必须立即读取实验数据，才能继续下一次实验，不能满足大密度，高效率的测试要求；
其二，由于触发方式单一，不能满足不同触发类型、多次触发的测试要求。
针对上述问题，提出了一种具备多次重触发的记录方法。方案的核心是以CPLD作为时序控制、MSP430作为控制核心，通过将NAND Flash空间划分为16段，又将每段划分为二个部分，分别是负延时部分和顺序写部分。程序自动对每段的负延时开始地址、顺序写起始地址等进行赋值、跟踪和记录，从而做到准确写入、读取试验数据。通过置位触发使能位，选择适合实验需要的触发方式。基于以上改进思想实现多次重触发的功能。
1 记录仪总体设计
针对冲击波测试的特点，系统设计具备16次重触发功能，在系统断电后，保存的地址数据，测试数据不丢失，并且再次上电之后，系统会自动识别上次存储状态，做好再次存储或者读取数据的准备。操作人员可以通过上位机发送指令，改变其状态。
1.1 系统框图
冲击波多次重触发记录仪原理结构框图如图1所示。记录仪由冲击波测试信号处理部分（放大、滤波和转换）、CPLD时序控制+MSP430控制、闪存存储部分和外围电路部分组成（FIFO、USB读数、Zigbee模块等）。冲击波测试信号经信号处理部分转换成12位的AD数字信号，AD数字信号经CPLD再到FIFO缓存实现数据与系统的同步，MSP430作为控制中枢完成数据从FIFO到Flash的存储指令控制，CPLD则完成具体的时序控制，MSP430和CPLD配合工作，完成对Flash的坏块检测、读、写和擦除的操作。记录仪通过Zigbee模块完成与上位机的信息交换，转而言之，上位机通过Zigbee完成对每个记录仪的控制，并且实时监控其状态。
图1 冲击波记录仪原理结构框图
1.2 系统存储介质
系统存储介质选用三星公司的NAND型存储芯片K9K8G08U0B。单片Flash存储容量1GB，其读写操作最小单位为页，每页含有2048 Byte数据存储空间，一块包含64页，无效块不大于320块，由于Nand flash 的特性，控制部分基本功能有：坏块判断、读flash操作、写flash操作和擦除flash操作。通过上述功能的有机组合，完成测试数据的存储。典型参数如表１所示。
1.3 传感器选型
常用的冲击波压力传感器有两种：压电式压力传感器和压阻式压力传感器。但是考虑到冲击波的影响因数和传感器的性能，根据参考文献得出来的结论是在7种传感器中性能更好的为8530B和113A，所以最终本次测试选用为PCB公司的压电式传感器113A。其内部高度集成了将高阻抗电荷转为低阻抗电压输出的微电子放大器，输出正比于压力的电压信号。相比于传统压电传感器而言，压阻式压力传感器具有抗干扰能力强、灵敏度高、噪声小等优点，并提高了测试精度和可靠性，尤其适用于现场测试。其主要的特性：上升时间和超调量见表2。
1.4 数字电路结构分析
在数字电路中有以下几个部分，分别是AD采集部分、FIFO缓存、CPLD时序调理、MSP430控制部分、闪存储存部分。其结构如图2所示。
图 2 数字板结构图
AD采集部分接受来自模拟板的模拟信号，线路1代表12位的并行数字信号进入CPLD；线路2代表CPLD和异步FIFO 的数据交换；线路3代表CPLD和MSP430交互式通信。其作用是MSP430控制地址的编写，监视闪存的状态、CPLD协调时钟，控制数据的流动；线路4代表由CPLD控制数据流向flash闪存中；线路5代表MSP430对闪存存储部分的存储芯片的片选信号、读写时钟、状态检测等控制。
2 关键技术及实现
2.1 多次重触发技术
MSP430+CPLD控制闪存存储数据时,有两种存储方式:单次触发存储和多次重触发存储。在单次触发存储中，测试系统只触发一次就能完成存储任务；在多次重触发存储中。测试系统可以进行多次触发，完成多次的储存实验。在存储空间满足要求的情况下，多次重触发存储的实验效率要高于单次触发存储。
多次重触发根据触发次数将总存储空间分为16个单元,每个单元相对独立，在这个单元内完成负延时存储、触发和顺序存储等步骤。完成一次存储之后，系统会进入等待状态并向外界发送自身状态。由外界发送再次储存命令，可以使系统进入下一次的储存实验。由第3节实验结果可知：在大密度进行冲击波测试实验中，为了测试的高效性, 必须选择多重触发技术。并且多次重触发技术可以很好向下地兼容单次触发。
2.2 多次重触发流程图
触发条件、触发结束标志、确认再次存储、是否结束存储等是多次重触发技术的关键节点。具体流程图如图3所示。
图3 多次重触发流程图
因为将存储地址分为16段，每段内部划分为循环存储区间和顺序存储区间。所以在实验之前，要对负延时起始地址、触发地址、负延时结束地址、顺序写起始地址和顺序写结束地址进行赋值，并使能实验所需的触发方式。在执行一次存储实验时：系统会判断是否满足触发条件，进入相应的写状态。在没有满足触发条件的情况下，MSP430控制写指针，一直在循环存储区间的地址范围内循环，即从负延时开始地址开始，等写指针到达负延时结束地址，写指针被再次赋予负延时开始地址，如此反复。一旦满足触发条件，系统会将触发地址和负延时结束地址记录在MSP430的内部flash里面，并赋予写指针以顺序写地址，进入顺序存储区间，写指针会一直自加，数据不断被存储在写指针指向的物理空间中，直到写指针到达顺序写结束地址。置位存储测试实验结束标志位。向外界输出自身状态并进入等待状态。
在等待状态中，系统等待2种命令：
（1）结束存储命令，即存储功能关闭，读数功能进入等待状态。
（2）确认再次存储命令，其会使MSP430再次进入实验准备工作阶段，重复上述的存储测试过程。
为了满足实验的实际要求，系统被设计成：下电之后，系统的状态不会丢失。再次上电之后的程序入口已经在图3中标明，再次上电之后，可以执行读数程序，也可以进行再次存储实验，在这里仅对再次存储实验作解释，读数程序不做详细解释，在确认再次存储命令进入系统之后，系统会跳转到实验准备工作阶段，从而进入第二次存储测试状态，这样的设计使得多次重触发功能变的更加地灵活，也使其更能适合高密度冲击波存储测试实验。
2.3 触发方式的选择
触发的方式有内触发、断线触发和无线触发的三种方式。在不同的实验要求下，选择不同触发方式。
内触发方式：由CPLD控制的一种触发的方式。在CPLD内部比较AD采集的数据与设定值的大小。当AD采集的数据值到达预先设定值则认为内触发。
断线触发：通过导线连接到被测试弹药外壳，当被测试弹药起爆，断线被破坏，向MSP430发送脉冲。由MSP430中的端口接受脉冲信号，并使系统进入中断，置位断线触发标志位，完成断线触发。
无线触发：通过上位机控制Zigbee，向MSP430发送触发指令，系统进入串口中断，置位无线触发标志位，完成无线触发。
在冲击波场中，由于爆炸带来了复杂的电磁波，对测试仪造成了很大的干扰。虽然在设计的时候考虑到电磁屏蔽的因素，但是由于断线触发和无线触发的功能需要，必须要引入断线和无线天线进入测试仪中，外部变量的引入也将电磁噪声引入记录仪，干扰其正常工作，要想尽可能的减少电磁噪声对系统的干扰，就必须切断电磁噪声进入系统的途径。所以根据实验对象的不同，通过上位机选择适合实验需求的触发方式，在断线触发和无线触发两种触发方式中选择一种触发方式，尽可能减少电磁波对测试仪的干扰。而内触发作为断线触发、无线触发的一种备用触发方式。当断线触发和无线触发失效后，内触发方式依然能够保证系统电路触发，正常工作，提高整个系统的可靠性。
3 实验结果与分析
3.1装置实物图片
在表3中，分别展示了测试装置的侧面、正面和底面。
3.2 多次触发存储实验
（1）多次触发存储实验结果
使用信号发生器产生仿真信号，进行多次触发存储实验。因为电脑内存的原因，我们只能显示240Mb存储空间的数据，及两次的存储实验结果。如图4所示。
图4 240Mb存储空间的数据
将波形进行拉伸，可以得到实验对象的波形信息，例如频率，幅值等，所以通过二个细节图代表二次实验对象的特征，如图5、6所示。
图5.正弦波信号
在图5中，被测试的信号为幅值为1Vpp、周期为1KHz的正弦信号，本次实验采用型号为AD7492的12位AD采集芯片，输入电压0~2.5V，采样频率为1MHz，触发方式被选择为断线触发。在图5的反映情况中：
图6.方波信号
在图6中，被测试的信号为幅值为1Vpp、周期为1KHz的方波信号，触发方式被选择为无线触发。同理通过计算可以得到如下的表达式：
可以从图4、图5、图6中分析出：在触发方式方面，在相应的触发使能位被置位，触发信号进入系统是可以使系统触发，反映触发方式选择的功能是可以正常工作的。并且从图4中可以明显看出两次实验的波形不一致，反映了多次重触发功能可以正常工作的。在频率方面，实验的输入与实验的波形输出是一致的，而在幅值方面却存在差异，信号发生器的输入信号的幅值都是1Vpp，但是在实验的波形输出中的赋值都比输入信号低。通过使用示波器显示输入信号，其结果为：1Vpp的输入在信号发生器中显示为峰值为0.98V，而谷值为-0.98V，另外在读数软件中，采样点的标定是人为的手动标定，存在的误差是实验所允许的，所以存储实验的结果是符合实际情况的。
3.3 冲击波存储测试
（1） 冲击波存储测试结果
通过使用激波管产生的冲击波冲击信号，进行冲击波存储测试实验，在完成2次试验后得到如图7的实验数据波形。
图7.两次存储实验结果
第1次冲击波存储测试实验结果细节图，如图8所示：
图8.第1次实验结果细节图
第2次冲击波存储测试实验结果细节图，如图9所示。
图9.第2次实验结果细节图
（2） 冲击波存储测试结果分析
在图7中显示了2个突出的波形，即数据中包含了两次冲击波存储测试的试验数据，通过Matlab数据显示功能，在图8、图9可以看到两次实验数据中的有效数据的部分，并且在有效数据部分显示的波形是符合冲击波信号的特征。
4 结 语
经实验验证：本次设计采用MSP430+CPLD的冲击波测试多次重触发记录仪方案是可行的，其完成了16次多次重触发实验，下电之后实验数据不丢失，上电续存的功能是符合实验需求的，触发方式选择的功能有效的减少了电磁噪声对系统的干扰，减少了误触发的机率；重启续存与触发方式选择，使得记录仪可以灵活的应对各种测试要求。该方法大大减少了实验操作的工作量，提高了冲击波测试的效率，弥补了单次触发冲击波记录仪的不足。该测试方法具有稳定可靠、操作简单、通用性强、采集数据完整的特点，在测试领域具有很好的发展前景和推广价值。
（参考文献略）
《中国电子科学研究院学报》欢迎各位专家、学者赐稿！投稿链接：
http://kjpl.cbpt.cnki.net
电话：010-68893411
邮箱：dkyxuebao@vip.126.com