基于闪存的引信电池大容量存储测试方法

谢 锐,马铁华,裴东兴

(中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,山西太原 030051)

0 引言

储液式引信化学电池安全性好、储存时间长,因此广泛应用于引信供电电源中[1]。引信电池的电压上升时间(激活时间)、供电电压值、供电持续时间和噪声大小是电池性能的重要指标[2]。激活时间过长,将会影响整个火炮系统的最小攻击距离;掉压或供电不完全,供电时间短,可造成引信瞎火、早炸,影响引信的炸点分布情况[1];电池噪声增大可引起炸距增大,当电池噪声增大到一定程度时,会导致早炸[2]。因此电池性能对引信正常工作有很大影响。

在实验室测试引信电池性能,即使用双环境力电源性能测试装置,模拟引信工作时的高冲击与高速旋转环境,使电池被激活并有稳定的输出,进行电池在规定负载下的放电测试,得到电池的激活时间、输出电压、输出持续时间和噪声等动态参数。根据噪声的带宽范围,要测得可靠的数据需要较高的采样频率,要得到完整的输出曲线,电池要充分放电,测试时间较长,不低于250 s。综合以上因素,要求测试技术能同时达到高速采样与大容量存储要求。

基于存储测试技术的引信电池测试仪要能置于被测体体内,跟随被测体一起运动并且不影响被测体的运动规律[3-4],小体积、抗高冲击是实现测试功能的基础。为了保证测试过程的可靠性和持续性,高信噪比和低功耗是设计时的重要因素。现有的引信电池存储测试仪,具有体积小,抗冲击性好的特点,可跟随引信电池上弹发射。同时,受所用的元器件和体积的限制采样频率较低,一般为100 k Hz左右,存储容量小,一般为几十或几百KB,采样时间为毫秒级[5],无法实现高采样频率、长时间的数据记录。针对此问题,本文设计了一种基于闪存的大容量存储测试方法。

1 引信电池存储测试仪

现有的引信电池存储测试仪,为了减小体积降低功耗,充分利用了单片机内的集成模块,减少了外围元件的使用[5]。TI公司的MSP430F系列单片机,集成度、体积、功耗等综合性能较好,片内集成有AD、存储器、接口等部分。基于单片机的引信电池存储测试仪[5],采用MSP430F1612单片机,内嵌12 bit16通道的ADC,55 KB+256B Flash Memory和5 KB RAM。通过对此单片机的设计在单个芯片上实现了以下系统功能:AD转换、存储器、采样频率控制、芯片管理、地址发生器、延迟控制,系统具有阶段管理和自动工作转换功能。图1为基于单片机的引信电池存储测试原理图。虚线框内是单片机内部划分的多个功能模块。

图1 基于单片机的引信电池存储测试原理图Fig.1 Principle of storage measurement for fuze battery based on microcontroller

2 大容量存储测试方法

对于本文中引信电池实验室放电测试,主要解决的问题为如何实现高的数据存取率,以及如何长时间记录电池激活前后完整的输出曲线。单纯的单片机控制难以实现高速运行,而单独采用CPLD控制功耗较大且逻辑复杂[6-7]。在实现高速数据采样和大容量数据存储的功能,同时控制功耗和体积的前提下,本文设计的存储测试方法采用单片机与CPLD共同控制的模式,使用两片闪存交替工作组成数据存储器,满足了电池放电测试高采样频率和长时间记录的要求。单片机控制测试系统工作状态的转换和发出对闪存进行写入、读取、擦除操作的命令,CPLD控制高速数据采样转换和转换完毕后数据的缓存。这样的设计充分利用了单片机功耗低、逻辑简单,CPLD速度高的优点,提高了测试系统的功能性和稳定性。闪存中设计了负延迟单元,存储电池激活前的数据,使测试结果可以显示完整的放电曲线。

数据存储器选用三星公司的NAND型闪存K9F4G08U0B,单片容量为512 MB。NAND结构闪存的特点是:以页为单位进行读和编程操作,以块为单位进行擦除操作。对一页(2 KB)数据编程进入非易失介质的典型时间为 200μs,擦除一块(128 KB)的典型时间为1.5 ms。数据、地址、命令采用同一总线,芯片使用引脚少。

基于该方法研制的测试仪由模拟适配模块、信号采样转换模块、控制模块、数据存储模块、接口模块和电源管理模块组成。图2为大容量存储测试方法原理图。

图2 大容量存储测试方法原理图Fig.2 Principle of large-capability storage measurement method

2.1 高速采样控制

电池输出信号通过模拟适配电路分为电压和噪声两个通道,使用CPLD对外部晶振分频后的信号作为AD转换的时钟,这样得出的信号稳定且占用芯片资源少。采用固定采样频率双通道循环采样的策略,每通道采样频率可达1 MHz。为达到高速数据采样,相应地也要提高数据存储的速度,CPLD内部同时实现数据的缓存功能,将一定量的数据一次性快速写入闪存中,避免了对数据的多次处理产生的耗时。

2.2 负延迟与低功耗

由于测试时间较长,为了满足测试要求并降低功耗,测试过程中设计了负延迟和低功耗两种状态。

将数据存储部分分为两个单元,第一单元存储负延迟的数据,第二单元存储触发后的数据。触发前电池未被激活,为负延迟状态,此状态下闪存循环记录数据,触发后(TR=1)电池被激活,闪存地址跳入第二单元顺序记录电池的动态输出,这样,电池激活前的一段数据得以保留。记录完毕后和数据擦除后测试仪处于低功耗状态,低功耗状态下单片机控制关断模拟部分电源,数字部分处于休眠状态,有效降低了功耗。

2.3 大容量闪存的应用

设计大容量闪存作为外部数据存储模块。由于闪存存在较长的页编程时间,编程时无法对其进行操作,为了在高速数据转换情况下不丢失数据,并进一步提高存储容量,采用两片闪存芯片交替工作组成数据存储器,总存储容量扩大为1 GB。AD输出为12 bit,闪存的数据线为8 bit,转换得到的数据先进入CPLD转化为2组8位数据,使数据位数匹配。对A片发出命令后,A片进行编程时对B片写入数据,反之相同,这样提高了测试仪的数据处理速度,满足了测试要求。

3 实验及测试验证

引信电池激活时,测试仪要承受很高的冲击,为了保证测试仪的可靠性,将电路用环氧树脂进行真空灌封,并且在电路壳体外增加了胶垫起到缓冲保护的作用,这样处理后测试仪可以承受10 000 g的过载。

对引信电池进行了多次不同g值与转速下的放电测试,测试仪均工作正常,数据捕获率百分之百。在额定转速3 000 r/min、过载3 000 g的双环境参数下对引信电池进行多次放电测试,其中一组测试数据如下所示。

图3为完整的引信电池电压输出曲线。图中横坐标为时间,纵坐标为电压值。图中粗竖线是触发线,表明了触发时刻。从图中可得出引信电池放电规律。引信电池从被激活到完全放电的过程中,电压随时间变化的关系:触发之前引信电池没有被激活,输出为 0,激活后电压迅速上升输出达到最大值,引信电池在高速旋转时进行放电,输出电压缓慢下降,在120 s之内电压在有效范围内,120 s之后输出大幅下降,引信电池充分放电时间约为240 s。从图中横坐标可看出记录时间达到了270 s,满足了长时间数据记录的要求,得到了激活前后完整的测试曲线。

图3 引信电池电压输出曲线Fig.3 The output voltage of fuze battery

输出电压曲线展开放大后得到引信电池激活瞬间电压上升的曲线,如图4所示。在图中通过测量可以直接得到引信电池电压上升到有效值的时间。从放大后的曲线可看出引信电池激活后输出平稳。

图4 引信电池电压上升时间曲线Fig.4 Curve of voltage rise time of fuze battery

图5 为引信电池输出的噪声曲线,为了便于数据处理,噪声通道设有基准电压。

由噪声曲线可以测量得出滤波后的引信电池输出噪声的大小,通过对比电压及噪声曲线,得出引信电池在激活时噪声最大,电压达到稳定值后噪声输出呈周期性。曲线反映了在规定带宽下输出噪声随时间的变化关系,表明测试方法满足了高速采样的要求,显示了测试仪的准确性、可靠性。

图5 引信电池噪声曲线Fig.5 Curve of nois of fuze battery

多次放电实验后,数据的一致性良好,与理论设计值误差较小。通过实验可以得出:转速的大小和旋转的均匀性对引信电池输出电压值的大小和有效工作时间有较大影响,放电实验中可以得到冲击加速度值与激活时间的关系。为提高引信电池性能改进引信电池结构设计提供了重要的依据和参考。

4 结论

基于闪存的引信电池大容量存储测试方法,采用单片机与CPLD作为控制器件,使用两片大容量闪存组成数据存储器,CPLD产生高频采样信号,单片机控制两片闪存交替工作,存储容量扩大至1 GB,满足了电池放电测试大容量数据存储的要求。实验与测试表明:此方法可将采样频率提高到1 MHz,记录时间延长到270 s,使用此方法可以实现引信电池放电测试时的高速数据采样和长时间数据记录功能。

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