基于FPGA软核的参数可变的压力测试系统设计

夏永乐，杨 志，赵化彬

(中北大学仪器与电子学院，山西太原030051)

爆炸冲击波压力测试是对常规武器系统杀伤力评价的有效技术手段，可为武器的威力对比，性能评估提供重要的依据［1，2］。为了获取整体信息，往往需要在测试现场布设数目较多的测试装置［3］。由冲击波超压经验公式分析，超压峰值随着弹药的当量和测点距爆心的距离产生十分显著的变化［4］。在实际测试中，要求测试系统根据实验对象和测试环境合理设置参数。传统的测试系统设计中，为了完成不同的测试任务，往往需要重新设计PCB电路。而设计新的系统不仅花费较大工作量和成本，并且开发周期长。另外，倘若测试系统需要完善和升级时，则难度较大。

本文根据不同环境下的冲击波压力测试需求，设计了可配置的FPGA软核，在硬件电路的基础上，通过移植可配置的软核［5］，在较短的开发周期内，设计出测试参数可变的测试系统。解决了传统测试系统的开发周期长、成本高、电路可复用性差等问题。对测试系统进行了实验验证后，应用到静爆测试中，有效获得了压力数据。结果表明，系统具有很高的可靠性。

1 系统组成

由于测试环境恶劣并且爆炸存在极大的破坏性，极易造成测试系统的损坏。为了提高了系统的存活率和智能化，采用存储测试技术，将传感器及其调理电路、采集存储电路、电源等集成一体，构成一个可独立工作的微小系统。将其植入爆炸现场，完成冲击波信号采集与存储，实验完成后回收测试系统，由计算机回读数据并再现测试信息。测试系统总体组成如图1所示，硬件由ICP压力传感器、调理电路(程控放大器、运算放大器、低通滤波器)、AD转换器、FPGA、SDRAM存储器及USB芯片等组成。软件设计主要包括FPGA软核和上位机。上位机采用LabVIEW设计，具有良好的人机交互界面，实现测试参数设置与回读，数据读取与显示的功能。

图1 系统基本结构图

本文研究重点是设计出满足不同测试环境下的压力测试系统可移植、可复用的软核。通过调用所需要的功能控制软核，配合周围电路，完成冲击波压力测试。

2 软核设计

FPGA具有可静态重复编程和可动态系统重构的优点，因此可通过编程来达到修改硬件功能的目的。软核设计是通过反复验证的、具有特殊功能的宏模块，可使这些编程数据进行移植和修改。只要对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块进行配置后，即可实现相应的电路功能。同一FPGA输入配置好的软核，便可完成压力测试的逻辑功能。软核设计包括有:数据采集模块软核、参数设置模块软核、数据存储模块软核、USB通信模块软核。

2.1 数据采集模块软核

时钟是同步电路系统设计的关键，系统采用了数字时钟管理单元(DCM)管理和控制时钟信号，以提供优质的时钟信号源。由于每次实验准备的时间不同，而触发具有随机性，有可能在准备期间因现场干扰造成系统误触发，导致测试失败。为了提高系统可靠性和降低系统功耗，设计了定时和参数可变的功能。测试系统在现场布置好后，根据离弹药爆破时刻设置定时长度。在定时时间内系统处于低功耗模式并且只有内部计数器在工作，其他模块不工作。当定时结束后，唤醒系统，加载事先设置好的测试参数，进入待触发模式，等待冲击波信号的到来，完成数据的采集与存储。数据采集模块工作流程图如图2所示。

图2 数据采集模块工作流程图

2.2 参数设置软核设计

冲击波超压随弹药当量和距爆心的距离变化而变化，实验前需根据布点的位置及测试对象，合理设置测试参数。主要包括:定时时长，触发电平、放大倍数、采样频率、存储长度、负延时。参数设置模块原理图如图3所示，可通过上位机利用USB接口设置参数。

图3 参数设置模块原理图

首先设定了一个合理的触发电平值，当AD芯片采样所得的电平值大于预设值时，则满足触发条件，否则不触发。冲击波信号一旦到来，此时给采集控制模块一个信号以完成采集。然后根据测试环境预测测点的压力大小，以选择合理的放大倍数。模块提供了1M，2M等不同采样频率，以完成不同测试任务。为了实现能观测信号来之前的一段信息，设置了负延时，其大小决定了触发前存储的长度。另外，也可对数据存储长度进行设置。以容纳完整的信号为原则，对存储长度、负延时进行合理的设置，以确保冲击波压力信号的完整性和连续性。

2.3 数据存储软核设计

爆炸冲击波具有初值高、衰减快、持续时间短等特点，其测试是一个瞬态过程。为了有效地捕抓冲击波压力信号，选用PCB公司的ICP压电压力传感器，其响应时间小于1 us，同时存储器采用存取速度快的SDRAM。在AD采集完成后，不停地将数据循环存储到SDRAM中，同时原数据将会不断被新数据刷新覆盖，当达到设定的存储长度后会停止覆盖，以存储有用的数据。数据存储模块原理设计如图4所示。

图4 数据存储读取控制模块原理图

2.4 USB通信模块软核及其时序仿真

测试系统与上位机的通信是系统设计的关键环节。USB总线具有传输速度快、即插即用等优点［6］。但复杂的USB传输协议和驱动，很大程度上限制了系统的设计与开发。为此，USB芯片选用FT245R，其内部集成了USB协议，完成并行数据与串行数据的双向转换［6］。系统的参数设置和数据读取是通过上位机完成的，上位机将相应的控制命令以串行数据存储在FT245R的内部接收FIFO中;而FPGA的回读信号和数据则以8位并行数据存储在发送FIFO中。通过通信模块软核控制FT245R，实现数据的传输。

为了验证通信软核功能的正确性，利用Modelsim SE对其进行了时序仿真，如图5所示。先进行读操作，图中高亮的data_usb的前4个bytes数据，表示上位机从FPGA中回读的4个参数;然后进行写操作，图中data_usb的中间4个bytes数据表示上位机对FPGA设置的4个参数;而data_usb的最后2个bytes数据则表示上位机设置的2个命令。从时序图可得，rxf和rd、txe和wr的时序，与FT245R芯片读时序和写时序完全相符，说明该模块设计正确，功能满足要求。

图5 通信模块时序仿真图

3 系统性能验证

为了验证采用软核设计压力测试系统的准确性和可靠性，进行了信号采集试验。首先利用Agilenl公司的33521A信号发生器，产生频率为1 kHz、幅值为2 V的正弦信号，如图6所示。然后设置测试系统的参数，具体包括放大倍数:1倍，触发电平:1172，采样频率:1 M，负延时:64 k，存储长度:1 M。设置完成后，测试系统对正弦波信号进行采集。利用上位机通过USB接口读取采集数据，并将数据及测试信息进行显示，如图7所示。

图6 正弦波输入波

由图可知:正弦信号实际频率为1.000 0 kHz、幅值为2.018 V，而采集到的波形频率为0.999 kHz、幅值为 2.012 V，测试误差为0.297%，满足设计要求，验证了测试系统的准确性。另外，图7右下方回读的测试信息与之前设置的参数一致，进一步验证了参数设置功能的正确性。

图7 系统测试波形图

4 弹药静爆试验

将20 kg的某裸装弹药架高1.5 m进行静爆实验，根据测试要求并尽可能保护测试系统，将设计好的2套测试系统分别埋设于在同一直线上距爆心7.5 m、15 m处。根据经验公式，计算的冲击波超压峰值理论值分别为0.148 3 MPa，0.038 8 MPa。设置好合理的参数后，让其均处于定时状态，实验人员安全撤离后按时进行爆破。实验完成后，回读数据。测试系统在7.5 m、15 m处测的冲击波超压峰值为0.139 2 MPa，0.034 3 MPa，接近理论值，实测压力曲线如图8所示。多次实验表明测试系统可靠、稳定。

图8 实测压力曲线

5 结论

针对不同环境下的冲击波压力测试，设计了可配置的FPGA软核，实现对周围硬件电路的控制，完成了瞬态冲击波压力信号的采集。根据不同测试条件，可对软核进行重新配置，实现系统快速设计，提高了电路复用性。测试系统在多次实弹测试实验中得到了应用，其稳定性、可靠性得到了验证，并能有效获取数据。

［1］张志杰，王代华，王文廉，等.具有无线数据传输与控制功能的冲击波超压测试系统［J］.计测技术，2010，30(1):22－25.

［2］王代华，宋林丽，张志杰.存储测试系统的USB接口设计［J］.现代电子技术，2012，11:133 －135.

［3］马铁华，祖静.冲击波超压存储测试技术研究［J］.仪器仪表学报，2004，25(4):134 －136.

［4］赵岩，杜红棉，马铁华.参数可变的无线式冲击波超压测试系统的研究［J］.传感器与微系统，2011，30(5):58－60.

［5］徐文波，田耘.Xilinx FPGA开发使用教程［M］.北京:清华大学出版社，2012.

［6］裴峰，吴健，魏海潮，等.面向存储测试系统的FT245RL数据传输控制器设计［J］.电子测试，2011，8:78－80.