基于Flash的侵彻关键信号分区存储方法

任勇峰，周 涛，李辉景，刘占峰，王 闯

（1.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；2.电子测试技术重点实验室，山西太原030051）

基于Flash的侵彻关键信号分区存储方法

任勇峰1，2，周 涛1，2，李辉景1，2，刘占峰1，2，王 闯1，2

（1.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；2.电子测试技术重点实验室，山西太原030051）

针对弹体侵彻硬目标过程中，关键信号获取存储难度大，有效数据易丢失、被覆盖的问题，提出了基于Flash的侵彻关键信号分区存储方法。该方法将Flash存储单元逻辑上分为两区，通过判断弹体是否侵彻目标掉电，从而跳区将侵彻关键有效数据捕获并锁存至单次记录的第二区。实验表明，该分区存储方法获取关键信号准确可靠，记录数据完整度高，具有很好的应用价值。

Flash；侵彻；存储测试

0 引言

随着战略目标防御能力的增强，对硬目标侵彻武器打击能力的要求也相应提高，为了最大程度上对目标进行摧毁，需要获取弹体侵彻过程中的装置引爆、火工品引爆以及引信状态等关键信号，以此计算和验证最佳破坏的爆炸时机［1］。目前的弹载存储测试技术，在高冲击、强振动、高温高压的恶劣条件下，瞬时获取和存储侵彻信号有一定难度，且面临侵彻目标掉电数据易丢失、被覆盖等风险［2］。本文针对此问题，提出了基于Flash闪存的侵彻关键信号分区存储方法。

1 信号存储器

1.1 信号存储器特征

信号存储器采用Xilinx公司的Spartan-II系列现场可编程逻辑门阵列（FPGA）作为主控核心，Micron公司的NAND Flash作为存储芯片，主要完成系统的掉电续电、信号的调理与采集以及数据的双备份存储，具体组成框图如图1所示。

FPGA具有时钟频率高、内部延时小、速度快、效率高以及逻辑资源丰富等特点，是很好的逻辑控制器件选择方案［3］。

NAND Flash体积小、成本低、存储密度高，且具有大容量、非易失、可擦除与重复性编程等优点，非常适合数据存储［4］。有以下特点：

1）每块Flash芯片在出厂时都会有一定比例的坏块存在，在操作之前，需要对Flash进行无效块检测。

2）Flash内部操作一般以块擦除、页编程和页读的方式进行。

图1 信号存储器组成框图Fig.1 Schematic diagram of signal storage system

1.2 掉电续电解决办法

弹体发射和飞行过程中信号存储器通过弹上电源供电，侵彻硬目标时会承受超高冲击和过载，导致弹上电源解体断电［5］。因此，信号存储器首先要解决掉电续电问题，才能为后续的存储工作提供可行性保障。

图2为信号存储器掉电续电硬件电路，主要由电源引入、分压采集、使能控制和主电源芯片组成。MIC29151电源芯片负责转出信号存储器所需的5 V电源VCC。

图2 掉电续电模块电路Fig.2 Circuit of electric relay module

二极管两端压降大的先导通，所以正常情况下，信号存储器是从12 V弹上电源取电，弹上掉电后，才转为内部锂电池组续电，工作流程如图3所示。

整个过程中，FPGA实时监测12 V弹上电源电压，并将弹上12 V掉电作为侵彻硬目标开始的判据，及时对侵彻关键信号采集和存储。

图3 掉电续电工作流程图Fig.3 Flowchart of electric relay work

2 分区存储方法

2.1 存储分析

信号存储器旨在获取和存储侵彻过程中的关键信号，而发射、飞行过程中的大量信号数据不必存储记录。因此，通过分区存储方法将Flash存储单元逻辑上分为两区，在第一区采用边擦边写、循环记录的方式存储弹体发射、飞行过程中采集的信号数据；弹体侵彻目标瞬间再跳至第二区进行单次记录存储侵彻过程中的关键信号，避免了数据的覆盖和丢失。

2.2 分区存储的实现

信号存储器中NAND Flash存储芯片采用的是Micron的MT29F16G08ABABA，包含1个逻辑单元（LUN），存储容量2 GB，内部有两个平面共4 096块，每块有128页，每页4 096个字节。

在对Flash操作之前，需要进行无效块检测。通过检查各块第一页的第4 096字节的数据是否为“00H”来判定无效块，从而生成无效块列表，并存放于FPGA内部的双口只读内存（ROM）中，无效块检测流程如图4所示。

图4 无效块检测流程图Fig.4 Flowchart of invalid block check

需要注意的是，为了方便块地址比较，避免进入检测死循环，设计中将第4 096块也认为是无效块，并将该块地址也并入无效块列表。之后，只要系统不断电，Flash的擦除、读、写操作都按照该列表操作，不再进行无效块检测。

将块地址为0～4 095共4 096个块的Flash芯片分为两区，块地址0～2 047为第一区，2 048～4 095为第二区，每区容量1 GB，分区示意如图5所示。信号存储器上电后，采集的信号数据在第一区按块依次边擦边写、循环记录，一旦侵彻目标掉电，则中断第一区的写入，跳至第二区从第2 048块开始边擦边写、单次记录，实现侵彻关键信号的获取与锁定存储。

信号存储器需要采集的关键信号共5路，每路信号采样率250 k Hz，总采样率为1.25 MHz，采用8位的A/D转换器，则采集数据生成率为：

由此可得，在第一区（循环记录区）和第二区（单次记录区）数据不发生覆盖的前提下，两区分别可记录时长为：

弹体高速侵彻过程时间极短约几百微秒到几十毫秒，弹体型号、飞行速度和击中硬目标不同，侵彻时间有所不同［1，5］，但819.2 s的第二区记录时长足以满足侵彻关键信号的存储要求。考虑到掉电续电后锂电池组的供电能力，防止有效数据被覆盖或丢失，在满足存储要求的情况下，FPGA内部增加了22 s的计时器，侵彻跳至第二区采集存储22 s信号数据后，拉低主电源芯片使能，使信号存储器关机停止记录。分区存储逻辑控制流程如图6所示。

图5 Flash分区示意图Fig.5 Schematic diagram of Flash partition

图6 分区存储流程图Fig.6 Flowchart of partition storage

Flash内部检测无效块后，按块擦除，并按页执行编程写入。如果当前块为有效块，且未监测到弹上掉电，则对该块执行边擦边写，直至写完第2047块，若此时弹上仍未掉电，则再跳回第1块执行循环记录。整个过程中，一旦监测到弹上掉电，不管在第一区写到第几块，均跳至第二区从第2048块开始执行边擦边写，直至22 s计时器满关机。

3 模拟实验结果

为了模拟弹体侵彻硬目标造成弹上电源掉电，验证该分区存储方法能在弹上12 V掉电后转为锂电池组续电，通过判断弹上掉电跳至第二区获取存储侵彻掉电时刻之后的关键信号，记录22 s数据后关机的可靠有效性。实验平台采用12 V直流电源输入，采集4路设定宽度分别为10 ms、50 ms、100 ms、150 ms的瞬态脉冲信号和该12 V电源信号，信号存储器开始上电记录一段时间后，突然断开12 V电源，之后通过上位机读回数据绘图分析，结果如图7所示。

图7 模拟关键信号绘制波形图Fig.7 Waveform of simulated key signal

图7显示的是模拟侵彻目标弹上12 V掉电后，第二区数据的绘制波形。可以看出，在第3 s时刻左右直流电源D12 V断电，之后信号存储器续电成功，工作到第25 s时刻后关机停止记录。获取和存储的22 s关键信号完整不丢失，4路瞬态脉冲信号测试结果与原始信号吻合一致。

实验证明，该分区存储方法能有效及时的获取侵彻关键信号，跳存至第二区防止数据丢失和覆盖。

4 结论

本文提出了基于Flash的侵彻关键信号分区存储方法。该方法将Flash存储单元逻辑上分为两区，通过判断弹体是否侵彻目标掉电，从而跳区将侵彻关键有效数据捕获并锁存至单次记录的第二区。实验表明，该分区存储方法获取关键信号准确可靠，记录数据完整。目前，该存储方法已成功用于实弹发射试验，具有较高的可靠性，对其他存储设计也有一定参考价值。

［1］董力科.多层侵彻过载信号获取技术研究［D］.太原：中北大学，2013.

［2］王永芳，范锦彪，王燕.基于可编程逻辑器件的弹载存储测试仪［J］.探测与控制学报，2012，34（5）：55-58.

［3］刘东海，任勇峰，储成君.基于FPGA控制的NAND Flash存储设计［J］.科学技术与工程，2013，13（34）：10349-10353.

［4］李鑫旺，张丕状.基于非易失存储器的数据存储于管理方法［J］.探测与控制学报，2010，32（1）：84-87.

［5］刘海涛.弹体斜侵彻混凝土靶过程中动态参数测试技术研究［D］.太原：中北大学，2011.

Penetration Signal Storing Based on Flash Partition Storage

REN Yongfeng1，2，ZHOU Tao1，2，LI Huiiing1，2，LIU Zhanfeng1，2，WANG Chuang1，2
（1.The Ministry of Education Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In the process of hard targets penetration，the key signal is hard to be captured and stored，the valid datais liable to be lost and covered.A key penetration signal partition storage method based on Flash was proposed in this paper.This method logically divided the flash memory into two areas.It would iump to the second area to captureand storage key penetration valid data by single record if missile penetration target power was down.Tests showed that this partition storage method was accurate and reliable on capturing key signal with high recording data integrity.

flash；penetration；storage measurement

TP274

A

1008-1194（2015）05-0106-04

2015-03-09

任勇峰（1968—），男，山西中阳人，教授，博士生导师，研究方向：微电路系统、电路系统检测与诊断技术。E-mail：zhoutaoo728@diyun.com。