一种可编程高可靠性存储式爆炸冲击波测试系统

朱金瑞，王代华，苏尚恩

(1.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室， 太原 030051; 2.中北大学 电子测试技术国家重点实验室， 太原 030051; 3.北方导航控制技术股份有限公司， 北京 100176)

近些年，在公共安全防护领域，为了对爆炸物和疑似爆炸物进行有效处置，国内外都把研制抗爆性能良好的防爆容器作为一个重要的研究课题。爆炸物产生危害的主要来源是爆炸时产生的冲击波、超压、光波和高速高温飞溅物等，而防爆容器可以对其内部发生的爆炸过程进行有效约束[1]。其中，对冲击波超压的约束能力是衡量防爆容器性能的一项主要技术指标。根据动物试验中损伤程度的不同，把冲击波超压峰值和正压作用时间对人的伤害分为五个等级。各伤亡等级与超压阀值Δp和正压作用时间t的对应关系为：无伤为Δp<9.81 kPa，t>280 ms；轻伤为Δp=9.81～19.61 kPa，t=280～110 ms；中伤为Δp=19.61～39.23 kPa，t=110～90 ms；重伤为Δp=39.23～58.84 kPa，t=90～70 ms；死亡为Δp>58.84 kPa，t=70～50 ms[2]。鉴于此，冲击波测试系统分辨力应达到0.1 kPa以内，而且数据存储必须可靠，对测试系统性能提出更高的要求。

在防爆容器的研制过程中，主要研究方向是轻型化和良好的抗爆性能，对防爆容器抗爆性的现场测试是一个关键环节，而对爆炸点周围自由场冲击波的测试是防爆容器对冲击波约束能力的直接体现。现有冲击波测试系统大多针对军工领域中各类弹药的威力评估设计，存在量程偏大、工作参数固定等不足，不能满足防爆容器性能指标测试中对测试精度和数据存储可靠性的要求[3]。针对上述问题，本文开展了工作参数可编程和存储可靠性控制两项关键技术的研究，提高了系统测试精度和数据存储可靠性。

1 系统组成及原理

系统分模块进行设计，包括信号调理模块、A/D转换模块、FPGA逻辑控制模块、数据存储模块、外部通信模块和电源管理模块。系统工作原理框图如图1。

图1 系统工作原理框图

系统工作流程：试验前，根据炸药当量和测试距离对各测点进行放大倍数、触发电平、采样频率等工作参数的设定；为防止系统误触发，参数设定完成后进入定时阶段；定时结束后系统才进入全速工作状态，在触发信号的作用下开始采集记录有效的冲击波信号，并将有效数据顺序存入Flash存储器中；测试数据通过无线通信方式传送到主控制台，计算机通过USB接口对数据进行读取操作，最后经应用软件对其进行显示处理。

为提高系统适用性，本系统主要从以下两个方面开展技术研究：基于FPGA的工作参数可编程技术；NAND Flash的存储可靠性控制技术。

2 关键技术

2.1 基于FPGA的工作参数可编程技术

存储测试是目前冲击波超压现场测试的主流技术，但现有存储式冲击波测试系统测试量程较为固定，系统灵活性较差，对小信号的分辨力较低，不能充分利用A/D转换器的量程[4]。因此，参数可编程是提高系统适用性的一项关键技术。为了满足对不同频率、带宽和峰值冲击波信号的测试需求，本系统选用Xilinx公司的FPGA芯片作为核心控制器，开展以下可编程技术研究。

2.1.1 增益可编程

对传统的测试系统而言，传感器选定后测试系统的量程随之确定，其信号调理环节放大倍数固定，倍数只能按传感器满量程设置，系统对小信号测试的分辨力降低。本系统在信号调理模块中采用程控放大器，放大倍数可根据测试信号的大小进行编程设置，可编程增益分别为1、2、5、10、20、50和100，由FPGA的程控放大控制模块编程输出相应组合逻辑给G2、G1、G0，可实现放大倍数在1～100倍范围内的7档可编程，充分利用了A/D转换器的有效位数，提高了测试精度。程控放大控制模块如图2所示。

图2 程控放大控制模块

2.1.2 触发策略可编程

触发策略是系统能否采集到有效数据的关键，包括触发方式的选择、触发电平以及预触发长度的设定。本系统利用FPGA编程实现了3种触发方式可选的触发方案设计，即：外触发方式；内触发方式；内外组合触发方式。触发策略控制模块如图3所示。外触发电路可将断线信号转化为多通道输出的同步触发信号，以长线通断作为触发判断逻辑，然后将此逻辑经门电路转换为多路同步输出，各测点同步启动记录，从而获得各测点冲击波的相对时间信息，实现了同步性，也增加了多路驱动能力。

图3 触发策略控制模块

内触发利用冲击波超压信号脉宽和幅值的变化，将循环采样阶段采集到的数据与设定的触发电平通过高速比较器不断进行比较，当其大于触发电平时就会使系统触发[5]。其中触发电平的设定对是否存储记录到有效信号至关重要。系统内触发原理框图如图4。

图4 内触发原理框图

在采用固定触发电平的情况下，触发电平设定过低会增加系统误触发的风险，触发电平设定过高则可能在采集小信号时无法触发，导致测试失败。因此，本系统利用FPGA对触发电平进行编程设置，实现500～1 000 mV范围内的16档可选，保证了系统对不同被测信号测试时触发操作的正确性。内触发方式中，通过设定预触发长度可以对触发时刻之前的部分有效冲击波信号进行保留。本系统利用FPGA编程控制预触发长度，实现0～4 MB范围内的8档可编程，进一步提高了测试系统的适应性。触发电平与预触发长度控制模块如图5所示。

图5 触发电平与预触发长度控制模块

2.1.3 采样策略可编程

自由场冲击波信号是一个典型的瞬态信号，测试系统要具备较高的采样频率。本系统选用Analog Devices公司的12位高速、低功耗、逐次逼近型模数转换器。其工作时序如图6所示。本系统通过FPGA编程设计了一个分频器，在满足转换时间tCONV不超过300 ns时，为ADC提供不同周期长度的转换时钟CONVST#，即可获得不同的采样频率，且可通过管脚FEN(1:0)编程设置，实现500 kHz、1 MHz和2 MHz、3 MHz四种采样频率可选，并且根据CONVST#的输出频率产生相应的RD#信号。在RD#信号的控制下将A/D转换后的数据存入存储器。采集电路控制模块如图7所示。

图6 ADC工作时序

图7 采集电路控制模块

2.2 NAND Flash存储可靠性控制技术

NAND Flash是一种数据掉电不丢的非易失性存储器，其功耗小、体积小、重量轻、抗震能力强、工作温度宽，使用控制也较方便，读操作、编程操作和擦除操作均按照数据手册的流程就可以实现，但是，坏块和使用中出现的差错会严重影响其性能[6-8]。因此，存储可靠性控制技术成为一项关键技术。本系统选用Micron公司的NAND Flash存储器，在存储方案中采用坏块管理技术和ECC校验技术来提高数据存储的可靠性。

2.2.1 坏块管理

NAND Flash坏块包括芯片出厂时已存在并被标记的初始坏块和在使用过程中因某些比特位置无法翻转或翻转错误过多且无法更正的使用坏块[9]。针对以上两种坏块，设计了一种动态坏块管理机制，既能实现对初始坏块的扫描，也能对随机产生的使用坏块进行动态管理。动态坏块管理过程如图8所示。

动态坏块管理的工作流程为：首先对初始坏块进行扫描，建立坏块表。该NAND Flash存储芯片共有211(2 048)块，传统方式建立坏块映射表大小至少为：11(bits)×2 048×2=5.5(kB)，本系统采用二进制“1”表示无效块，二进制“0”表示有效块，简化后映射表的大小为：1(bit)×2 048=0.25(kB)，然后将坏块表存储到FRAM中。由于FRAM较强的非易失性和可接近无限次擦写的特性，其很适合存储坏块信息表[14]。最后对NAND Flash中各块进行扫描，扫描结果转换为“1”或“0”，达到8位之后完成一次组装写入FRAM中，完成对坏块信息的可靠存储与快速检索。此外，针对读操作和编程操作中产生的新的坏块，在NAND Flash的FPGA控制器中设计了一个与NAND Flash页大小相同的缓存区，起到备份作用。以编程操作为例，当页编程失败后，将当前块编号并存入坏块表中，然后将本页前的有效数据存入下一个有效块，同时将错误所在页的数据从缓存区中存入有效块的相同页地址中，最后继续执行后续编程操作。

图8 动态坏块管理流程

2.2.2 ECC校验

NAND Flash擦写次数的增加会降低存储单元的可靠性，存储数据也会因外界环境引入的噪声和读写电路的误差产生差错。本系统设计了一种基于汉明码的错误校验与纠错(Error Checking and Correction，ECC)方案[10-12]。汉明码多为异或操作，占用极少的FPGA资源，运行频率高且容易实现，满足系统对出错概率较小的SLC型NAND Flash的ECC纠错能力的要求。ECC校验的工作流程：在数据进行编程操作过程时，以512字节数据为单位，实时生成与之相对应的3字节的ECC校验码。每页可以存储2 048字节的数据，共生成12字节的原始ECC校验码A，将其存入该页附加的存储空间；在进行读操作时，将本页2 048字节的数据和12字节的ECC校验码读出，并且根据读出的2 048字节的数据以512字节为单位生成新的ECC校验码B；将ECC校验码A和B按位进行异或，根据异或结果判断数据中是否出现了错“位”现象及时进行纠错处理。ECC校验流程框图如图9。

3 验证

本系统已参加了多次现场测试试验，其测试精度和存储可靠性得到了充分验证。图10为某型防爆容器抗爆性能试验的现场布局图。取防爆容器的中轴线到地面的投影为爆心，测试系统布设在以爆心为圆心半径为R的圆周上，每个半径布设3个测点，布设高度分别为0.3 m、1.3 m和1.6 m。图11是其中某半径处各测点在一次爆炸试验后记录的冲击波超压测试曲线。根据被测信号特征，增益设为8倍，触发方式选择内触发，触发电平500 mV，预触发长度1 MB，采样频率2 MHz。表1给出了某半径处两次不同炸药当量测试数据的处理结果。从结果可以看出，系统测试分辨力达到了0.1 kPa，超压值最大为 0.020 7 MPa，这充分体现了系统对小信号的测试能力，系统具备较高的测试精度。系统已经过多次使用，测试数据存储准确，验证了系统数据存储的可靠性。

图9 ECC校验流程框图

表1 某型防爆容器抗爆性两次试验测试结果

图10 某型防爆容器现场布局

图11 某型防爆容器抗爆性试验中冲击波超压测试曲线

4 结论

与传统的存储式测试系统相比，本系统具有测试精度高，测量范围大，数据存储可靠性高等优点。系统的多项工作参数可编程设置，满足对不同被测对象的测试需求；存储可靠性控制技术的应用，使测试数据存储更可靠。系统测试分辨力达到0.1 kPa，超压测试范围可调至10 kPa左右，在多次使用过程中数据读取操作准确无误。本系统在防爆器材抗爆性试验中具有很好的适用性，可对小信号精确测试，本系统同样适用于各种弹药在自由空间的爆炸冲击波测试。