压力测试中多次触发连续存储技术的研究∗

轩春青，轩志伟，赖富文

(1.郑州商学院信息与机电工程学院，河南巩义451200；2.中北大学电子测试技术国防重点实验室，太原030051；3.郑州威科姆科技股份有限公司，郑州450001；4.中国白城兵器实验中心，吉林 白城137001)

爆炸过程所产生的冲击波压力场的大小是评估武器威力和性能的一项重要指标[1-3]；受测试手段限制，目前仅能对冲击波场中若干关键点的压力值进行测试，对冲击波场进行重构进而评估毁伤效果，试验研制成本很高，准确可靠的获取数据显得极为重要[4]。当前国内外冲击波压力场信号测试方法主要有:引线电测法和存储测试法[5-7]。其中引线电测法可随时监测测试节点状态和更改参数，易于数据回收；但布线繁琐，易引入干扰。存储测试技术将传感器与采集存储模块作为一体布设到测试场内，采用压力触发方式获取冲击波信号，实现多点测试[8-9]；但测试节点布设完毕后无法监测其工作状态，参数更改不便、灵活性差；预设压力触发方式易受环境影响误触发采集不到有效数据；数据回收需要读取每个节点数据，效率较低[10-12]。

本文介绍一种基于多次触发连续存储技术的无线分布式测试系统，将多次触发连续存储技术与无线技术结合到一起，当测试节点误触发采集过程未结束而真实信号到来时，使测试节点摆脱传统的单次触发固定采集时长的局限性，实现真实信号的完整的采集，提高了测试的可靠性。采用WiFi技术实现控制中心与测试节点之间的数据交互，实现测试节点集中管理和状态监测，数据传输过程采用编帧方式，确保传输的可靠性；装置采用PCB贴片天线，减少对冲击波信号的干扰，提高测试的准确性。

1 多次触发连续存储技术

早期测试中因开始测试时间不定、等待时间较长且存储器容量有限，为获取完整的冲击波信号，采用负延时加预设压力值触发的方式，合理的利用存储容量，但是存在误触发问题，采集不到真实信号；后期的多存少取技术采用连续触发方式对数据进行记录；通过大容量的数据存储来增加有效信号记录时间，虽然降低外界干扰对系统的影响，提高了存储测试的可靠性[1]；当系统被误触发后，在该采集周期内，若冲击波信号到来，系统将无法采集到完整的压力信号。

多次触发连续存储技术是在延时触发与多存少取的基础上根据压力冲击波信号上升沿陡峭、持续时间短的特点，针对性的制定触发策略，在确保采集到真正信号的前提下减少误触发。采用信号触发识别控制技术，通过对触发后采集到的数据进行比较识别，判断是否为再次触发，从而调整存储长度，达到获取完整信号的效果，工作原理如图1所示。

图1 多次触发存储原理框图

ADC变换器将模拟信号转换成数字信号(测试数据)，数据被顺序存储到缓冲区中，控制器同时将数据与设定阈值相比较，如果识别到多个连续超出阈值、各点之间递进增大且突变较大的信号，则认为是有效数据，停止缓冲区循环记录，并标记缓冲区数据位置，将后续数据依次存入到存储器中。在数据存储过程中，控制器将获取的压力信号输入电压比较器与预设参考电压比较。控制器对电压比较器输出进行检测，若发现较长时间的高电平输出，则认为是再次触发，将在目前记录时长的基础上，增加存储记录时间。因压力信号上升迅速，持续时间较短，适当的设置负延时可以避免单个信号带来的重复触发。使用电压比较器识别再次触发减少对数据存储过程的影响；控制器仅对电压比较器的输出进行识别，以判断是否增加存储时间，通过增加硬件资源，提高系统效率与响应速度。

图2是多次触发连续存储系统的工作流程与时间关系图，系统上电后，进入采集模式，将采集到的数据顺序存入缓冲区中，并根据触发控制条件判断是否为有效数据，而后进行顺序存储，有效数据记录时长为T0。如果在该采集周期的Ti时刻识别到第二次触发，那么系统有效记录时长为T0＋Ti；如果在采集结束之前识别到N个触发，第N次触发时有效记录时长记为Tj，那么系统有效记录时间为T0＋Tj。系统总的记录时长受存储器容Mt量和采样速率Fs限制，即 Ta＝Mt/Fs；如果 Ta大于 T0＋Tj，则可以保证获取完整的冲击波压力信号。

图2 多次触发连续存储系统的工作流程与时间关系图

2 测试节点的设计

结合冲击波压力信号的特点，根据多次触发连续存储的思想，对测试节点进行设计，采用PCB公司的ICP传感器。该传感器需要2 mA～20 mA恒流源供电，20 V～30 V左右激励电压下正常工作，输出信号中带有8 V～14 V的偏置电压；系统中电路设计带宽为0.1 Hz～250 kHz，信号采样频率1 MHz，分辨率12 bit。测试节点主要由信号调理电路，存储控制电路及无线通信电路组成；系统采用单电源供电，其中信号调理电路主要结合传感器的特点，给传感器提供激励电压(24 V)、恒流源(4 mA)等，并对输出的信号进行调理滤除输出偏置电压，放大后输入抗混叠滤波器；因冲击波压力信号存在负压区域(幅值较小)而所用ADC转换器输入电压范围为0～5 V，为保证信号完整性，对放大滤波后的信号添加1.25 V偏置电压。信号经过调理后，接入存储控制板进行模数转换和存储控制。存储控制板采用FPGA作为主控制器，用于完成压力信号的采集转换、负延时控制、触发电平选择、触发识别、存储器读写控制及通信传输等各项功能，各个功能模块相互独立，系统实时性强。测试节点系统架构如图3所示。

图3 测试节点结构框图

3 数据回收设计

系统设计时采用USB接口与无线通信相结合的方式，以无线通信为主。在测试节点中采用具有IEEE 802.11b/g传输协议WiFi模块，在FPGA的控制下完成与外界的数据交互[10]。各个测试节点通过无线AP(无线接入点)与控制中心组建成一个局域网；采用C/S架构，使用socket连接进行通信。控制中心可通过网络对测试节点状态的状态进行实时监控；数据传输速率高，最大可达54 Mbyte/s，数据回收方便，适合大数据量的回收；在无线故障或禁止使用无线的场景，可通过USB接口设置系统参数，完成数据回收，增强系统可靠性。

为避免无线信号较差传输中断而造成的数据丢失，在使用TCP连接的基础上对数据进行分包处理，并增加校验位。测试节点在回传数据前对数据进行分包编帧处理，增加帧号、数据长度和校验位等。控制中心收到数据后根据帧头、数据长度和校验位等对收到的数据进行解析确认，无误后根据帧号对数据进行提取重组。若收到数据不完整或者丢失，则请求测试节点重新发送相关帧号的数据。

4 系统功能验证

为验证系统的可用性，利用该测试系统采集模拟压力信号。通过控制中心对测试节点进行参数设置，进入待触发状态，模拟产生多次压力信号完成触发采集；采集完成后重新设置单次采集的存储长度，累计对系统进行5次采集操作；每次采集过程中累计触发次数分别为4次、3次、5次、4次与3次。使用无线对获取的数据进行读取并显示，测试结果如图4所示，其中图5为第一次采集连续触发信号的放大图。从图中可知系统完整记录5次采集操作所产生的波形，每次采集的数据中所触发的次数与实际操作一致；且采集过程中能够识别到再触发而延长存储时间，如图所示。将无线回收的数据与USB读取数据进行比对，二者完全一致，无数据丢失。结果表明，设备能够实现多次触发连续采集的功能，能在单次触发过程中识别到再次触发，扩展存储深度，保证采集到完整的数据。

图4 五次采集过程数据图

图5 单次采集多次触发过程放大图

5 结论

针对冲击波压力测试提出了一种多次触发连续存储的技术，用于解决存储测试系统在误触发过程中压力信号到来而无法采集到完整信号的问题。针对冲击波信号特点，使用FPGA＋电压比较器并配合软件程序完成信号采集过程中再触发的识别，与参考文献[1]相比通过采用再触发识别技术提高了系统获取有效数据的概率。采用WiFi通信技术，对测试节点进行组网管理，前端覆盖范围可达200 m，提高了系统的灵活性，解决大量数据回收不便的问题，并针对无线不稳定造成数据丢失制定相关策略，保证数据回收的完整性。研制了测试系统工程样机，并通过相关试验验证系统功能的可靠性与稳定性；在误触发的情况下可成功获取现场的压力信号，具有实际应用价值，可以在相关应用中推广使用。