基于阈值标定法快速提取数据的采集存储器设计

刘海龙

(青岛杰瑞自动化有限公司,山东 青岛 266000)

0 引言

炮弹发射出炮膛时间短暂,过程复杂度高。对炮弹膛内运动行程、冲击过载和速度等参数测量,可为评价武器系统寿命、可靠性及安全性提供有价值的数据支持。传统的测量主要依赖炮弹打靶测试试验获取炮弹过载数据、动态特性及弹道发射规律等[1-2]。飞行姿态、加速度、旋转角和过载等大量数据须存储。采集存储数据及快速提取出所需的关键数据,是解决弹道数据提取最基础的问题[3]。传统的采集存储器在发射前开启设备,再进行试验准备,如弹药填充、方位角、射角调整和射向调整等[4-5]。基于火炮自身特性,发射准备时间较长,发射及准备时间无法准确判断,采集存储器不可避免地采集存储大量与试验无关的数据,而数据分析人员通常只需要出炮膛前到靶标后极短时间内的关键数据。通过炮弹打靶试验,采集并存储炮弹出膛数据,采用阈值标定法对关键数据快速提取,在对比试验数据中验证该方法的可靠性。

1 采集存储器总体设计

采集存储模块主要由调理变换板卡和采集存储板卡构成,完成信号的调理变换、模数转换、数据采集存储等功能。

调理变换板卡经过传感器信号进行隔离、放大和滤波,将传感器微弱信号转换到ADC输入范围内且不影响信号质量,提高信噪比、灵敏度和测量精度。信号调理模块对模拟信号进行放大、偏置等处理后,采用多通道模拟开关进行多路信号切换,将模拟开关的输出信号送到A/D转换模块,主控单元对A/D转换模块输出的数字信号进行编辑处理后缓存,把数据写入抗高过载存储模块,存储器由电池供电。

采集存储板卡主要是对数据的采集、存储及试验后读取,整体设计以FPGA为核心器件,主要完成采集存储器的读取、写入、擦除和提取等数据分析步骤。

采集存储板卡前端采用两片16路模拟开关,通过编程控制模拟开关选通信号通道。模拟开关输出信号给ADC模数转换器,ADC输出数字信号给存储阵列进行数据存储。其中,512 GB存储阵列由16片32 GB容量的FLASH芯片搭建而成,384 GB存储阵列由12片32 GB容量的FLASH芯片搭建而成,320 GB存储阵列由10片32 GB容量的FLASH芯片搭建而成。采集存储板卡结构如图1所示。

图1 采集存储板卡结构

2 系统工作流程设计

采集存储器开始启动后,系统进入自检模式,功能自检后等待数据上传,FPGA控制单元发送指令控制整个系统正常工作,同时接收数据并存储,采集存储器使用后回收,在读取模式下,利用上位机数据提取,完成数据的采集、存储及读取功能。系统的工作流程如图2所示。

图2 系统工作流程

3 阈值标定法的提出及实现

为实现快速提取关键数据,节省数据读取时间,提高数据处理分析效率,本文提出“阈值标定法”,采集存储器设计时,先预估试验过程中出炮膛时刻的最大加速度值,并将该值的1/3设为“关键数据阈值”;将实际试验中第一个“关键数据阈值”出现的时刻称为“关键数据零时”。关键数据持续时间在毫秒级别,因此以“关键数据零时”为时间基准,取其前后1 s的数据足以对整个试验过程形成完整包络。

“阈值标定法”主要是在嵌入式代码中通过相应算法实现,“关键数据阈值”作为算法的输入X,模数转换模块的实时转换数据作为输入Y(采集存储器需要存储的数据)。该方法的核心之一在于采集存储器进入采集存储模式时,模数转换模块实时转换数据之后,通过构造的比较器内核比较X、Y;当首次Y>X时,记录此时Y数据在FLASH存储单元的地址,由于Y数据在FLASH存储单元中采用连续写入的存储方式,因此该存储地址可转换为存储相对时间,即可得到“关键数据零时”;将此“关键数据零时”写入FLASH存储单元中特定位置以防信息掉电丢失,该特定地址通常设置为FLASH存储单元中第一块的第一页位置,称为“零时存储地址”;“关键数据零时”信息记录完毕后,转换数据Y继续之前位置进行连续存储,直至存储过程结束。流程如图3所示。

图3 采集存储模式中“阈值标定法”流程

试验结束快速提取关键数据时,采集存储器首先访问“零时存储地址”,从该地址中读取“关键数据零时”相关信息;根据“关键数据零时”分别计算前后1 s的数据存储地址,读取FLASH存储单元中对应地址的数据(关键数据),实现对关键数据的快速提取。流程如图4所示。

图4 数据读取模式中“阈值标定法”流程

4 阈值标定法在关键数据快速提取中的应用

炮弹搭载采集存储器试验,存储器采集到的数据如图5所示,出炮膛时刻最大加速度值为10 000 g(假设该值为预估值),则“关键数据阈值”为3 300 g,“关键数据零时”为40 314 ms,整个试验过程出炮膛到靶标时间不超过100 ms。使用阈值标定法后,数据采集读取区域即为a-b段数据,大大缩短数据读取时间,提高分析数据的效率。

图5 炮弹整体过载

5 结语

通常情况下,由于采集存储信号通道多、信号采样频率高,产品的性能主要受到存储模块的存储速度影响。存储器在数据缓存模块上使用大容量FIFO缓冲数据提高通信效率。在存储模块上,对FLASH存储芯片采用双平面交叉编程,实现了大容量数据的高速存储。使用阈值标定法对关键数据提取,节省了后期数据处理分析时间,大大提高试验及数据分析的效率。