基于存储测试的冲击波特征参数快速评估技术.pdf

现代电子技术Modern Electronics TechniqueSep.2023Vol.46 No.182023年9月15日第46卷第18期0 引 言在各类战斗部毁伤测试试验中，冲击波的特征参数是衡量毁伤效应的重要指标1。冲击波存储测试法是国内外冲击波测试的一种重要手段，该方法将传感器、数据采集和数据存储集于一体，在试验结束后进行系统回收与数据读取23。然而，试验现场往往需要在有限时间内得到一个测试结果的初值，以便对后续试验的开展进行指导，但现有的冲击波存储测试系统采用的系统回收方式难以快速得到测试数据，也无法远程监测系统状态，严重影响测试效率47。针对以上问题，本文提出一种基于存储测试的冲击波特征参数快速评估技术。通过FPGA对A/D采集的数据分别进行数据处理和数据存储，数据处理得出的超压峰值和正压作用时间的相关值存储在 E2PROM 中，测试数据存储在 FLASH 中；最后上位机通过网桥实现远程通信，借助 WiFi模块先读出DOI：10.16652/j.issn.1004373x.2023.18.008引用格式：薛瑞华，王代华，李彤华，等.基于存储测试的冲击波特征参数快速评估技术J.现代电子技术，2023，46（18）：4346.基于存储测试的冲击波特征参数快速评估技术薛瑞华1，2，王代华1，2，李彤华3，宋 斌3，刘 彬1，2，杨晓辉4（1.中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051；2.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；3.中国人民解放军63867部队，吉林 白城 137001；4.晋西工业集团有限责任公司，山西 太原 030027）摘 要：为了在毁伤测试试验中快速得到冲击波特征参数，为后续试验提供数据支撑，文中提出一种基于存储测试的冲击波特征参数快速评估技术。快速评估需满足两个条件：硬件数据处理与远程系统监测。硬件数据处理通过FPGA算法实现，监测ADC采样数据，实时快速地分析数据特征，满足冲击波特征后及时提取特征参数。远程系统监测使用WiFi通信技术，通过架设网桥与AP实现远距离通信。将所提出的冲击波特征参数快速评估技术应用于冲击波存储测试系统，现场试验结果表明，该技术能够实现对冲击波特征参数的远程快速评估，并提高毁伤试验的测试效率，可为冲击波存储测试系统的推广应用提供新的思路。关键词：冲击波；特征参数；快速评估；毁伤试验；存储测试；FPGA；WiFi通信中图分类号：TN915.0534；TJ410.6 文献标识码：A 文章编号：1004373X（2023）18004304Stored testing based rapid evaluation technology for shockwave characteristic parameters XUE Ruihua1,2,WANG Daihua1,2,LI Tonghua3,SONG Bin3,LIU Bin1,2,YANG Xiaohui4(1.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology,North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Key Laboratory of Instrumentation Science&Dynamic Measurement,Ministry of Education,North University of China,Taiyuan 030051,China;3.Unit 63867 of PLA,Baicheng 137001,China;4.Jinxi Industrial Group Co.,Ltd.,Taiyuan 030027,China)Abstract：In order to quickly obtain the shockwave characteristic parameters of damage test and provide data support for subsequent tests,a stored testing based rapid evaluation technique for shockwave characteristic parameters is proposed.The rapid evaluation technique requires two conditions:hardware data processing and remote system monitoring.Hardware data processing is implemented by means of FPGA algorithm,which can monitor ADC sampled data,analyze data features in real time,and extract feature parameters immediately after meeting shockwave characteristics.In the remote system monitoring,WiFi communication technology is used to achieve longdistance communication by setting up network bridges and AP.The proposed rapid evaluation technique for shockwave characteristic parameters is applied to the shockwave stored testing system.The field testing results show that this technology can realize the rapid evaluation of shockwave characteristic parameters remotely,improve the efficiency of shockwave testing,and provide a new idea for the popularization and application of the shockwave stored testing system.Keywords：shockwave;characteristic parameter;rapid assessment;damage test;stored testing;FPGA;WiFi communication收稿日期：20230128 修回日期：202302244343现代电子技术2023年第46卷冲击波特征相关参数，再读出测试数据，实现对冲击波特征参数的快速评估。1 冲击波信号特征与快速评估总体方案爆炸产物的迅速膨胀，使得周围空气介质强烈压缩，形成初始冲击波8。冲击波超压信号上升时间一般在几十微秒内，正压作用时间一般在几毫秒至上百毫秒内9，这也是快速识别冲击波、提取超压峰值的依据。冲击波特征参数快速评估需在信号采集阶段，根据冲击波信号特征对冲击波信号进行识别，找到冲击波信号正压段的起始点、结束点与峰值点，将相关值进行存储；试验结束后通过 WiFi通信将特征参数相关值回传给上位机。冲击波特征参数快速评估总体设计框图如图1所示。图1 冲击波特征参数快速评估总体设计框图2 快速评估技术实现2.1 冲击波超压峰值计算冲击波超压峰值 P 与系统数据采集得到的电压峰值Pm、基线Pb、系统灵敏度S的关系如下：P=(Pm-Pb)S（1）冲击波信号能量主要集中在低频部分，噪声集中在高频部分，信号采集不可避免引入高频噪声，需根据冲击波信号特征及传感器特性选取有效工作带宽，保证采集的电压峰值Pm的准确度。基线电压Pb如果采用电阻分压确定，受温度影响，电阻阻值会有一定变化，使得每次试验基线都有一定偏差。可通过对 ADC的采样结果与设定基线的比较控制数字电位器的输出，实现基线调零，基线调零流程如图2所示。将系统灵敏度与设定基线值预先输入到上位机，在试验结束后仅需向上位机传输电压峰值 Pm的值，最后由上位机进行超压峰值计算，降低FPGA资源的消耗。2.2 冲击波正压作用时间计算冲击波正压作用时间t与数据采集得到的正压作用点数n、系统采样频率f的关系如下：t=1fn（2）图2 基线调零流程采样频率的选择需要综合考虑模数转换器和存储器的性能。模数转换器件选用 ADI公司的 14位逐次逼近型 ADC，最大采样率能达到 3 MSPS。存储器选用Micron公司的8位NAND FLASH存储器，每个块有128页，每个页可存储 8 192 B。将 ADC 采集数据通过高位补0，拆分为高 8 位和低 8 位存入 FIFO 中，当 FIFO 中数据量大于8 192 B时存入FLASH中。FLASH存储流程为：寻找有效块（时间 tR为 38 s），擦除有效块（时间 tB为1.5 ms），页编程（时间tP为560 s）。以系统时钟100 MHz计算，从 FIFO 读 8 192 B 时间为 81 920 ns，取 9倍读取周期时间用于将数据写入 FLASH 缓存区和其他操作，以此方式计算A/D采样速率为：vs=128 8 192 2tR+tB+128tP+128 10 8 192=2.95 MB s（3）选择 A/D 采样率为 2 MSPS，仅需向上位机传输正压作用点数，由上位机计算正压作用时间。2.3 冲击波特征参数提取FPGA在对 ADC采样数据进行存储操作的同时，也对 ADC 采样数据进行监测。当冲击波来临时，会有持续毫秒级的正压作用时间，通过不断对采样数值与基线进行比较，找出冲击波信号的来临点，并且通过计数器进行计数，直到正压结束，将计数值存储在E2PROM中。在提取正压作用时间的同时，对正压区进行数据遍历，提取峰值，将结果存储在E2PROM中。特征参数提取流程如图3所示。特征参数提取的关键在于寻找冲击波信号的来临点。通过对采样数据上升时间与正压作用时间的分析，同时满足冲击波波形特征后确定为冲击波信号来临点，进行特征参数提取。毁伤测试试验中测试点处的压力值随着冲击波到来呈现先正压后负压的过程。每次对采样值与基线值进行比较，大于基线值的点作为疑似44第18期点，寻找到第一个疑似点后，开始计数，并且对后续采样点进行判断，大于基线计数值不清零；小于等于基线，通过计数值判断正压作用时间是否为毫秒级。在对正压作用时间判断的同时进行上升时间的判断，对疑似点后大于基线的值进行计数，直至找到第一个峰值点，通过计数值判断上升时间是否为微秒级。图3 特征参数提取流程通过不断迭代对冲击波信号进行判断，将冲击波来临疑似点替换为确定点的过程也是确定正压作用点数与采样峰值的过程。寻找冲击波来临点的流程如图 4所示。图4 寻找冲击波来临点流程2.4 远程系统监测传统的存储测试需要在单次试验结束后进行数据读取，快速评估要求试验结束后能快速得到超压峰值与正压作用时间，因此需要无线通信技术进行远程系统监测。WiFi技术具有数据传输速度快、可拓展、可靠性好的特点，能很好地适用于冲击波测试10。上位机与WiFi模块通过 AP 与网桥进行无线通信，WiFi模块与 FPGA通过串口进行通信。AP和网桥作为无线网络接入点与冲击波测试节点，组成无线局域网络1112。上位机在快速评估中的具体任务如下：1）参数设置，如特征相关参数输入；2）系统管理，包括特征相关参数与测试数据的读取，以及在数据读取完成后对系统进行复位，使系统进入新的待触发模式；3）数据处理，实现对特征参数计算。由于测试试验现场环境的复杂性会导致无线信道衰弱的不确定性，故WiFi模块开启流控功能，避免因网络延时问题造成 WiFi 模块与 FPGA 通信时的数据阻塞12。由于 WiFi模块射频功率大、功耗高，必须进行电源管理13。每次系统参数配置完成后，在上位机下发无线模块休眠指令，无线模块断电；在系统触发后对无线模块进行上电，实现低功耗管理。为了保证系统在爆炸场中的生存性，并保证远距离的正常通信，将冲击波测试装置置于地表以下，通过引线将胶棒天线防护于掩体之后，天线尽量架高以增加测试系统与 AP之间的无线传输距离，最后通过网桥实现远程无线通信，进而实现远程系统监测。3 快速评估试验验证为了对冲击波特征参数快速评估技术进行验证，进行外场毁伤测试试验。距离爆心 20 m 布置冲击波测点，对冲击波存储系统与天线进行防护，距离爆心100 m 布置 AP 与网桥，在测试场 3 km 外布设远程控制端。测试装置如图5所示。近场AP与网桥如图6所示。远程控制端如图7所示。试验前，进行远程通信调试，确保通信正常。将基线确定为 500 mV，1倍增益下计算系统灵敏度，输入上位机软件中。参数设置完成后将 WiFi模块下电，系统进入待触发模式。试验结束后，在远程控制端通过上位机快速读取特征参数供现场评估使用，随后在空闲时间内读取冲击波超压的全部测试数据。图 8为试验后上位机读取特征参数的界面，图 9为滤波后冲击波超压波形曲线。薛瑞华，等：基于存储测试的冲击波特征参数快速评估技术45现代电子技术2023年第46卷图5 测试装置 图6 近场AP与网桥 图7 远程控制端 图8 特征参数提取界面通过快速评估得出冲击波超压峰值为0.12 MPa，正压作用时间为 22.22 ms；滤波后冲击波超压峰值为0.094 MPa，正压作用时间为 22.10 ms，有一定误差。误差原因为试验后原始数据需要进行数据处理，需选择合适的滤波截止频率，滤除噪声。而快速评估算法考虑到爆炸场中冲击波信号的不确定性，为了冲击波信号的完整性，并没有通过算法进行滤波处理。图9 超压波形测试曲线4 结 语本文在存储测试的基础上，由 FPGA算法分析冲击波信号特征，实现对冲击波特征参数的提取；由WiFi技术通过 AP与网桥实现远程系统监测，最终实现快速评估的目标。经过外场试验，所提方法能在测试现场快速提供特征参数的估值，完成对测试结果的快速评估工作，为后续试验提供数据参考，极大地提高了测试效率，优化了冲击波存储测试方案，有良好的工程应用价值。注：本文通讯作者为王代华。参考文献1 杜红棉，祖静.无线冲击波超压测试系统研究J.火力与指挥控制，2012，37（1）：198200.2 王代华，范少波，朱金瑞，等.存储式冲击波测试系统的多参数程控技术J.传感技术学报，2019，32（3）：380384.3 郭晋，王代华，刘彬，等.基于千兆以太网的多通道冲击波超压系统设计J.现代电子技术，2022，45（10）：3135.4 范少波，王代华，赵志国，等.一种多重触发式炮口冲击波存储测试系统设计J.兵器装备工程学报，2020，41（4）：4651.5 张晋文，王文廉，黄晓敏，等.基于时间提取的冲击波超压测试系统设计J.测控技术，2015，34（4）：4750.6 翟永，翟涛，王代华，等.冲击波超压无线存储测试系统研究J.传感技术学报，2015，28（12）：18931898.7 王文廉.同时测速测压的存储式冲击波测试系统研究D.太原：华北工学院，2004.8 陆军伟，汪泉，李志敏，等.环境压力对自由场冲击波传播影响的数值模拟J.工程爆破，2021，27（2）：5157.9 李建昌，门丽娟，雍顺宁.战斗部室内动爆冲击波超压测试数据处理方法J.测试技术学报，2014，28（1）：4448.10 穆欣荣，张志杰，杨志.基于WLAN的近地冲击波超压存储测试系统设计J.电子器件，2017，40（4）：10091014.11 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