冲击加速度存储测试的变频采样策略分析

陈昌鑫，靳 鸿，马铁华,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. 苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021； 4. 中北大学计算机与控制工程学院，山西 太原 030051)



冲击加速度存储测试的变频采样策略分析

陈昌鑫1,2，靳 鸿3,4，马铁华1,2,4

(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. 苏州大学机电工程学院，江苏 苏州 215021； 4. 中北大学计算机与控制工程学院，山西 太原 030051)

冲击加速度测试过程中信号存在低速、中速和高速变化的特点，采用固定采样频率完成整个测试过程的参数测试是不合理的，为了减少数据冗余、保证信号无失真恢复，在改变ADC采样频率的变频采样策略基础上，提出一种数字变频采样策略。使用两片存储器，以高速采样频率得到充足数据源并且以同样频率写入存储器1，根据信号变化特征改变存储器2的地址推进频率，对存储器1里的数据进行抽点存储，实现变频采样。经过Hopkinson杆上的冲击测试，变频测量系统具有抗冲击可靠性。仿真和测试表明，变频采样方法可以有效解决采样频率、数据容量之间的矛盾。

爆炸力学；动态测试；变频采样；采样策略；加速度

存储测试[1]是在对被测对象无影响或者影响可以忽略的情况下，将电池供电、高强度壳体防护的存储测试仪器置入被测对象或者被测环境中，实况地获取动态参数，事后回收存储测试仪器，通过计算机读数再现测试过程，特别适合高温、高压、高冲击等恶劣环境以及不易引线测试的场合，例如高冲击弹载参数测试[2]、冲击波参数测试[3]。

将弹载冲击加速度存储测试仪器置入弹丸内部进行实况测试时，为减小对弹丸的影响，要求采用电池供电和存储器记录数据的存储测试仪器体积小、功耗低，则电池容量和存储器容量有所限制。弹载加速度存储测试仪器具备存储测仪器的一般特征外，还有一些特征，例如冲击加速度测试过程中信号存在低速、中速和高速变化。弹载加速度参数测试场合，一个测试过程包含3个典型子过程[1]，即第1子过程(弹丸发射)、第2子过程(弹丸空中飞行)、第3子过程(弹丸撞击目标)，其加速度信号按照变化速率可以分为第1子过程(中速变化)，第2子过程(低速变化)，第3子过程(高速变化)，参考文献[1]指出火炮弹丸全弹道加速度信号的3个过程持续的时间相差千倍。于是在一个测试过程中，被测信号的频率变化很大，如果采用固定采样频率是不合理的[1]，例如采用高速采样频率则在低速和中速变化过程记录大量冗余数据，且在测试全过程采用高频采样会导致测试仪器的功耗较高，采用低速或中速采样频率则导致高速变化过程的信号记录不完整。因此，比较合理的采样策略是变频采样，其核心思想是在能够完整反映被测信号的所有信息的前提下，减少冗余数据的存储[4]。通过分频改变ADC采样频率的采样策略能够减少冗余数据，但是在变频的交界点处存在信号连续变化而采样频率阶跃变化导致部分信号数字化不完整的问题[4-7]。

本文中，在分频改变ADC采样频率的采样策略基础上，提出一种数字变频采样策略，将采样概念扩展为对模拟量和数字量的抽取，其基本思想是采用固定的ADC采样频率，在数字量中抽点存储实现变频采样。

1 采样策略分析

采样策略是解决采样频率、数据容量、测试时间等因素之间的方法[4]。被测动态参量在实验中经历k个子过程，采样频率、存储数据容量、测试时间之间的关系满足：

(1)

式中：M是数据容量，fi是第i个子过程的采样频率，Ti是第i个子过程的采样时间。

如果采用固定的采样频率f0完成整个测试过程的测试，其数据容量M1满足：

(2)

如果按照子过程的采样频率与测试过程特征相适应的原则，改变测试子过程的采样频率，其数据容量M2满足：

(3)

针对一个测试过程存在若干个子过程，而且若干个子过程信号变化缓慢特征不一致的测试场合，根据采样定理，采样频率至少为模拟信号频率分量最高频率的2倍，则为了保证测试数据有效，固定的采样频率fi应按照采样定理设置，于是变频采样策略的采样频率fi与固定采样频率f0满足：

(4)

各个子过程的采样时间由被测对象的运动规律决定，不能更改Ti，于是变频采样策略得到的数据容量M2和固定采样频率得到的数据容量M1满足：

(5)

因此，根据信号变化缓慢程度的特征，将测试过程分为若干个工作状态，选择与信号变化快慢特征相匹配的采样频率是在保证信号采样不失真前提下减少冗余数据的有效方法。

2 变频采样策略

2.1 改变ADC采样时钟的变频采样策略

图1 控制状态图Fig.1 Control data diagram

根据信号变化快慢特征而通过分频改变ADC采样时钟是常见的变频采样策略[7]。以高g值冲击加速度测试的3个子过程测试(弹丸发射中速、弹丸飞行低速、弹丸撞击高速3环境测试)为例，存储测试仪器的控制状态图如图1所示。

第1子过程(中速采样状态)到第2子过程(低速采样状态)通过定时触发实现采样频率改变，因为弹丸发射过程时间较短，设置一定时间(一定存储容量)后进行低速采样状态，此时弹丸处于飞行状态。第2子过程飞行状态的时间由弹丸运动规律决定，其采样时间较长而且不可精确预见，于是低速采样到高速采样不能采用定时触发，而是采用内触发实现采样频率改变。

低采样频率状态到高采样频率状态切换，会造成触发点之前短暂的一段时间内信号记录不完整问题，因为在触发点前后，信号连续变化，而采样频率阶跃变化，即触发之前信号已经快速变化，而此时仍然以较低的采样频率采样，则出现短暂的信号记录不完整的问题。信号波形示意图如图2所示，设置触发界限a1。t1之前信号变化缓慢，采用低速的f2进行采样、存储(图2中t1时刻之前的点表示按照f2采样得到的点)；当信号超过触发界限a1(即内触发有效)时，信号快速变化，以高速的f3进行快速采样、存储。在t1时刻之前的瞬间，信号已经快速变化，由于脉冲峰值达不到触发值，ADC仍然按照低速的f2采样，较低的采样频率无法将这一段信号的变化完整记录，造成局部信号失真的问题，示意图如图3所示，t1时刻之前的波形是由图2中按照f2采样得到的点连接而成的曲线。

图2 信号波形示意图Fig.2 Signal wave

图3 采样数据恢复波形示意图Fig.3 Sampled waveform of data recovery

改变ADC时钟的变频采样方法存在一定的局限性，由高速采样过程到低速采样过程不会出现信号失真，而由低速采样过程到高速采样过程，存在有效数据源不足导致信号记录不完整的问题。

2.2 数字变频采样策略

数字变频采样策略是一种不同于改变ADC时钟的数字变频采样方法，核心思想是高速采样、选择性存储，即根据信号变化特征确定高速采样频率，以高速采样频率采样得到完整的大量数据源，根据信号变化快慢特征，改变数字量写入存储器的频率实现抽点存储，达到变频采样、减少冗余数据的目的[8]。

图4 数字变频采样策略系统框图Fig.4 Block diagram of digital frequency-change sampling

在控制模块的管理下，ADC模块以高速采样频率将模拟信号转换为数字信号写入存储器1，并且以相同的频率推进存储器1(例如，FIFO存储器)的地址，实现数据源的完整记录；分频模块在触发控制模块的控制下，产生与信号变化特征相匹配的频率，改变存储器2的地址推进时钟，例如信号处于缓慢变化的时候，存储器2的地址推进时钟低于存储器2的写入时钟(即：ADC的采样时钟、存储器1的地址推进时钟)，即只有地址变化之前的数据写入了存储器2，这样实现数字量的抽点存储，实现变频采样。数字变频采样策略系统框图如图4所示。

由低速采样过程到高速采样过程中，数字变频采样策略的存储器1作为数据缓冲器，通过改变存储器2的地址推进时钟实现，当t1时刻触发时候，分频模块以高速时钟推进存储器2的地址，此时t1时刻之前的一段数据保存在存储器1(缓冲器)中，保证了2个交替子过程之间数据的有效存储，这样保证信号完整、有效。

由高速采样过程到低速采样过程，当触发后以较低的地址推进时钟写入存储器2的数据时候，会造成触发时刻之前的高速采样数据丢点，此时启动延迟计数器，延迟改变存储器2的地址推进时钟，保证存储1中的数据(触发时刻之前的一段高速采样数据)正确、有效的写入存储器2，这样可保证信号完整、有效。

对数字变频采样策略进行仿真验证，时序图如图5所示，图中CONVST是ADC的采样时钟，设定为恒定的高频时钟(不低于多个子过程最高采样频率)；FRD是存储器1(例如FIFO)的读时钟；FWE是存储器1的写时钟，也即ADC的读时钟；ADDR是存储器2的地址推进时钟，由CONVST分频得到，MWE是存储器2的写时钟，只有存储器2地址变化之前的数据写入存储器2。

图5 数字变频采样策略的时序图Fig.5 Sequence diagram of digital frequency-change sampling

变频采样策略(数字抽点)仿真图如图6所示，将CONVST十分频得到ADDR，sram_wr是存储1的写时钟，sram_rd是存储器1的读时钟，sram_din是存储器1的数据，也即ADC输出的数据(10,11,12……50)，sram_dout是写入存储器2的数据(15,25,35,45)，验证了数据抽点方法的正确性。

图6 变频采样策略(数字抽点)仿真图Fig.6 Simulation diagram of digital frequency-change sampling

3 实验验证

冲击加速度测试仪[9]由压电加速度传感器，电荷放大器和放大、滤波电路，数据存储及控制电路等模块组成，测试仪电路安装在金属壳体里面，并经过环氧树脂灌封[10]，其尺寸按照随弹安装要求设计(尺寸参数是∅3.5 cm×5 cm，体积为48 cm3)。在实验室的Hopkinson杆上进行了抗冲击试验[11]，在 5×104g的冲击载荷下测试仪可靠工作，可靠性试验的冲击加速度a测试曲线如图7所示。

在某靶场进行了弹载加速度测试实验，记录了弹丸发射、弹丸飞行、撞击靶板3个典型过程的单轴加速度参数，测试曲线如图8所示，X为采样点。

图7 加速度测试曲线Fig.7 Acceleration curve

图8 数字变频采样测试曲线Fig.8 Acceleration curve based on digital frequency-change sampling

在触发之前的负延迟部分记录了2 kByte的数据；发射过程以50 kHz的采样频率记录了32 kByte数据；飞行过程以1 kHz的采样频率记录了大约33 kByte数据；撞击过程以100 kHz的采样频率记录了64 kByte数据。从触发记录膛内发射过程开始，利用50、1、100 kHz记录了3个典型过程的数据，其中飞行过程利用1 kHz的采样频率记录了16 905 ms，如果使用最高的100 kHz的采样频率记录飞行过程，数据量是3.22 MByte，则使用变频采样方法在飞行测试过程变频采样减少冗余数据量的比例是99%。

4 结 语

针对一个存储测试过程根据信号变化快慢特征分为若干个子过程的测试场合，变频采样策略是减少冗余数据的可靠、有效方法。通过方案对比和测试实验，改变ADC采样频率的变频采样方法和数字抽点存储的变频采样方法都是有效的变频采样策略，但是数字变频采样方法更优，它通过固定高速采样频率得到完整的数据源，改变存储器地址推进频率实现数据的抽点存储，保证了子过程交替时候信号的完整、有效记录。通过仿真，验证了数字变频采样方法的正确性和可行性；利用数字变频采样方法设计的存储测试仪器在实验室的Hopkinson杆上的上进行了抗冲击试验，并且在靶场进行了测试实验，对数字变频采样方法进行了验证，降低了飞行测试过程的采样频率，减少了冗余数据的存储，在爆炸力学动态测试中有一定的应用价值。

[1] 张文栋.存储测试系统的设计理论及其应用[M].北京:高等教育出版社,2002:1-7.

[2] 文丰,任勇峰,王强.高冲击随弹测试固态记录器的设计与应用[J].爆炸与冲击,2009,29(2):221-224. Wen Feng, Ren Yong-feng, Wang Qiang. Design of a bomb-borne solid-state recorder for high-shock test and its application[J]. Explosion and Shock Waves, 2009,29(2):221-224.

[3] 丁永红,尤文斌,马铁华.舰用动爆冲击波记录系统的设计与应用[J].爆炸与冲击,2013,33(2):194-199. Ding Yong-hong, You Wen-bin, Ma Tie-hua. Design and application of a shock recorder used in warship subjected to dynamic explosive[J]. Explosion and Shock Waves, 2013,33(2):194-199.

[4] 靳鸿,吴志玲,史晓军,等.基于SoC的变频率采样策略设计与实现[J].中北大学学报：自然科学版,2012,33(6):725-729. Jin Hong, Wu Zhi-ling, Shi Xiao-jun, et al. Variable frequency sampling strategy based on the SoC[J]. Journal of North University of China: Natural Science, 2012,33(6):725-729.

[5] 巩林萍,张凯,祖静,等.基于CPLD 的可变频采样存储测试系统的设计[J].计量与测试技术,2009,36(11):38-39. Gong Lin-ping, Zhang Kai, Zu Jing, et al. Design of self-adaptive sampling memory test system based on CPLD[J]. Metrology & Measurement Technique, 2009,36(11):38-39.

[6] 王鹏,裴东兴,张红艳,等.存储测试技术中采样策略的研究[J].自动化仪表,2012,33(11):19-22. Wang Peng, Pei Dong-xing, Zhang Hong-yan, et al. Research on the sampling strategy in storage testing technology[J]. Process Automation Instrumentation, 2012,33(11):19-22.

[7] 靳鸿,祖静,马铁华.多采样策略ASIC的设计与实现[J].测控技术,2012,31(4):56-59. Jin Hong, Zu Jing, Ma Tie-hua. Design and Implementation of an ASIC with Multi-Sampling Strategy[J]. Measurement & Control Technology, 2012,31(4):56-59.

[8] 靳鸿,王燕,祖静,等.变频采样方法:中国,CN102510286A[P].2012-06-20.

[9] 李婉蓉,范锦彪,王燕,等.基于可编程逻辑器件的微型加速度存储测试仪[J].山西电子技术,2013(5):3-4. Li Wan-rong, Fan Jin-biao, Wang Yan, et al. Micro-acceleration storage tester based on CPLD[J]. Shanxi Electronic Technology, 2013(5):3-4.

[10] 刘建伟,裴东兴,尤文斌,等.回收式固态弹载记录仪抗高冲击设计[J].传感技术学报,2012,25(8):1045-1048. Liu Jian-wei, Pei Dong-xing, You wen-bin, et al. Anti-high overload excogitation of missile and hard recovery parameters recorder[J]. Chinese Journal Of Sensors And Actuators, 2012,25(8):1045-1048.

[11] 丁永红,马铁华,祖静,等.基于MEMS加速度计的倒置开关[J].爆炸与冲击,2013,33(3):321-324. Ding Yong-hong, Ma Tie-hua, Zu Jing, et al. Design of an inversion switch based on MEMS acceleration[J]. Explosion and Shock Waves, 2013,33(3):321-324.

(责任编辑 王小飞)

Analysis of frequency-change sampling strategy for impact acceleration storage measurement

Chen Chang-xin1,2, Jin Hong3,4, Ma Tie-hua1,2,4

(1.NationalKeyLaboratoryforElectronicMeasurementTechnology,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China; 2.KeyLaboratoryofInstrumentationScience&DynamicMeasurementofMinistryofEducation,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China; 3.SchoolofMechanicalandElectricalEngineering,SoochowUniversity,Suzhou215021,Jiangsu,China; 4.SchoolofComputerandControlEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,Shanxi,China)

The fixed sampling frequency is not reasonable for obtaining the signal parameters with variable changing speed during the measurement process of high-gacceleration. A digital frequency-change sampling method was put forward in this paper to reduce data redundancy and ensure signal without distortion as well based on the method of changing ADC Sampling-frequency. Two pieces of memory were used to fulfill this target. Sufficient data source got by high-speed sampling frequency was written to the first memory at the same frequency, and the address of the second memory was changed with frequency propulsion according to the characteristic of signal variation, then the data stored in the first memory was extracted thus the frequency-change sampling got realized. Frequency measurement system could bear high impact by Hopkinson bar. Simulation and experiment confirmed that the frequency-change sampling method proposed in the paper can effectively solve the contradiction between the sampling frequency and data capacity.

mechanics of explosion; dynamic measurement; frequency-change sampling; sampling strategy; acceleration

10.11883/1001-1455(2015)04-0501-06

2013-12-06；

2014-04-08

国家自然科学基金项目(51275488)；山西省青年科技研究基金项目(2013021015-1)

陈昌鑫(1988- )，男，博士研究生； 通讯作者： 靳 鸿，jinhong@nuc.edu.cn。

O384 国标学科代码： 13035

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