水下冲击波超压高速存储测试系统的研究

刘 浩,尤文斌,裴东兴,牛跃听

(1 中北大学电子测试技术国家重点实验室,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,太原 030051;3 解放军军械工程学院,石家庄 050003)

水下冲击波超压高速存储测试系统的研究

刘 浩1,2,尤文斌1,2,裴东兴1,2,牛跃听3

(1 中北大学电子测试技术国家重点实验室,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,太原 030051;3 解放军军械工程学院,石家庄 050003)

针对当前水下冲击波超压测试中存在仪器布设繁杂、采样频率低、关键数据难以及时获取等问题,设计了一种水下冲击波超压存储系统。提出双级流水线循环存储结构实现数据高速存储,运用触发地址回溯检索算法精准定位有效数据存储位置,以ZigBee无线网络交互通信完成测试系统的智能配置、状态监控和关键数据及时提取。试验表明该系统能以10 MB/s的速率完整记录冲击波超压瞬态信号,具有智能化、易布设等特点,适用于水下冲击波超压信号的测试。

水下冲击波;无线通信;高速存储;数据提取

0 引言

水下爆炸研究始于二战各国对水中舰船毁伤的需要[1],其后以美国为代表的西方国家加强了舰艇抗冲击波特性的研究,并通过《美国海军舰船试验总纲》强制规定同批下水战舰必须选定一艘进行抗水下爆炸冲击波特性的实验[2],紧随国外研究热点我国也在积极开展对舰艇抗冲击特性和水下冲击波特性的研究[3]。目前国内外对水下冲击波的测试方法分引线电测法和存储测试法[4-5]。引线电测法是通过测点布置传感器,由电缆统一将信号接入远端的采集系统此法的优点在于信号采样频率高,能实时监控测试单元工作状态,但却存在干扰噪声大,试验布设困难繁杂等不足[6]。存储测试法较引线测试法的不同是将测试数据存储于远端测试单元中,通过实验后回收测试单元读取数据,该方法的优点是能有效消除布设电缆引入的噪声,提高测试数据信噪比,却存在不能实时监控测试单元的工作状态,信号采样频率低,装置回收不便等问题[7]。

针对上述两种测试方法的不足,充分发挥各法优点的基础上研制了一种具有无线功能的水下冲击波超压存储测试系统。该系统有机的将ZigBee无线传感器网络技术与智能存储测试技术相融合实现测试单元工作状态无线监控和配置,避免引线引起的干扰,采用一种全新的存储结构实现连续采样数据高速可靠存储,有效数据高效提取并无线上传,提高了关键数据获取的时效性。

1 总体设计方案

系统结构框图如图1所示,由布设在爆炸测试点的智能测试单元和安放在安全区域的远程中心监控平台组成。智能测试单元具有实时采集存储测试点冲击波超压信号、数据交互通信的功能,中心监控平台以无线通信[8-10]的方式实现对智能测试单元远距离操控和工作状态的监测显示。

图1 系统结构框图

2 电路设计及系统工作流程

2.1 智能测试仪设计

智能测试仪电路原理结构框图如图2所示。它由通信单元和存储控制单元两部分构成,其中通信单元包含无线终端节点、智能电源管理和MSP430控制部分;存储控制单元由冲击波信号调理电路、A/D转换电路、USB数据接口、Flash存储阵列和FPGA控制内核组成。通信单元的无线终端节点实现测试仪同中心控制平台的数据交互;MSP430控制部分完成通信单元同存储控制单元间的数据传输;智能电源管理在检测到Flash写满后启动,使智能测试仪进入低功耗状态。存储控制单元以FPGA为核心并行控制器,由其控制模数转换器(A/D)将冲击波超压信号数字化,数据经由FPGA内部FIFO进行缓冲后存储到Flash阵列。测试仪试验回收后通过USB数据接口回读存储数据。

智能测试仪具有5 MHz采样频率、10 MB/s高速数据存储、14 bit信号分辨率和1 GB存储容量的性能。

2.2 系统工作流程

水下冲击波存储测试系统的工作流程如图3所示。智能测试单元与中心监控平台间的数据交换通过无线通信网络实现。测试仪在上电唤醒后首先与中心监控平台进行组网,在组网成功后按照测试仪工作要求完成闪存擦除、参数配置(信号放大倍数、触发电平)操作。在确定试验准备完毕即将进行爆炸测试时,由中心监控平台向测试仪发送启动命令,测试仪在接收到命令后进入32 MB负延时存储空间以10 MB/s的速率循环存储测试数据直到触发信号的到来,当检测到触发信号后将测试数据顺序存入后续992 MB存储空间。智能电源原理功能模块在检测到存储空间写满信号后,使测试仪进入低功耗状态直至数据回读。存储数据可通过回收测试单元经USB读数接口回读,也可以由中心监测平台以无线的方式迅速查询关键数据。

图2 智能测试仪电路原理结构框图

图3 测试系统状态图

3 关键技术

3.1 高速存储结构

NAND闪存数据口宽度为8 bit,而智能测试单元以5 MHz频率采集14 bit分辨率的冲击波信号,两者间的数据宽度不匹配,须将14 bit数据转换为高低8 bit的形式,为此必须以大于等于10 MB/s的速率向Flash中写入数据才能实现数据的无损存储。负延时存储需要对Flash先擦除后才能写入操作,一块存储空间的(128 KB存储空间)擦除时间为2 ms,鉴于此传统的存储结构已不能满足负延时存储空间对数据高速循环存储的要求。为此设计了一种双级流水线循环存储结构,其结构原理如图4所示。

图4 双级流水线存储结构原理图

该存储结构的核心原理是A级流水线与B级流水线交替完成数据的存储和负延时存储空间的擦除。单级流水线各片Flash在页编程时间完成前,另一单级流水线各片Flash的块存储空间已完成擦除操作,通过该方式实现负延时部分的高速循环数据擦除和存储功能。电路原理如图5所示,电路设计时将Flash分为同等数量的A、B两组,各片Flash共用数据总线和部分控制总线,按照流水线的方式进行数据存储。A级流水线A1片Flash某块第1页完成数据加载进入页编程时间后,进行A2片Flash某块第1页的数据写操作,在逐片完成A级流水线所有Flash某块64页存储空间的数据加载后,进行A级流水线所有Flash下一块存储空间擦除,完成后进行B级流水线的数据写操作,其操作流程与A相同。在B级流水线进行Flash某块存储空间数据加载工作的同时,A级流水线存储阵列进行下一块存储空间的数据擦除。通过同一时间内两个独立功能并行工作的方式确保Flash的连续循环写操作。此存储结构的存储速度计算公式为:

(n-1)>700

(1)

式中:V为向Flash中写入数据的速度(MB/s);n为单级流水线所需Flash片数;700为Flash一页存储空间最大页编程时间(μs);2 048为Flash一页存储空间字节数量(B)。要实现采集数据无丢失写入Flash,V的值最低为10 MB/s,通过式(1)计算可知n>4.418,单级5片Flash就可以实现5 MHz采样14 bit信号。

图5 存储流水结构电路原理图

3.2 关键数据的无线高效提取

中心监控平台由顺舟科技公司生产的SZ05型ZigBee实现与各智能测试单元间的无线通信,并通过玻璃钢天线增强ZigBee的通信距离。在空旷平坦场地实测,中心监控平台完成1 MB数据在1 km距离下的可靠无线回读,受其最高57 600 bit/s的传输速率限制需耗时约146 s,因此要完全回读各智能测试单元采集的1 GB数据在时间上难以忍受。为此,提出了一种新的高效数据提取方法,能够从1 GB的测量数据中直接提取有效冲击波数据,实现有用数据的高效无损耗提取,其原理如图6所示。根据水下爆炸形成的冲击波信号有效时长一般在十几毫秒内的特点,找到冲击波到来时刻St,提取上升沿前S1(长度32 KB)和上升沿后S2(长度140 KB)两段数据即可得到完整的冲击波信号,这样无线回读一次冲击波有效数据大约耗时25 s,将传输数据量压缩到原来的0.01%,实现了有效数据的高效提取。

图6 关键数据提取原理图

智能测试单元实现关键数据提取的流程图如图7所示。图7(a)为数据写流程图,A/D转换的数据进入FPGA后,将数据的高8位锁存与设定阈值Tv进行比较,当采样数据连续16次大于设定阈值时确认为内触发时刻,并将触发信息编码至指定存储空间中。图7(b)为数据无线读取流程图,首先从单片内部Flash中获取触发时刻的地址信息,通过触发地址回溯检索算法对地址信息进行解算,在海量存储数据中锁定图6中St位置时的存储地址,从而精准读取有效数据段的数据进行无线发送。

图7 数据提取流程

4 实验测试及数据分析

为验证设计方案的可行性和稳定性,对研制的水下冲击波超压高速存储测试系统进行了试验测试,此次测试中选取多套智能测试单元中的两套进行各项功能测试,试验在一个长、宽均为2 m，水深为1.7 m的立方体水池进行,而传感器和柱状TNT药包在水池中的布设情况如图8、图9所示。

图8 试验布设情况示意

图9 现场试验布设情况

试验选取两套智能测试单元同时进行不同药量的多次测试,各传感器按图8所示测点位置进行连接布设,其中两套装置在10.2 g和3.0 gTNT药量下的部分测试数据波形如图10、图11所示。从图10可知,测试仪捕获到两次气泡脉动,图10和图11中第一次脉动超压与炸药爆炸超压峰值的比值分别为11.53%、11.89%,均在脉动超压与爆炸超压数值关系理论计算的范围内[11],说明测试仪系统具有较高的测试灵敏度。

图10 3.0 gTNT药量测试点1处数据波形

图11 10.2 gTNT药量测试点2处数据波形

为进一步检验测试结果的准确性,将实测数据与经验公式计算结果进行比较。通过爆炸相似律知,质量为W的药包处在深度为H的水域中爆炸,在距离爆心R处的冲击波超压峰值Pm和气泡脉动周期Tm采用如下经验公式:

Pm=(W1/3/R)T

(2)

(3)

式中:W为炸药重量(kg);R为传感器距爆点的距离(m);H为炸药水深度(m);而K、T和Kr为经验常数,其超压相似律系数[12-13]如表1所示。

表1 炸药超压相似律系数

表2 理论计算结果与试验测试数据误差分析

5 结论

文中研究了一种能无线提取关键数据的水下冲击波瞬态信号高速存储测试系统,双级流水线存储结构实现冲击波数据10 MB/s的高速无损存储,触发地址回溯检索算法精准定位冲击波超压峰值数据的存储位置。通过多发TNT药柱的水下爆炸试验,验证测试系统各项测试数据误差均在2%以内,同时也验证了冲击波超压峰值数据无线提取的高效稳定性。本测试系统布设便捷、多测试点无线组网迅速稳定、测试精度高、能迅速获取测试超压峰值关键数据,尤其适用于野外水下爆炸冲击波的测试工作。

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Research on a Overpressure High-speed Memory and Test System of Underwater Shock Wave

LIU Hao1,2,YOU Wenbin1,2,PEI Dongxing1,2,NIU Yueting3

(1 National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051, China; (2 Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement(North University of China), Ministry of Education, Taiyuan 030051, China; 3 Ordnance Engineering College of PLA, Shijiazhuang 050003, China)

In order to solve the problems of underwater shock wave overpressure test, such as the complicated arrangement of instruments, the low sampling frequency and the difficulty of obtaining the key data in time, the underwater shock wave overpressure storage system was designed. To realize high-speed data storage, a new two-stage pipeline circular storage structure was proposed seriously. Applying the trigger address back-track retrieval algorithm to position data storage location precisely. The intelligent configuration, condition monitoring and key data timely extraction were completed by ZigBee wireless network. The test results indicated that the system could fully record the shock wave overpressure transient signal with 10 MB/s rate, which had advantages of intelligence and easy to layout, and it was applicable for the test of underwater shock wave overpressure signal.

underwater shock wave; wireless communication; high-speed storage; data extraction

2016-04-28

国家自然科学基金(61471385)资助

刘浩(1990-),男,四川内江人,硕士研究生,研究方向:智能控制和动态信息获取。

TN98

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