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今日薦文
今日薦文的作者為中北大學專家張曉光，尤文斌，任小軍。本篇節選自論文《多次重觸發衝擊波測試記錄儀的研究》，發表於《中國電子科學研究院學報》第12卷第6期。
摘 要：鑑於現行衝擊波存儲測試方法存在無法完成高密度測試、實驗效率低的問題，提出了一種基於單次衝擊波測試記錄儀的多次重觸發改進設計方案。該方案以CPLD作為時序控制、MSP430作為控制核心，通過將存儲地址分成16段，每段內部劃分出循環存儲區間和順序存儲區間。在由信號數值和外部觸發控制信號觸發順序記錄前，數據在循環存儲區間存儲，觸發後跳轉至順序存儲區間，記滿後跳轉到下一段循環採集等待觸發。利用MSP430單片機內部flash記錄觸發地址和循環區間的最大地址，解決了數據順序讀取和存儲壞塊的難題。實驗結果表明該記錄儀能實現連續16次觸發，重啟後續存功能。
引 言
在現行的衝擊波測試的環境中，最為常用的測試方法有：存儲測試法、引線測試法。與引線測試法對比而言，存儲測試法可以大大提高捕獲率，也是符合衝擊波測試的發展方向，但存儲儀器通常採用的。
單次觸發方式存在明顯的限制：
其一，在完成一次實驗之後必須立即讀取實驗數據，才能繼續下一次實驗，不能滿足大密度，高效率的測試要求；
其二，由於觸發方式單一，不能滿足不同觸發類型、多次觸發的測試要求。
針對上述問題，提出了一種具備多次重觸發的記錄方法。方案的核心是以CPLD作為時序控制、MSP430作為控制核心，通過將NAND Flash空間劃分為16段，又將每段劃分為二個部分，分別是負延時部分和順序寫部分。程序自動對每段的負延時開始地址、順序寫起始地址等進行賦值、跟蹤和記錄，從而做到準確寫入、讀取試驗數據。通過置位觸發使能位，選擇適合實驗需要的觸發方式。基於以上改進思想實現多次重觸發的功能。
1 記錄儀總體設計
針對衝擊波測試的特點，系統設計具備16次重觸發功能，在系統斷電後，保存的地址數據，測試數據不丟失，並且再次上電之後，系統會自動識別上次存儲狀態，做好再次存儲或者讀取數據的準備。操作人員可以通過上位機發送指令，改變其狀態。
1.1 系統框圖
衝擊波多次重觸發記錄儀原理結構框圖如圖1所示。記錄儀由衝擊波測試信號處理部分（放大、濾波和轉換）、CPLD時序控制+MSP430控制、閃存存儲部分和外圍電路部分組成（FIFO、USB讀數、Zigbee模塊等）。衝擊波測試信號經信號處理部分轉換成12位的AD數字信號，AD數字信號經CPLD再到FIFO緩存實現數據與系統的同步，MSP430作為控制中樞完成數據從FIFO到Flash的存儲指令控制，CPLD則完成具體的時序控制，MSP430和CPLD配合工作，完成對Flash的壞塊檢測、讀、寫和擦除的操作。記錄儀通過Zigbee模塊完成與上位機的信息交換，轉而言之，上位機通過Zigbee完成對每個記錄儀的控制，並且實時監控其狀態。
圖1 衝擊波記錄儀原理結構框圖
1.2 系統存儲介質
系統存儲介質選用三星公司的NAND型存儲芯片K9K8G08U0B。單片Flash存儲容量1GB，其讀寫操作最小單位為頁，每頁含有2048 Byte數據存儲空間，一塊包含64頁，無效塊不大於320塊，由於Nand flash 的特性，控制部分基本功能有：壞塊判斷、讀flash操作、寫flash操作和擦除flash操作。通過上述功能的有機組合，完成測試數據的存儲。典型參數如表１所示。
1.3 傳感器選型
常用的衝擊波壓力傳感器有兩種：壓電式壓力傳感器和壓阻式壓力傳感器。但是考慮到衝擊波的影響因數和傳感器的性能，根據參考文獻得出來的結論是在7種傳感器中性能更好的為8530B和113A，所以最終本次測試選用為PCB公司的壓電式傳感器113A。其內部高度集成了將高阻抗電荷轉為低阻抗電壓輸出的微電子放大器，輸出正比於壓力的電壓信號。相比於傳統壓電傳感器而言，壓阻式壓力傳感器具有抗干擾能力強、靈敏度高、噪聲小等優點，並提高了測試精度和可靠性，尤其適用於現場測試。其主要的特性：上升時間和超調量見表2。
1.4 數字電路結構分析
在數字電路中有以下幾個部分，分別是AD採集部分、FIFO緩存、CPLD時序調理、MSP430控制部分、閃存儲存部分。其結構如圖2所示。
圖 2 數字板結構圖
AD採集部分接受來自模擬板的模擬信號，線路1代表12位的並行數字信號進入CPLD；線路2代表CPLD和異步FIFO 的數據交換；線路3代表CPLD和MSP430交互式通信。其作用是MSP430控制地址的編寫，監視閃存的狀態、CPLD協調時鐘，控制數據的流動；線路4代表由CPLD控制數據流向flash閃存中；線路5代表MSP430對閃存存儲部分的存儲芯片的片選信號、讀寫時鐘、狀態檢測等控制。
2 關鍵技術及實現
2.1 多次重觸發技術
MSP430+CPLD控制閃存存儲數據時,有兩種存儲方式:單次觸發存儲和多次重觸發存儲。在單次觸發存儲中，測試系統只觸發一次就能完成存儲任務；在多次重觸發存儲中。測試系統可以進行多次觸發，完成多次的儲存實驗。在存儲空間滿足要求的情況下，多次重觸發存儲的實驗效率要高於單次觸發存儲。
多次重觸發根據觸發次數將總存儲空間分為16個單元,每個單元相對獨立，在這個單元內完成負延時存儲、觸發和順序存儲等步驟。完成一次存儲之後，系統會進入等待狀態並向外界發送自身狀態。由外界發送再次儲存命令，可以使系統進入下一次的儲存實驗。由第3節實驗結果可知：在大密度進行衝擊波測試實驗中，為了測試的高效性, 必須選擇多重觸發技術。並且多次重觸發技術可以很好向下地兼容單次觸發。
2.2 多次重觸發流程圖
觸發條件、觸發結束標誌、確認再次存儲、是否結束存儲等是多次重觸發技術的關鍵節點。具體流程圖如圖3所示。
圖3 多次重觸發流程圖
因為將存儲地址分為16段，每段內部劃分為循環存儲區間和順序存儲區間。所以在實驗之前，要對負延時起始地址、觸發地址、負延時結束地址、順序寫起始地址和順序寫結束地址進行賦值，並使能實驗所需的觸發方式。在執行一次存儲實驗時：系統會判斷是否滿足觸發條件，進入相應的寫狀態。在沒有滿足觸發條件的情況下，MSP430控制寫指針，一直在循環存儲區間的地址範圍內循環，即從負延時開始地址開始，等寫指針到達負延時結束地址，寫指針被再次賦予負延時開始地址，如此反覆。一旦滿足觸發條件，系統會將觸發地址和負延時結束地址記錄在MSP430的內部flash裡面，並賦予寫指針以順序寫地址，進入順序存儲區間，寫指針會一直自加，數據不斷被存儲在寫指針指向的物理空間中，直到寫指針到達順序寫結束地址。置位存儲測試實驗結束標誌位。向外界輸出自身狀態並進入等待狀態。
在等待狀態中，系統等待2種命令：
（1）結束存儲命令，即存儲功能關閉，讀數功能進入等待狀態。
（2）確認再次存儲命令，其會使MSP430再次進入實驗準備工作階段，重複上述的存儲測試過程。
為了滿足實驗的實際要求，系統被設計成：下電之後，系統的狀態不會丟失。再次上電之後的程序入口已經在圖3中標明，再次上電之後，可以執行讀數程序，也可以進行再次存儲實驗，在這裡僅對再次存儲實驗作解釋，讀數程序不做詳細解釋，在確認再次存儲命令進入系統之後，系統會跳轉到實驗準備工作階段，從而進入第二次存儲測試狀態，這樣的設計使得多次重觸發功能變的更加地靈活，也使其更能適合高密度衝擊波存儲測試實驗。
2.3 觸發方式的選擇
觸發的方式有內觸發、斷線觸發和無線觸發的三種方式。在不同的實驗要求下，選擇不同觸發方式。
內觸發方式：由CPLD控制的一種觸發的方式。在CPLD內部比較AD採集的數據與設定值的大小。當AD採集的數據值到達預先設定值則認為內觸發。
斷線觸發：通過導線連接到被測試彈藥外殼，當被測試彈藥起爆，斷線被破壞，向MSP430發送脈衝。由MSP430中的端口接受脈衝信號，並使系統進入中斷，置位斷線觸發標誌位，完成斷線觸發。
無線觸發：通過上位機控制Zigbee，向MSP430發送觸發指令，系統進入串口中斷，置位無線觸發標誌位，完成無線觸發。
在衝擊波場中，由於爆炸帶來了複雜的電磁波，對測試儀造成了很大的干擾。雖然在設計的時候考慮到電磁屏蔽的因素，但是由於斷線觸發和無線觸發的功能需要，必須要引入斷線和無線天線進入測試儀中，外部變量的引入也將電磁噪聲引入記錄儀，干擾其正常工作，要想盡可能的減少電磁噪聲對系統的干擾，就必須切斷電磁噪聲進入系統的途徑。所以根據實驗對象的不同，通過上位機選擇適合實驗需求的觸發方式，在斷線觸發和無線觸發兩種觸發方式中選擇一種觸發方式，儘可能減少電磁波對測試儀的干擾。而內觸發作為斷線觸發、無線觸發的一種備用觸發方式。當斷線觸發和無線觸發失效後，內觸發方式依然能夠保證系統電路觸發，正常工作，提高整個系統的可靠性。
3 實驗結果與分析
3.1裝置實物圖片
在表3中，分別展示了測試裝置的側面、正面和底面。
3.2 多次觸發存儲實驗
（1）多次觸發存儲實驗結果
使用信號發生器產生仿真信號，進行多次觸發存儲實驗。因為電腦內存的原因，我們只能顯示240Mb存儲空間的數據，及兩次的存儲實驗結果。如圖4所示。
圖4 240Mb存儲空間的數據
將波形進行拉伸，可以得到實驗對象的波形信息，例如頻率，幅值等，所以通過二個細節圖代表二次實驗對象的特徵，如圖5、6所示。
圖5.正弦波信號
在圖5中，被測試的信號為幅值為1Vpp、週期為1KHz的正弦信號，本次實驗採用型號為AD7492的12位AD採集芯片，輸入電壓0~2.5V，採樣頻率為1MHz，觸發方式被選擇為斷線觸發。在圖5的反映情況中：
圖6.方波信號
在圖6中，被測試的信號為幅值為1Vpp、週期為1KHz的方波信號，觸發方式被選擇為無線觸發。同理通過計算可以得到如下的表達式：
（2） 多次觸發存儲實驗分析
可以從圖4、圖5、圖6中分析出：在觸發方式方面，在相應的觸發使能位被置位，觸發信號進入系統是可以使系統觸發，反映觸發方式選擇的功能是可以正常工作的。並且從圖4中可以明顯看出兩次實驗的波形不一致，反映了多次重觸發功能可以正常工作的。在頻率方面，實驗的輸入與實驗的波形輸出是一致的，而在幅值方面卻存在差異，信號發生器的輸入信號的幅值都是1Vpp，但是在實驗的波形輸出中的賦值都比輸入信號低。通過使用示波器顯示輸入信號，其結果為：1Vpp的輸入在信號發生器中顯示為峰值為0.98V，而谷值為-0.98V，另外在讀數軟件中，採樣點的標定是人為的手動標定，存在的誤差是實驗所允許的，所以存儲實驗的結果是符合實際情況的。
3.3 衝擊波存儲測試
（1） 衝擊波存儲測試結果
通過使用激波管產生的衝擊波衝擊信號，進行衝擊波存儲測試實驗，在完成2次試驗後得到如圖7的實驗數據波形。
圖7.兩次存儲實驗結果
第1次衝擊波存儲測試實驗結果細節圖，如圖8所示：
圖8.第1次實驗結果細節圖
第2次衝擊波存儲測試實驗結果細節圖，如圖9所示。
圖9.第2次實驗結果細節圖
（2） 衝擊波存儲測試結果分析
在圖7中顯示了2個突出的波形，即數據中包含了兩次衝擊波存儲測試的試驗數據，通過Matlab數據顯示功能，在圖8、圖9可以看到兩次實驗數據中的有效數據的部分，並且在有效數據部分顯示的波形是符合衝擊波信號的特徵。
4 結 語
經實驗驗證：本次設計採用MSP430+CPLD的衝擊波測試多次重觸發記錄儀方案是可行的，其完成了16次多次重觸發實驗，下電之後實驗數據不丟失，上電續存的功能是符合實驗需求的，觸發方式選擇的功能有效的減少了電磁噪聲對系統的干擾，減少了誤觸發的機率；重啟續存與觸發方式選擇，使得記錄儀可以靈活的應對各種測試要求。該方法大大減少了實驗操作的工作量，提高了衝擊波測試的效率，彌補了單次觸發衝擊波記錄儀的不足。該測試方法具有穩定可靠、操作簡單、通用性強、採集數據完整的特點，在測試領域具有很好的發展前景和推廣價值。
（參考文獻略）
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電話：010-68893411
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