低功耗冲击波超压测试系统设计*

2013-12-21马铁华尤文斌

电子器件 2013年2期

刘亮，马铁华* ，尤文斌

(1.电子测试技术国家重点实验室，太原030051;2.仪器科学与动态测试教育部重点实验室，中北大学，太原030051)

冲击波超压测试在工程领域中有着重要的作用。传统的冲击波超压测试法广泛采用有线式，即将压力传感器置于爆炸测试现场，信号记录仪及计算机等设备置于远场的掩体内，测试信号通过电缆传输［1］。其缺点是现场布线麻烦，电起爆引起的电磁干扰容易引起误触发以及给有效信号叠加噪声。近些年随着动态存储测试技术［2］在低功耗、微体积方向的不断发展，利用存储测试技术获取冲击波信号的方法得到了广泛运用。存储测试法是将由传感器、A/D 转换器、模拟适配电路、存储器、核心控制电路、接口以及电源模块等组成为一个微型化测试装置置于爆炸现场，测试完毕后回收测试装置，进行事后数据读取，判读。本系统应用存储测试技术，将传感器和测量装置采用一体化设计，传感器和测量装置间只有很短的引线，在测试现场易于布置和防护;相对于有线式，该测试方法在数据录取率、人员和设备安全性方面具有明显的优势［3-4］。在实际的靶场进行爆炸冲击波压力测试，可以获得理想的测试结果。

1 冲击波特点及测试要求

炸药爆炸时冲击波的超压值是评估爆炸对周围事物的损伤程度、考核爆炸威力的一个关键指标［5］。冲击波具有初值高，衰减快，持续时间短的特点，它的脉冲宽度一般为1 ms 左右，它具有较宽的频率范围，主要能量集中在100 kHz 以下［6］。合理的采样策略是准确测试超压的必要保证。根据奈奎斯特定理和测试经验采用500 kHz 的采样频率满足测试要求。针对爆炸场高温高压的恶劣测试环境，测量装置需要置于抗冲击的保护壳体内;有限电量的电池为系统供电，要求系统有足够低的功耗及优化的节能策略。

2 系统组成

测试系统主要由压电型压力传感器、适配电路部分、采集存储部分、中央控制单元以及抗冲击机械壳体结构五部分组成。测试电路封装于以18Ni 时效钢的高强度保护壳体内。炸药爆炸产生巨大的冲击波时，传感器感知被测量，在CPLD 和单片机的控制下，适配电路将传感器输出的微弱信号放大处理后，由A/D 模块采样。当电路满足触发条件后，CPLD 和单片机按照控制的逻辑时序将有效数据写入双Flash 存储器。为降低系统功耗，数据存储完毕后，测试系统进入休眠状态。测试完成，回收记录器，通过USB 接口由计算机对装置进行数据的读取，并将记录的数据进行判读处理。冲击波超压存储测试原理框图如图1 所示。

图1 冲击波超压存储测试原理框图

3 传感器的选择

传感器是测试技术的核心［7］。本设计选用PCB 公司的113B-28 信号压力传感器，该传感器具有体积小，高灵敏度，高精度等优点。传感器的技术指标见表1。

表1 压力传感器主要性能指标

4 关键技术

4.1 低功耗设计

由于测试系统需要在恶劣的条件下工作，所需能量是靠电池来供应，电量有限。为使系统能够正常工作，低功耗的要求就必须考虑［8］。选用低功耗器件的同时，采用优化的电源管理技术控制系统功耗。选用CD4060、MAX667、LP2985 分别为模拟电路、数字电路按需上电，来降低系统功耗，采样电流为21.00 mA，触发采样完毕后电流仅为0.87 mA。图2 为CD4060 和MAX667。

图2 CD4060 与MAX667

当按下电路开关后，CD4060 检测到CC_ON 信号后，通过RC 振荡电路延时1 s 输出START 信号，控制芯片CPLD 检测到后，发出/ONB、ONA 使能MAX667、LP2985 有效，分别为模拟电路和数字电路供电。存储数据完毕后，CPLD 发出TC 信号，负责模拟电路的下电。该方案有效的降低了系统的功耗，减小了干扰噪声引入的概率。系统的工作状态转换图如图3 所示。

图3 系统状态转换

4.2 控制模块与存储电路

系统采样位数过低会影响到测试结果的精度，过高则可能对其带来冗余的数据量，因此系统采用A/D 转换的分辨率为12 bit。为防止掉电后存储数据的丢失，选用非易失性的NAND 存储器作为存储介质。图4 为CPLD 的时序流程图。系统选用时钟为16 M，经过分频后得到的A/D 采样信号/CONVEST 的频率为500 kHz。在/CONVEST 的一个周期里，/BUSY 维持高的时间为880 ns，低维持时间为ns。/WE 为写信号，当/BUSY 下降沿来临时，CPLD 开始向Flash 写数据，先写高8 bit，再写低8 bit。写一次数据结束中断信号INT0 产生一个上升沿，写Flash 满一页时，给单片机发中断，通知单片机写第2 片。CEA0 为选通信号，低为选通第1 片，高位选通第2 片。

图4 CPLD 时序流程图

当写第1 片闪存满一页数据后，单片机接收CPLD 发送的中断信号INT0，判读电路是否触发，若触发则根据选通信号决定写第1 片或是第2 片闪存。当单片机接收的是读数中断INT2 时，单片机先编程写命令、尔后编程写地址，同时检测到闪存的READY 信号有效，就开始向闪存写数据。图5 为单片机的工作流程。

图5 单片机工作流程图

4.3 系统触发方式设计

冲击波超压测试环境复杂多变，爆炸时刻噪声、干扰信号可能引起测试系统的误触发。为确保触发精度，防止误触发。本系统设计采用多次比较内触发和断线外触发相结合的触发模型。多次信号比较内触发是由ICP113 压力传感器采样数据不断与控制芯片CPLD 编程设置的阈值进行比较判断，当采样数据大于此阈值三次以上，比较计数器产生触发信号，系统由循环采样态进入顺序采样态。断线外触发是当发生爆炸破坏连接时，固定状态信号改变从而发出触发信号。触发去除干扰能力强，对高采样值敏感;硬件触发防止了因传输线被破坏而未能将触发信息发出的问题。两种触发方式的设计，增强了系统的可靠性。