一种便携式冲击波超压测试系统

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(中北大学 信息探测与处理技术研究所，太原 030051)

0 引言

冲击波超压是衡量武器弹药杀伤力和破坏性的重要参数之一[1]。多种弹箭对目标的杀伤力主要来自弹片和冲击波[2-3]，弹片能够对近距离的目标产生较大的杀伤力，而冲击波能够对较远的目标起到杀伤和破坏作用[4-5]。为了衡量武器的杀伤力和破坏性，需要对武器爆炸过程中产生的冲击波进行测量评估[6]。而如何高效、准确、安全的进行冲击波测试成了非常重要的研究内容[7]。

大多数测试系统没有时统功能而且只能采集一次数据[8]，采集完成后必须进行读数以后才能进行下一次采集，使得测试效率不高，操作复杂，所以本文提出了一种具有时统功能和多重触发方式，可进行连续多次采集数据分块存储功能的无线式冲击波超压测试系统。

1 系统总体结构

测试系统主要由采集模块、存储模块、主控模块、数据传输和同步触发模块组成。

采集模块包括传感器电源驱动电路、信号调理电路和AD转换电路，主要实现驱动传感器采集冲击波信号并经过调理电路后进入AD转换电路将模拟信号转换成数字信号。

存储模块主要完成接收AD转换后的数字信号并判断多种触发方式的触发信号来控制数据采集存储。

主控模块包括数据控制器、GPS时统和指令控制器等子模块。主要负责接收系统工作参数设置指令并控制系统的工作状态指示，负责各节点间GPS时统，以及协调各模块相互配合，完成整个系统的运行。

数据传输模块主要完成节点和上位机通过USB进行数据传输通信。

同步装置主要负责实现各节点触发信号的同步，若节点中有任一节点已经触发，该节点将会给同步触发装置发送一个触发反馈信号，同步装置接收到反馈触发信号后去驱动其他未触发装置进行触发实现节点互触发功能，或者根据外部触发信号去控制所有节点同时触发采集，从而实现系统同步触发的功能要求。系统总体设计框图如图1所示。

图1 测试系统总体框图

进行实弹测试时，通过装置控制面板设置好参数，并将装置根据测试点要求布置在测试场中[9]。当冲击波传到装置所在位置时，传感器将冲击波信号转化为电压信号输出，经过信号调理和放大后进入AD转换电路转换成数字信号，FPGA接收到数字信号后存储在FLASH存储器中，同时在工作状态显示模块将工作状态实时显示出来。测试完成后，将装置挖出，通过USB将数据传输到电脑上位机，上位机程序对采集的数据进行分析处理。

2 系统各模块的实现

2.1 采集模块

采集模块主要包括传感器电源电路、信号调理电路和AD转换电路。完成信号的采集调理和AD转换功能。

2.1.1 传感器选型及其电源设计

传感器采用美国PCB公司的ICP 113B系列超压传感器[9]，该系列传感器将电荷转换电路集成在传感器内部，信噪比高、工作可靠，适合冲击波场测试。该系列传感器需要直流20～30 V电压、2～20 mA(典型值为24 V，4 mA)的恒流源驱动，所以本设计需要提供24 V、4 mA的恒流源，为了达到要求，本系统采用7.4 V锂电池供电，通过DC-DC升压芯片TPS61175升到24 V，再经过恒流管输出。TPS61175典型电路如图2所示。

图2 TPS61175典型升压电路

其输出电压可以通过改变R1和R2的电阻值进行调节，输出电压表达式为：

2.1.2 信号调理电路

因为ICP传感器的输出有10 V左右的直流偏置，所以在对输出信号进行处理前需要将ICP传感器的输出信号经过交流耦合电路滤除直流分量，然后送至可编程增益控制器对信号相应进行放大处理，增益控制器采用mAX9939设计，根据电路要求增益值有0.2和1两种可选，通过模拟SPI总线的方式对MAX9939进行写寄存器来配置增益，测试前需要根据爆炸当量和测试距离来确定适当的增益值，通过设置外部key_gain拨码开关来控制增益为0.2或者1。

结合冲击波信号的特点，设计了二阶低通有源滤波器对放大后的冲击波信号进行降噪处理，滤波器截止频率设定为300 KHz，满足信号采样要求。信号调理完成后输出至AD转换电路进行量化处理。

2.1.3 A/D转换电路

A/D转换采用分辨率为14 bit，最高采样率为2 MHz的转换芯片ADS7946，该芯片支持差分±5 V或单端5 V的输入范围，支持双通道采集输入，转换完成后通过串行数据接口输出量化数据。

FPGA通过SPI总线对ADS7946写寄存器配置，驱动A/D进行采样，设置采样频率为1 MHz，由于A/D采样回来的数值为14 bit串行数据，所以FPGA接收到AD转换的数字信号后需要进行串并转换成14 bit的并行数据，最后将14 bit的数据重组成两个8 bit的数据以适应FLASH的数据宽度；同时该模块还实现负延时设置和触发判断，根据不同的测量要求，负延时可设置为10 ms、15 ms两种，在触发信号到来之前，系统进行循环预采样，将重组的8 bit数据存入调用的FIFO缓存器中同时记录写入FIFO的数据个数，当写入的个数达到负延时要求的个数而触发信号没有到来时，每写入FIFO一个数据就要同时读出一个数据交给一个无效缓存变量，以保证FIFO中的数据个数为负延时所要求的个数，当判断到触发信号到来后，开始按顺序读出FIFO中的数据传输给FLASH控制模块进行数据存储。

2.2 存储模块

存储模块主要实现对传感器采集到的数据进行实时存储，避免突然掉电等不可抗因素导致的数据丢失。FLASH采用镁光公司的非易失性NAND型MT29F4G08ABADA闪存存储器对A/D转换的数据进行实时存储，它的存储容量是4G，内部分成4 096个块，每个块有64 页，页编程时间为200 μs，数据写入速度约为8 MB/S，块擦除时间为2 ms。

FLASH控制器主要实现FLASH的读、写和擦除操作以及坏块管理功能。FLASH控制流程包括上电复位、模式配置、工作状态检测、读、写和擦除。其状态转移图如图3所示。

图3 FLASH状态转移图

2.3 主控模块

主控模块是整个系统工作的核心部分，采用xilinx FPGA公司的XC3S500E作为主要芯片，主要完成接收外部系统工作参数指令，并根据指令去控制系统各部件正常工作，以及控制USB与上位机进行数据传输。

工作时，主控模块首先接收系统指令，接收到指令后解析指令，分析系统工作参数并相应设置好各个模块的工作参数，判断系统当前工作在何种状态，协调系统其他各模块进行采集存储或者传输。

2.4 数据传输模块

数据传输模块采用USB2.0芯片FT2232H进行与上位机进行数据通信，该芯片内部集成了全部 USB协议、倍频单元以及EEPROM接口，在传输速率上兼容USB2.0的高速模式(480 Mb/s)和全速模式(12 Mb/s)，该芯片具有多种工作模式，工作模式设置可通过专用软件对外部EEPROM配置实现，本系统配置为单通道FT245同步FIFO模式，数据传输速率可达到30 Mbyte/s以上。

FT2232H工作时采用外部12 MHz晶振提供驱动时钟，利用内部倍频器输出60 MHz时钟供FPGA对其进行读写操作使用。通过FT2232H与上位机进行数据传输主要对USB芯片实行写操作，写操作时，FPGA不断检测USB发出的TXE信号，若检测到TXE信号为高，则表示USB不允许对其内部FIFO进行写数据操作；当检测到TXE信号为低时，则表示USB允许对其内部FIFO进行写数据操作。此时，FPGA将写使能信号WR置为低电平，并在60 MHz时钟的上升沿将数据更新到总线上，直到检测到TXE信号变为高电平，停止写数据操作，同时将WR置为高电平。FT2232H操作时序如图4所示。

图4 FT2232H操作时序图

2.5 同步触发装置

同步触发装置主要在多节点组成的网络化测试系统中完成节点互触发和所有节点同时触发的功能，最多可以控制30个节点的同步触发。同步触发装置具有外同步和内同步的功能，该装置操作简单，无需设置，全自动运行，而且具有可扩展性，触发信号延时很小，能够满足内同步的要求，实现更多测试节点的同步触发。

实现外同步功能时，该装置接收外部触发信号，通过内部逻辑控制，输出30路触发信号至测试节点，控制30个测试节点同时触发采集，实现外同步的功能；实现内同步功能时，首先同步触发装置扫描各节点触发反馈信号总线，检测是否有节点通过内触发的方式进行数据采集，若检测到触发反馈信号，根据反馈信号，输出30路触发信号至测试节点，控制其他未触发节点进行触发采集，以实现整个测试系统内同步的功能。

3 系统关键技术

3.1 自适应多种触发方式

传统冲击波测试系统采用单次外触发方式进行采集测试，测试效率低，也为测试人员带来了安全隐患。在爆破试验中，有时布场时间短，环境复杂，为了提高工作效率和避免无关的工作人员进入爆破区，选择自适应多种触发方式。设置自适应多种触发方式时需要避免多种触发方式发生冲突，所以系统在进行循环预采样时同时检测所有触发信号接口，当接收到稳定的触发信号后系统不再检测触发信号接口，将触发接口断开，直到一次采集完成后再重新进行触发接口检测。本系统具有自适应多种触发方式控制的重触发功能，不管哪种触发信号到来都会令系统触发。

就单节点来说，有内触发和外触发，内触发电平阈值可设置1/32,1/16,1/8,1/4,1/2五种，外触发可设置电平触发和边沿触发。对同步触发装置来说，有电平触发、边沿触发、电流触发以及光触发等触发方式。

传统的测试系统没测试完一次需要工作人员去操作一次测试设备，将上次采集的数据读取回来并将设备重新上电才能进行第二次测试。采用重触发方式，可以避免在连续多次测试时频繁地操作测试仪器，大大降低了测试人员的工作量。当一次爆破完成时，测试系统所有节点均触发一次并记录一次数据，记录完成后自动进入循环预采样并等待下一次触发信号到来，如此循环，直到预设的重触发次数。

3.2 多次采集分块存储技术

基于系统重触发方式的需求，在连续多次采集时避免数据的覆盖丢失，提出将FLASH分块后存储多次采集的数据，提高了FLASH的利用率。

首先系统按照预设的重触发次数和每次采集需要额存储空间将FLASH进行分块，利用FPGA内部的RAM生成一个地址查找表，并将每一块的起始地址存储地址查找表中。系统在循环预采样等待触发状态时会检测采集次数寄存器，自动判断当下为等待第几次触发采集状态，根据采集次数寄存器的值来查找地址查找表确定当次存储数据的FLASH起始地址，将查找表中对应的FLASH地址作为起始地址，按顺序依次存入50个block的数据，即完成了一次数据采集；在数据读取时，同样先检测数据读取次数寄存器，检测当下要读取的是第几次采集到的数据，根据读取次数查找地址查找表，根据查找表中相应的地址从而确定当次读取数据的起始地址，按顺序依次向后读取50个block的数据传输到上位机，即完成了一次数据传输。

3.3 上位机

测试系统上位机是基于VC++设计的数据处理人机交互软件，本软件能够实现数据获取、数据转换、数字滤波、绘制曲线和数据存储的功能，可以适应不同量程传感器的数据处理，通过与采集节点连接可以实现数据的获取，并可以将采集系统得到的放大数据补偿到传感器输出的原始数据进行处理。在进行数据读取时，首先将节点与上位机通过USB相连，上位机检测连接是否成功，连接成功后开始初始化上位机配置参数，等待数据传输，当测试节点发出数据传输指令后，上位机开始接收数据，接收完成后可以对数据进行滤波和增益恢复等处理，并能够恢复出原始模拟信号的波形。系统的软件流程图如图5所示。上位机操作界面如图6所示。

图5 系统软件程序流程图

图6 系统上位机操作界面

4 试验结果与数据分析

在某次爆破试验中，TNT当量约为0.05 kg，爆破地面为刚性水泥地面，采用悬挂定点爆破方式，将弹悬挂于距地面0.5米处。分3个方向在距爆心在地面上投影点的距离分别为70 cm和100 cm处放置三组6个测试节点，布场平面效果图如图7所示。

图7 布场平面效果图

节点触发方式采用内触发方式，内触发电平设置为1/16，增益设置为1，图8是70 cm处1 和100 cm处4 装置的冲击波超压测试波形。

图8 冲击波测试波形

冲击波超压在水泥地面上发生爆炸的基本计算公式:

其中:R是比例距离，是节点到爆炸中心的距离r(m)与爆炸药量W(kg，按TNT当量计算)的立方根之比，即。

由上述冲击波超压基本计算公式可知，在本次测试实验中的布场节点处理论的冲击波超压峰值分别为70 cm处为197.8 kPa，100 cm处为112.5 kPa。

实测的各节点冲击波超压峰值如表1所示。

表1 实测各节点冲击波超压峰值表

从上述分析可知，系统能够很好采集到冲击波超压信号并将数据进行存储，同时能够将数据读出并通过上位机处理。根据上表实验结果对比理论值和实测值可知，本系统测量结果误差在5%以内，说明系统工作稳定可靠。

5 结束语

经过实际测试验证，本系统通过自适应多种触发方式的重触发方式和多次采集分块存储功能，实现了可以在短时间内进行多次测量，免去了在两次测量间隙测试人员对测试系统进行读数操作和重新配置采集参数等一系列工作。本测试系统与大多数测试系统相比具有体积小、布场简便、易于操作、可靠性高等特点，同时该系统简化了通过PC机加载工作参数的设置模式，改用外部开关设置，提高工作效率。

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