一种新颖的可重构数据存储压力仪

随着微电子技术的快速发展,国外从20世纪80年代起开始研究不需引线电缆的存储测试技术[1].该技术是一种将传感器、适配放大器、A/D变换器、存储器、控制电路、接口电路及微型电池集合在一起的微型化测试系统.它具有微小的体积,耗电低(几十毫瓦),能耐受高的冲击加速度,较高的环境温度及环境压力,不需要引线,能直接放入被测体内,在被测体工作过程中把信号记录下来,待过程结束后取出装置,用计算机读出和处理数据[2].近10年来,数字存储测量技术飞速发展,已广泛应用于爆炸冲击波测量[3]、内外弹道加速度历史测量[4-7]、油气井下压力及温度测量[8-9]等方面.但是,这些应用大多数情况是单个存储测量仪器的使用,仪器参数设定后更改的技术难度大,需专业人员操作,无法适应规模大、使用环境复杂、测量状态多变的测量.为了准确、可靠地测量运动战斗部爆炸冲击波压力场,作者介绍一种新颖的冲击波压力场测试方案———可重构数据存储压力仪系统.每个数据存储压力仪单元的通讯接口可与计算机连接,除对压力仪进行数据读取外,还可通过计算机软件对该压力仪进行参数重构.系统的数据存储压力仪单元不需要任何辅助工具,对所处点的空气冲击波进行独立的精确测量.此外,该压力仪专门设计了内外触发模块和接口,把多个仪器用同步电缆连接成方阵形式的系统,进行多方位同步测量,不仅可以得到多点的空气冲击波压力历史,还可以得到冲击波到达各测点的时间数据,为弹药的爆炸威力评估提供更多有效测量数据,极大地提升了系统的使用价值.

1　数据存储压力系统的结构与实现

系统原理如图1所示,内部结构如图2所示.

图1给出了系统的工作流程.首先由压电传感器将空气压力场的压力转化为电压信号,此电压信号分别经过一个高输入阻抗电压运放变成两路电压信号,然后运放1和运放2分别对两路电压信号进行10倍和100倍电压放大,放大后的信号再分别经过模数转变及存储,传送到系统的主控芯片FPGA和CPU,由主控芯片对信号进行实时检测.一旦有符合预定条件的信号,仪器自动存储数据,并停止采样(其中采样信号的触发电平、触发方式、触发相位、及采样速率都可以在采样前通过PC机对仪器进行采样条件设定).采集后可通过USB传输方式把PC机和存储仪相连,读取采集到的数据.因为测量爆炸冲击波压力场的场所多在野外,仪器上端的操作面板可以很方便地进行仪器的开启和复位等工作.系统的供电电源是4节可充电的镍氢电池,所以各芯片的电源端都是由供电电路提供.CPU采用Philips公司的LPC2114. FPGA采用Altera的ACEX系列的EP1K30T,ACEX1K是面向通信领域的中密度、高性价比的FPGA.在由中枢控制系统FPGA和CPU组成的系统中,由FP-GA控制对SRAM的访问,即CPU必须通过FPGA访问SRAM.触发信号由FPGA生成,FPGA在为A/D和SRAM传递数据时,对数据进行监测,发现满足触发条件时,生成触发信号;同时还要对来自其他设备的触发信号进行监测.若可以触发,则设置本设备的触发信号(对于来自数据和外部的触发条件,FPGA要进行滤波,防止噪声引起的误触发).FPGA和CPU的PWM生成A/D的采样时序,并同时生成对SRAM的DMA操作的地址信号和控制信号.