高g值加速度存储测试装置设计及实现

　　0 引言

　　在高速撞击、跌落等环境试验以及高冲击试验设备如轻气炮等的校准中，带线测试在设备的安装、使用以及数据信号传输的可靠性等方面存在很多不足? 。采用离线的存储测试装置，由于体积小，可靠性高，事后数据回放方便等优点，能满足这方面的应用需求 J。使用时，装置安装于弹体(或被测试件)内，并随弹体一起发射进行试验，实时完成冲击加速度信息的快速采集与存储。事后回收装置，由上位计算机应用软件回放测试数据，处理和再现加速度时间历程曲线。

　　文中主要介绍了加速度测量范围在50 000 g内、半正弦冲击脉冲波形宽度不小于0.1 ms、10 bits分辨率及100 kSps采样率下存储时间为5 S、预触发时间5 S内任意设置的高g值冲击加速度存储测试装置的研制，并就各部分硬件电路的设计以及软件的实现进行了分析说明。

　　1 装置的总体设计思想

　　高g值冲击的测试和存储涉及传感器信号调理、数据采集、数据存储、控制及联机通信等部分。加速度传感器测得冲击加速度波形后，输出的电荷信号经信号调理模块进行转换、放大和滤波等处理，并由数据采集部分的ADC进行实时采集，然后将数据存入非遗失存储器。离线测试完成并回收装置后，通过USB接口数据线和计算机联机通信，回放存储于装置中的波形测试数据。另外装置的测量设置、校准系数设置、自检等操作也在上位机应用软件中完成。通过USB接口使装置受控并写入设置参数保存于装置内。

　　装置的构成原理如图1所示。其中控制模块作为核心，完成信号调理和数据采集电路参数的设置、触发控制、工作状态转换、接口通信、电源管理以及存储器自检等功能。回放时，与上位机的通信采用USB2.0总线，为数据的快速回放提供了条件。为满足不同测量的需要，装置保留了外接传感器接口，可通过选择开关选择使用内置或外接传感器。

　　作为离线测试装置，在设计上必须解决体积、供电及功耗问题。为此，采用将数据采集和接口通信以及微控制器内核集成在一起的低电压混合信号微控制器来实现单通道实时采集、实时存储、被动通信回放的方案，减小了电路规模和电路功耗。将采集存储和通信回放2个过程分离。信号采集完成后，在未取下加电接头的情况下使信号调理电路、数据采集电路、存储电路自动关闭或进入微耗电状态，仅控制电路工作在节电模式，从而达到降低功耗的目的。整个装置采用3.3 V单极性电源，由聚合物电池和USB接口双电源供电，在保证了测量数据的安全存储、可靠回放的同时，又提供了USB充电功能。在设计数据采集和数据存储部分时，由于单通道实时采集为逐点采集直至整个测量过程完成，其时间分辨率对ADC器件的速度依赖性大，即每个采样点的采入、量化、数据格式的转换、循环存储、预触发点倒推及测量触发处理等过程必须在时间分辨率所确定的时间间隔内完成，这对存储器的存取时间、MCU的时钟周期以及嵌入式软件程序的效率等提出了严格要求，是设计中的一个难点。