王文廉，张晋文，赵晨阳，张志杰

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

爆炸场压力测试多存少取技术研究

王文廉1，2，张晋文1，赵晨阳1，张志杰1，2

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

爆炸场压力信号测试过程中，现场干扰容易引起错误的系统触发导致测试失败。针对分布式存储测试系统，提出一种多存少取的测试技术。大容量的测试数据存储实现长时间的信号记录，可避免误触发引起的失效；标记并提取小容量的有效数据段，可改善数据传输和数据处理效率。设计并研制了一种基于多存少取技术的爆炸场地面压力测试系统，测试节点采样速率1 Msps、128 Gb数据存储、512 kW有效数据段提取，并具有Wi-Fi无线网络覆盖。

爆炸场；压力测试；多存少取；无线网络

爆炸过程中的冲击波压力测试是武器研制过程中威力评估和性能评价的重要手段［1－3］，研制试验成本很高，必须保证测试的可靠性。常规的测试系统记录时间短，需要可靠的系统触发来保证瞬态爆炸压力信号测试的成功。系统触发方式包括手动触发、断线触发、压力信号触发和无线控制触发等［4－6］。在多数的爆炸测试环境中，测试人员远距离撤离，无线网络在爆炸前一段时间关闭，压力测试系统的工作状态很难监测，现场干扰可能引起测试系统误触发导致测试失败。另一方面，随着压力场测试要求的提高，测试节点的数量越来越多，测试数据量不断增加，加重了数据传输和处理的负担。特别是无线通信技术逐渐应用于测试系统的控制和数据传输，其有效通信速率相对较低［7－9］，对于信号采集速率较高的冲击波压力测试，很难实现大容量数据传输。

本文针对分布式存储测试系统提出一种多存少取的测试技术，通过大容量的数据存储来实现长时间的信号采集，从而摆脱系统依靠触发记录的工作方式，提高测试的可靠性。并且，提取小容量的有效数据段进行传输，提高数据传输效率。以多存少取技术为基础，研制了一种基于Wi-Fi无线技术的爆炸场冲击波压力测试系统。

1 多存少取测试技术

在常规的冲击波压力测试系统中，比如通用型的采集卡设备，为了获得高的采集速率，需要选择存储容量小、存取速度快的SRAM或SDRAM等存储器件。受限于数据存储容量，测试系统记录的信号长度短。此类测试系统为了捕获瞬态的爆炸压力信号，必须采用触发记录的工作方式。图1是常规测试系统的工作流程与工作时间的关系。为了获得触发时刻前的负延迟数据，系统上电后立即进入循环采集存储状态，即待触发状态，时间长度为Tw；如果检测到触发信号，系统进入顺序采集存储状态，即信号采集状态，时间长度为Ts；系统总的工作时间为Ta，表示为Ta＝Tw＋Ts。在实际的试验场应用中，等待触发时间Tw需要很长，主要包括人员撤离、其他测试部门协调、安装起爆装置、下达指令等时间。而有效信号采集时间Ts很短，由数据存储容量和采样速率决定，通常为几秒钟。如果系统在爆炸前发生了误触发，Ts很短，那么很难采集到压力信号。

图1 常规测试系统工作流程与时间关系Fig.1 Workflow of conventional measurement system versus time

多存少取的测试技术通过大容量的数据存储来增加有效信号记录时间，并结合有效数据段标记方法，提取小容量的有效数据段，用于传输和数据处理，工作原理如图2所示。A/D变换器将模拟信号转换成数字信号（测试数据），数据被顺序存储到大容量的存储器中，同时对数据跟踪。如果发生一定脉宽的突变信号，将其划分为有效数据段，并按存储地址和存储时间两种方式标记下来。在采集存储完成以后，提取有效数据段。如果在整个测试过程中，出现了一些类似冲击波压力信号特征的干扰信号，也将一并被标记为有效数据段，从而出现多个有效数据段。按爆炸时刻提取其中一个数据段，如果还存在数据干扰，可以提取其他备份数据段。这种多存少取的方法通过广泛采集，精确筛选既提高了测试的成功率，也减轻了数据传输和处理的压力。

图3是多存少取测试系统的工作流程与时间的关系。系统上电后直接进入信号采集状态，采集的数据顺序存入大容量的存储器，同时控制器根据信号特性对数据段进行判断是否为有效数据，然后进行标记。一个有效数据段记录的时间长度为Ti，如果有Ns个有效数据段，那么系统有效的信号记录时间Ts＝Ns·Ti。系统总的工作时间为Ta，Ta由存储容量Nm和采集速率fs决定，Ta＝Nm/fs。Ts≤Ta，系统有效的信号记录时间最长可以达到系统总的工作时间。如果Ta足够长，可保证获得爆炸的压力信号。随着大容量存储器技术的发展，在兼顾系统采集速率（通常约为1Msps）的情况下，可以获得大容量的存储。

图2 多存少取工作原理Fig.2 Schematic diagram ofmass storage and less read technology

图3 多存少取测试系统工作流程与时间关系Fig.3 Workflow ofmass storage and less read measurement system versus time

2 测试节点设计与实现

根据多存少取的设计思路，研制了用于爆炸场地面压力测试的无线测试节点。传感器采用PCB公司的ICP压力传感器，上升时间小于1μs，谐振频率大于500 kHz，节点的测试压力量程0.01 MPa～10 MPa，可根据测试要求选用不同的传感器。电路带宽0.1 Hz～250 kHz，信号的采集速率1Msps，采集分辨率12 bit。

节点的电路设计结构如图4所示，主要包括压力传感器、A/D变换器、FPGA、FLASH存储器和Wi-Fi无线协议。采用可编程控制器FPGA作为中心控制器，负责所有的控制、协议、数据总线、参数存储和信号判断等功能，相比其他微控制器（MCU），FPGA容量大、速度快，更主要的是可以实现各模块的多线程工作，提高系统的效率和数据传输速率。

图4 测试节点结构框图Fig.4 Block diagram ofmeasurement node

2.1 大容量存储

大容量存储技术主要取决于存储器，早期的选择有磁盘、磁光盘等，但需要高速旋转，也很难微型化。半导体的存储器件可以抗冲击、微型化，主要有SRAM、DRAM、EEPROM和Flash Memory等。多存少取的大容量存储需要满足几个要求：存入平均速率高于采集速率，比如1MW/s；存储容量满足长时间顺序存储，比如2小时；可按地址随机存取；体积小，抗冲击。现有的快速大容量存储，大多选择多片DRAM芯片实现，NAND Flash存储器已经逐渐得到应用。本文的研制系统中采用NAND Flash存储器K9MDG08U5D，单片存储容量已经达到16G×8bit，页大小（4k＋218）Byte，页写入速率300μs。

Flash存储器相对于SARM和DRAM控制复杂，研制的关键是设计写入、擦除、坏块检测、读出、地址控制等程序，如图4，全部由FPGA硬件编程完成。压力传感器输出信号通过增益、偏置、滤波处理后，由A/D变换器转换为数字信号。A/D变换器的控制由FPGA编程实现，控制转换速率和获取转换数据。1Msps的转换速率，很难按点即时地写入存储器，将数据通过FIFO缓存，并变成8位字节的形式，写入Flash存储器。

2.2 有效数据段提取

根据压力信号的特征、通信速率和存储器块长度，有效数据段的长度设计为512 kW。提取有效数据段，需要标记和读出两个阶段。标记是根据数据的变化初步判断是否冲击波压力信号到来，其判断标准采用简单的上升时间和脉宽判断。如果上升时间小于10μs，正向持续时间大于100μs，标记为有效数据段，将其存储到Flash的起始地址标记出来。这样的判断标准一方面是为了去除高频噪声干扰和低频漂移；另一方面保留不同爆炸当量和不同距离时的冲击波特性。这种判断标准很宽松，对于传感器感受到的其他压力信号，如敲击、碰撞等不能滤除，可能出现多个有效数据段。

为了更准确提取有效数据段，除了判断信号特性，还在标记地址的同时标记时间信息。在FPGA内有时间发生器，并用主控计算机授时，在判断为有效数据段时，把此刻的时间记录下来。数据的提取在爆炸完成后由主控计算机完成，可以用爆炸时刻来选择有效数据段。

2.3 Wi-Fi无线通信

存储测试技术可以提高系统抗干扰能力，保证人员安全，但是系统工作状态难以监控，测试数据回收不方便。具有无线通信的存储测试系统，可以实现远距离的监控和数据传输。目前大多数的无线测试系统采用发展成熟的zigbee无线传感器网络原理。此类无线网络的传输速率低、距离近，对于数据量较大冲击波压力测试，很难得到实际应用［6－7］。本系统采用具有IEEE 802.11 b/g传输协议的Wi-Fi通信，通信速率能达到54 Mbps，甚至更高。在每个存储测试节点中设计一个Wi-Fi通信模块，与爆炸场附近的无线接入点（AP）连接组网，最终与2 km外的主控计算机建立远距离通信。

根据现场使用情况，将通信分为连续模式A和间断模式B，如图5所示。在连续模式下，测试节点上电后作为服务器端，处于监听状态等待连接，但同时进行信号采集存储。如果已经获得压力信号，可以随时建立无线连接，中断采集，读取数据。在间断模式下，测试节点在信号采集前建立连接，进行功能检测和授时，然后关闭无线连接，进入信号采集状态。在采集存储完成后，自动进入监听状态，等待建立连接，读取数据。在需要完全关闭无线通信的试验中，系统可以采用USB接口的方式完成参数配置和数据读取。

图5 无线通信状态图Fig.5 State diagram ofwireless communication

3 实验及数据分析

为了验证压力测试系统的可靠性，参加了爆炸环境的测试实验。测试节点现场安装如图6所示，在距离爆炸中心不同的位置（20 m～30 m）安装了多个测试节点，节点贴近地面工作。因为爆炸有预制破片，在测试节点前方安装了直径50 mm的圆柱形防护体，距离传感器的距离500 mm。测试过程中，在爆炸圆周上布置了多种其他测试装备，人员、车辆和电缆较多。为了保证测试人员安全，提前开启了压力测试系统，人员撤离到安全位置。

图6 现场实验测试节点安装Fig.6 Disposal ofmeasurement nodes in experiment

经过5次爆炸压力测试，都获得了有效数据。以其中一次较特殊的现场情况为例，说明多存少取测试系统的可靠性。开启测试系统后，在爆炸前有少量下雨，雨点落到压力传感器上产生干扰信号。对于常规的存储式测试系统，雨点干扰信号将引起误触发，无法记录到爆炸压力信号。而多存少取测试系统，可以长时间有效记录，保证捕获到爆炸压力信号。由于雨点干扰信号近似压力特征，被标示为有效数据段1，而爆炸压力信号被标示为有效数据段2，如图7所示。图7（a）是雨点干扰信号曲线，图7（b）是爆炸压力曲线。分析表明，距离爆炸中心20 m位置的地面冲击波超压值为0.053 MPa，持续时间16.445 ms。在冲击波到达前34.974 ms内有噪声信号。根据噪声信号特征和爆炸环境分析，噪声来源包括预制破片飞行引起的激波，以及爆炸电磁场和地面震动。

图7 测试曲线Fig.7 Measurement curves of experiment

4 结 论

针对试验场爆炸环境的冲击波压力测试，提出了一种多存少取测试技术。通过FPGA控制下的NAND Flash大容量存储方式实现了长时间的信号记录，从而提高测试的可靠性；根据信号上升时间和脉宽划分了有效数据段，并按存储地址和存储时间进行了标记，缩短了数据传输和信号处理时间。研制了用于地面压力测试的多存少取无线测试系统，实验验证了测试系统的有效性。

［1］赖富文，王文廉，张志杰.大当量战斗部爆炸冲击波测试系统设计及应用［J］.弹箭与制导学报，2009，29（3）：133－138.

LAIFu-wen，WANGWen-lian，ZHANG Zhi-jie.Design and application of test system for blast wave［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2009，29（3）：133－138.

［2］顾平安，卫海鹰，肖昌炎.FAE云雾爆轰冲击波压力测试技术研究［J］.爆炸与冲击，2001，21（4）：312－314.

GU Ping-an，WEIHai-ying，XIAO Chang-yan.Studies on the shock-wave measuring technology in the FAE test［J］.Explosion and Shock Waves，2001，21（4）：312－314.

［3］van't Hof P G，Cheng L K，Scholtes JH G，et al.Dynamic pressuremeasurementof shock waves in explosivesbymeansof a fiber Bragg grating sensor［C］//27th International Congress on High-Speed Photography and Photonics，Proc.of SPIE Vol.6279，2007：62791Y－1－7.

［4］黄家蓉，王幸，吴飚.冲击波超压测量影响因素探索［C］//第六届全国工程结构安全防护学术会议，2007：155－160.

［5］王文廉.同时测速测压的存储式冲击波测试系统研究［D］.太原：中北大学，2004.

［6］董冰玉，杜红棉，祖静.基于无线控制的冲击波超压测试系统［J］.传感技术学报，2010，23（2）：279－281.

DONG Bing-yu，DU Hong-mian，ZU Jing.The blast wave overpressuremeasuring system based on wireless-control［J］.Chinese Journal of Sensors and Actuators，2010，23（2）：279－281.

［7］Han B G，Yu Y，Han B Z，et al.Development of a wireless stress/strain measurement system integrated with pressuresensitive nickel powder-filled cement-based sensors［J］.Sensors and Actuators，2008，147（2）：536－543.

［8］张志杰，王代华，王文廉，等.具有无线数据传输与控制功能的冲击波超压测试系统［J］.计测技术，2010，30（1）：22－25.

ZHANG Zhi-jie，WANG Dai-hua，WANG Wen-lian，et al.Shock wave pressuremeasurement system function with wireless data transmission and control［J］.Metrology and Measurement Technology，2010，30（1）：22－25.

［9］Aslam MI，Zekavat S A.New channel path loss model for near-ground antenna sensor networks［J］.Wireless Sensor Systems，2012，2（2）：103－107.

Mass storage and less read technology for pressurem easurement of an exp losion field

WANGWen-lian1，2，ZHANG Jin-wen1，ZHAO Chen-yang1，ZHANG Zhi-jie1，2
（1.MOE Key Laboratory of Instrumentation Science＆Dynamic Measurement，North University of China，Taiyuan 030051，China；
2.State key Laboratory for Electronic Test Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

Duringmeasuring pressure signals of explosion field，the interference on site causes easily wrong system triggering tomakemeasurements fail.A measurement technology based on mass storage and less read was proposed for a distributed storagemeasurement system.Long signal recording acquisition was achieved with mass storage ofmeasurement data to avoid failure due to wrong triggering.On the other hand，small valid data segments were extracted with signal marking to improve the efficiency of data transmission and data processing.A measurement system based on mass storage and less read technology was designed and developed for ground pressure measurement of an explosion field，and the measurement nodes were characterized with sampling rate of 1Msps，data storage of 128Gb，valid data segment extraction of512kW，and Wi-Fiwireless network coverage.

explosion field；pressure measurement；mass storage and less read；wireless network

TN06

A

10.13465/j.cnki.jvs.2014.24.009

国家自然科学基金项目（61106077）

2013－08－20 修改稿收到日期：2014－01－02

王文廉男，博士，副教授，1978年1月生