石正全，李新娥，尤文斌

(1．中北大學，電子測試技術國家重點實驗室，山西太原 030051；2．中北大學，儀器科學與動態(tài)測試教育部重點實驗室，山西太原 030051)

0 引言

目前，傳統(tǒng)壓力測試技術是將壓力傳感器置于測試現(xiàn)場，信號記錄和處理設備置于現(xiàn)場以外的安全區(qū)域，測試信號通過電纜傳輸[1]。20世紀90年代出現(xiàn)存儲測試技術[2]，將傳感器、適配電路、A/D轉換器、控制電路、存儲器、接口電路以及電源集成于一個裝置內(nèi)置于測試現(xiàn)場，測試完畢后回收裝置進行數(shù)據(jù)處理。隨著現(xiàn)代工業(yè)和高科技軍事領域的迅猛發(fā)展，對壓力測試，特別是瞬態(tài)壓力的測試提出了更高的要求。傳統(tǒng)壓力測量方式由于要布設電纜，測試數(shù)據(jù)極易受到干擾，測試質量較低，且對瞬態(tài)壓力參數(shù)信號響應速度慢、測試系統(tǒng)動態(tài)特性不足，已不能滿足要求，逐漸被存儲測試技術取代。瞬態(tài)壓力測試通常是在惡劣的測試環(huán)境下進行的，存儲測試技術仍然存在測試系統(tǒng)設備布設不便、測試裝置回收不便等缺陷[3]。針對以上問題，設計了一種新型實用瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運用了數(shù)據(jù)采集與緩沖技術、無線通信[4]技術和存儲測試技術，設計了一種通用多通道瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可準確測量惡劣測試環(huán)境下瞬態(tài)壓力參數(shù)，為設計人員設計、判斷、性能評定提供可靠依據(jù)，實現(xiàn)了無線通信[5]、低功耗[6]、微型化、高精度、抗干擾測試，安全可靠，響應速度快，動態(tài)性能好，測試效率高。

1 系統(tǒng)總體設計方案

1．1技術指標

多通道瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)設計技術性能指標如表1所示。

(1)系統(tǒng)的接口：無線、USB接口；

表1 瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)性能指標

(2)系統(tǒng)的供電方式：可供電1 600 mA、7.4 V聚合物電池；

(3)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)捕獲率：≥95%；

(4)系統(tǒng)使用的溫度范圍：-15～60 ℃。

1．2系統(tǒng)結構組成及工作原理

智能測試系統(tǒng)由無線智能壓力探測頭、計算機虛擬處理軟件[7]系統(tǒng)主控臺組成，并采用壓力動態(tài)校準系統(tǒng)對無線智能壓力探測頭群進行校準。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

實際測試時，將無線智能壓力探測頭置于測試現(xiàn)場，系統(tǒng)主控臺和虛擬軟件處理計算機置于安全區(qū)域，系統(tǒng)主控臺控制無線智能壓力探測頭的工作狀態(tài)并存儲測試數(shù)據(jù)，虛擬軟件處理計算機對測試數(shù)據(jù)進行處理，最終完成被測壓力場瞬態(tài)壓力參數(shù)的測試。

瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)測試狀態(tài)如圖2所示，測試過程中信息流如圖3所示。

圖2 測試系統(tǒng)狀態(tài)圖

圖3 測試系統(tǒng)中的信息流框圖

2 系統(tǒng)設計

信號采集與存儲電路是整個測試系統(tǒng)的核心[8]。系統(tǒng)測試電路包括傳感器適配電路、A/D轉換電路、FIFO緩存器、Flash存儲器、CPLD[9]復雜可編程邏輯器件、AVR單片機控制電路、無線收發(fā)模塊以及USB接口電路等模塊組成。瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)測試電路結構框圖如圖4所示。

圖4 瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)電路結構框圖

瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)電路部分分為模擬電路、數(shù)字電路和通信電路3個板塊。模擬電路板塊主要有信號調理電路、可編程運算放大電路和控制電路，功能為對瞬態(tài)壓力模擬信號的可編程放大、濾波和系統(tǒng)上、下電控制；數(shù)字板塊主要有A/D轉換器、FIFO緩存器、Flash存儲器和中心控制器，功能為將模擬信號轉換為數(shù)字信號并存儲；通信板塊主要有無線實時通信單元、USB傳輸單元和中心控制單元，功能為完成瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)無線實時傳輸以及USB傳輸。

瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)采用XCR3064CPLD可編程邏輯器件對系統(tǒng)電路上、下電和上、下電延時進行控制，并為數(shù)字板提供16 MHz晶振。數(shù)字板塊控制電路采用XCR3128和ATmega8515共同控制。為保證1 MHz的采樣頻率，采用AD7492獨立A/D轉換芯片。系統(tǒng)采用FIFO芯片作為其數(shù)據(jù)緩存芯片，用來緩存瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用NAND閃存K9F1G08U0A-PIBO作為數(shù)據(jù)存儲器。通信板塊中無線實時通信單元的作用主要是完成主機與探測頭之間的無線數(shù)據(jù)傳輸，從而對探測頭進行參數(shù)設置，進行無線觸發(fā)。USB接口電路完成系統(tǒng)主機與智能測試系統(tǒng)、通信電路與數(shù)字電路、通信電路與模擬電路之間的通信。

單片機控制A/D的使能，配合CPLD控制FIFO和Flash的讀寫和擦除，以達到探測頭的數(shù)據(jù)采集、存儲的效果。單片機和CPLD共同完成對整個探測頭的各項功能的控制，完成數(shù)據(jù)存儲、采集和傳輸?shù)墓δ堋纹瑱C主程序流程圖如圖5所示。

圖5 單片機主程序流程圖

瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)配套設計了計算機虛擬處理軟件，用來控制測試系統(tǒng)工作狀態(tài)，完成測試數(shù)據(jù)的處理工作。該軟件通過無線傳輸方式對測試系統(tǒng)采樣頻率、量程等參數(shù)進行設置，并實時顯示測試數(shù)據(jù)及處理結果。

3 實際測試結果

測試系統(tǒng)經(jīng)過實驗室標定和多次模擬試驗后，對3 kg TNT爆炸沖擊壓力[10]進行了實測試驗，取得了良好的試驗效果，獲得多條有用數(shù)據(jù)，具體試驗情況如下：

在試驗中，探測頭分布在距爆心不同距離的圓弧上，爆心離地面高度為1.5 m，主控臺置于離爆心300 m的掩體內(nèi)。打開探測頭電源，無線開關，同時啟動主控設備及筆記本電腦，通過無線通信對探測頭進行自檢和相關參數(shù)設置，炸藥爆炸后，主控節(jié)點發(fā)送指令讀取測試數(shù)據(jù)。

圖6為探測頭所測數(shù)據(jù)，通過無線數(shù)據(jù)傳輸讀取到計算機，經(jīng)過濾波等處理后的曲線。由圖6可以看出測點遠離爆心瞬態(tài)壓力峰值總體符合單調遞減規(guī)律，這充分體現(xiàn)了爆炸沖擊波的傳播特性。本文引用Henrych的空氣沖擊波的峰值超壓經(jīng)驗公式[11]，即

圖6 探測頭壓力曲線

式中：Z=R/W1/3；R為測點與爆心之間的距離，m；W為等效TNT藥量，kg(以TNT當量計算)。

通過上式，計算瞬態(tài)壓力峰值得到的理論數(shù)值與實測值基本吻合。

4 結論

瞬態(tài)壓力智能測試系統(tǒng)綜合運用了無線通信技術、數(shù)據(jù)采集與緩沖技術和存儲測試技術，響應速度快，動態(tài)性能好，測試效率高，測試數(shù)據(jù)不易丟失，充分發(fā)揮無線通信技術的優(yōu)越性，突破測試環(huán)境的限制，實測結果表明可完成惡劣測試環(huán)境下瞬態(tài)壓力參數(shù)的測試、處理和存儲。因此，該系統(tǒng)在瞬態(tài)壓力測試領域有很好的應用前景和推廣價值。

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作者簡介：石正全(1988-)，碩士研究生，主要研究方向為動態(tài)測試與智能儀器。E-mail：w880325@126．com

李新娥(1971-)，教授，在讀博士，主要從事動態(tài)測試、通信的教學和科研工作。