劉海龍

(青島杰瑞自動(dòng)化有限公司,山東 青島 266000)

0 引言

炮彈發(fā)射出炮膛時(shí)間短暫,過程復(fù)雜度高。對(duì)炮彈膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)行程、沖擊過載和速度等參數(shù)測(cè)量,可為評(píng)價(jià)武器系統(tǒng)壽命、可靠性及安全性提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)支持。傳統(tǒng)的測(cè)量主要依賴炮彈打靶測(cè)試試驗(yàn)獲取炮彈過載數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)特性及彈道發(fā)射規(guī)律等[1-2]。飛行姿態(tài)、加速度、旋轉(zhuǎn)角和過載等大量數(shù)據(jù)須存儲(chǔ)。采集存儲(chǔ)數(shù)據(jù)及快速提取出所需的關(guān)鍵數(shù)據(jù),是解決彈道數(shù)據(jù)提取最基礎(chǔ)的問題[3]。傳統(tǒng)的采集存儲(chǔ)器在發(fā)射前開啟設(shè)備,再進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備,如彈藥填充、方位角、射角調(diào)整和射向調(diào)整等[4-5]。基于火炮自身特性,發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng),發(fā)射及準(zhǔn)備時(shí)間無(wú)法準(zhǔn)確判斷,采集存儲(chǔ)器不可避免地采集存儲(chǔ)大量與試驗(yàn)無(wú)關(guān)的數(shù)據(jù),而數(shù)據(jù)分析人員通常只需要出炮膛前到靶標(biāo)后極短時(shí)間內(nèi)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過炮彈打靶試驗(yàn),采集并存儲(chǔ)炮彈出膛數(shù)據(jù),采用閾值標(biāo)定法對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)快速提取,在對(duì)比試驗(yàn)數(shù)據(jù)中驗(yàn)證該方法的可靠性。

1 采集存儲(chǔ)器總體設(shè)計(jì)

采集存儲(chǔ)模塊主要由調(diào)理變換板卡和采集存儲(chǔ)板卡構(gòu)成,完成信號(hào)的調(diào)理變換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)等功能。

調(diào)理變換板卡經(jīng)過傳感器信號(hào)進(jìn)行隔離、放大和濾波,將傳感器微弱信號(hào)轉(zhuǎn)換到ADC輸入范圍內(nèi)且不影響信號(hào)質(zhì)量,提高信噪比、靈敏度和測(cè)量精度。信號(hào)調(diào)理模塊對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行放大、偏置等處理后,采用多通道模擬開關(guān)進(jìn)行多路信號(hào)切換,將模擬開關(guān)的輸出信號(hào)送到A/D轉(zhuǎn)換模塊,主控單元對(duì)A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行編輯處理后緩存,把數(shù)據(jù)寫入抗高過載存儲(chǔ)模塊,存儲(chǔ)器由電池供電。

采集存儲(chǔ)板卡主要是對(duì)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及試驗(yàn)后讀取,整體設(shè)計(jì)以FPGA為核心器件,主要完成采集存儲(chǔ)器的讀取、寫入、擦除和提取等數(shù)據(jù)分析步驟。

采集存儲(chǔ)板卡前端采用兩片16路模擬開關(guān),通過編程控制模擬開關(guān)選通信號(hào)通道。模擬開關(guān)輸出信號(hào)給ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器,ADC輸出數(shù)字信號(hào)給存儲(chǔ)陣列進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。其中,512 GB存儲(chǔ)陣列由16片32 GB容量的FLASH芯片搭建而成,384 GB存儲(chǔ)陣列由12片32 GB容量的FLASH芯片搭建而成,320 GB存儲(chǔ)陣列由10片32 GB容量的FLASH芯片搭建而成。采集存儲(chǔ)板卡結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 采集存儲(chǔ)板卡結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)工作流程設(shè)計(jì)

采集存儲(chǔ)器開始啟動(dòng)后,系統(tǒng)進(jìn)入自檢模式,功能自檢后等待數(shù)據(jù)上傳,FPGA控制單元發(fā)送指令控制整個(gè)系統(tǒng)正常工作,同時(shí)接收數(shù)據(jù)并存儲(chǔ),采集存儲(chǔ)器使用后回收,在讀取模式下,利用上位機(jī)數(shù)據(jù)提取,完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)及讀取功能。系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)工作流程

3 閾值標(biāo)定法的提出及實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)快速提取關(guān)鍵數(shù)據(jù),節(jié)省數(shù)據(jù)讀取時(shí)間,提高數(shù)據(jù)處理分析效率,本文提出“閾值標(biāo)定法”,采集存儲(chǔ)器設(shè)計(jì)時(shí),先預(yù)估試驗(yàn)過程中出炮膛時(shí)刻的最大加速度值,并將該值的1/3設(shè)為“關(guān)鍵數(shù)據(jù)閾值”;將實(shí)際試驗(yàn)中第一個(gè)“關(guān)鍵數(shù)據(jù)閾值”出現(xiàn)的時(shí)刻稱為“關(guān)鍵數(shù)據(jù)零時(shí)”。關(guān)鍵數(shù)據(jù)持續(xù)時(shí)間在毫秒級(jí)別,因此以“關(guān)鍵數(shù)據(jù)零時(shí)”為時(shí)間基準(zhǔn),取其前后1 s的數(shù)據(jù)足以對(duì)整個(gè)試驗(yàn)過程形成完整包絡(luò)。

“閾值標(biāo)定法”主要是在嵌入式代碼中通過相應(yīng)算法實(shí)現(xiàn),“關(guān)鍵數(shù)據(jù)閾值”作為算法的輸入X,模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)作為輸入Y(采集存儲(chǔ)器需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù))。該方法的核心之一在于采集存儲(chǔ)器進(jìn)入采集存儲(chǔ)模式時(shí),模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)之后,通過構(gòu)造的比較器內(nèi)核比較X、Y;當(dāng)首次Y>X時(shí),記錄此時(shí)Y數(shù)據(jù)在FLASH存儲(chǔ)單元的地址,由于Y數(shù)據(jù)在FLASH存儲(chǔ)單元中采用連續(xù)寫入的存儲(chǔ)方式,因此該存儲(chǔ)地址可轉(zhuǎn)換為存儲(chǔ)相對(duì)時(shí)間,即可得到“關(guān)鍵數(shù)據(jù)零時(shí)”;將此“關(guān)鍵數(shù)據(jù)零時(shí)”寫入FLASH存儲(chǔ)單元中特定位置以防信息掉電丟失,該特定地址通常設(shè)置為FLASH存儲(chǔ)單元中第一塊的第一頁(yè)位置,稱為“零時(shí)存儲(chǔ)地址”;“關(guān)鍵數(shù)據(jù)零時(shí)”信息記錄完畢后,轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)Y繼續(xù)之前位置進(jìn)行連續(xù)存儲(chǔ),直至存儲(chǔ)過程結(jié)束。流程如圖3所示。

圖3 采集存儲(chǔ)模式中“閾值標(biāo)定法”流程

試驗(yàn)結(jié)束快速提取關(guān)鍵數(shù)據(jù)時(shí),采集存儲(chǔ)器首先訪問“零時(shí)存儲(chǔ)地址”,從該地址中讀取“關(guān)鍵數(shù)據(jù)零時(shí)”相關(guān)信息;根據(jù)“關(guān)鍵數(shù)據(jù)零時(shí)”分別計(jì)算前后1 s的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)地址,讀取FLASH存儲(chǔ)單元中對(duì)應(yīng)地址的數(shù)據(jù)(關(guān)鍵數(shù)據(jù)),實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的快速提取。流程如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)讀取模式中“閾值標(biāo)定法”流程

4 閾值標(biāo)定法在關(guān)鍵數(shù)據(jù)快速提取中的應(yīng)用

炮彈搭載采集存儲(chǔ)器試驗(yàn),存儲(chǔ)器采集到的數(shù)據(jù)如圖5所示,出炮膛時(shí)刻最大加速度值為10 000 g(假設(shè)該值為預(yù)估值),則“關(guān)鍵數(shù)據(jù)閾值”為3 300 g,“關(guān)鍵數(shù)據(jù)零時(shí)”為40 314 ms,整個(gè)試驗(yàn)過程出炮膛到靶標(biāo)時(shí)間不超過100 ms。使用閾值標(biāo)定法后,數(shù)據(jù)采集讀取區(qū)域即為a-b段數(shù)據(jù),大大縮短數(shù)據(jù)讀取時(shí)間,提高分析數(shù)據(jù)的效率。

圖5 炮彈整體過載

5 結(jié)語(yǔ)

通常情況下,由于采集存儲(chǔ)信號(hào)通道多、信號(hào)采樣頻率高,產(chǎn)品的性能主要受到存儲(chǔ)模塊的存儲(chǔ)速度影響。存儲(chǔ)器在數(shù)據(jù)緩存模塊上使用大容量FIFO緩沖數(shù)據(jù)提高通信效率。在存儲(chǔ)模塊上,對(duì)FLASH存儲(chǔ)芯片采用雙平面交叉編程,實(shí)現(xiàn)了大容量數(shù)據(jù)的高速存儲(chǔ)。使用閾值標(biāo)定法對(duì)關(guān)鍵數(shù)據(jù)提取,節(jié)省了后期數(shù)據(jù)處理分析時(shí)間,大大提高試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析的效率。