摘要：针对高速撞击和跌落等环境试验的离线存储测试需求，从设计灵活性出发，基于混合型SOC单片机，设计了一款高g值加速度存储测试装置。通过硬件电路设计及C8051F340单片机的固件程序设计实现了测试数据的采集及存储功能。基于LabVIEW 8.2设计了上位机应用软件实现了测量设置及数据回放及处理功能。经测试验证采集回放波形与激励波形一致。该装置可用于冲击、跌落等离线环境试验测试以及设备校准。
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。
2 硬件电路设计
硬件电路设计包括信号调理电路、数据采集及控制通信电路、数据存储电路和电源管理电路等的设计，这些模块电路构成测量装置的硬件部分。
2.1 信号调理模块
由于装置中加速度传感器采用压电加速度计，需要设计电荷放大器来进行信号调理。电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益运算放大器，当放大器开环增益和输入
电阻、反馈电阻足够大时，放大器的输出电压正比于由压电加速度计输入的电荷 。由于电荷放大器的输出幅值较小，还需要相应的比例运算电路对其进行放大。在转换、放大后的信号输入给ADC之前，需进行抗混叠滤波处理。其电路如图2所示。
整个电路由两级运算放大器构成，其中运放D1A所在的第一级为电荷放大器电路，运放D1B所在的第二级为放大及滤波电路。为了简化电路及降低功耗，使用3.3 V单电源运算放大器。当SHD端为低电平时，运算放大器进入关闭节电状态。
2.1.1 电荷放大器
在高g值冲击加速度测量中，一般使用的压电加速度计的灵敏度较小，尤其在小量程段测量时，压电加速度计输出的电荷信号微弱，要求电荷放大器所使用的运算放大器具有非常低的泄漏电流。为此，选用了运算放大器MAX4249，其泄漏电流为100 pA.
2.1.2 放大及滤波
其核心为一个单极点低通滤波器，实现信号的抗混叠滤波，以保证ADC可靠进行采样转换。为了保证测量精度，装置分为5 000 g、10 000 g、25 000g和50 000 g等4个量程段。采用双数字电位器MAX5497，通过上位机控制软件由MCU来实现增益调节。其中，电容C，用于去除信号中的直流偏置，以保证加速度信号在电源轨范围内得到正确地调节。
2.2 数据采集、控制及通信模块
数据采集、控制及通信模块包括ADC、MCU和USB接口3个部分。选用C8051F系列混合信号MCU.它采用8051内核，并具有200 kSps采样率、10 bits分辨率的ADC和支持USB2.0协议的接口部件等扩展电路 J。
2.3 数据存储模块
数据存储模块包括测量数据存储区和设置参数存储区。为了满足在10 bits分辨率100 kSps采样率下存储5 s的数据，测量数据存储区需要约7.6 Mbits的容量，加上设置参数存储区，总存储空间不超过8 Mbits.从装置的性能要求出发，在存储器的选择上主要考虑存取速度、非遗失和低功耗3个因素。在FLASHROM、NVRAM和铁电存储器FRAM3类存储器的性能综合比较后，采用2片4Mbits的FRAM来实现。存储器的空间分配如图3所示。其中保留区用来作为测量数据存储区的保护边境和自检时设置参数的暂存缓冲区。
3 软件设计
该装置软件部分包括装置的嵌入式软件设计和上位计算机应用软件设计。二者的任务量布局上“轻嵌入式重上位机”，即装置的嵌入式软件在测量任务实现外只处理硬件电路参数设置和通信受控等轻量级任务，而通信协议解析、电路状态判断以及参数计算处理等重量级任务在上位机应用软件中处理，这也是硬件性能决定的。使用时，两部分软件通过约定的通信协议实现交换功能。
3.1 装置的嵌入式软件设计
运行在装置内部的嵌入式软件程序主要采用Keil C 7.0编写。权衡考虑系统的实时性和可靠性，软件结构采用主程序—中断模式。主程序状态转移如图4所示。
中断服务程序包括ADC中断服务程序和USB接口中断服务程序，由主程序根据检测装置的加电状态来打开对应的中断。在ADC中断服务程序中完成测量、触发检测和存储等功能，利用ADC中断的时间间隔作为测量处理的时基。当通过USB电缆将装置连接到上位计算机后，触发USB中断，装置内MCU检测到中断后，程序转入USB接口中断服务程序，通过对接口协议的解析，完成参数设置、当前参数回传、数据回传和存储器自检等。
为了提高时序的宽裕度，在数据采集时序间隔中执行的任务，包括ADC的转换控制、数据格式转换、触发判断、预触发点回推计算以及数据存取等任务程序，采用嵌入ASM51汇编指令的方式编写，并采用仿流水线结构模式，在时序中尽量交叉插入任务指令，在MCU时钟频率一定的情况下，提高了指令代码的效率，从而解决时序紧张问题。
3.2 上位机应用软件设计
上位机应用软件程序采用LabVIEW 8.2软件平台来进行开发。图5为软件设计中各功能模块的逻辑层次结构图。软件采用事件响应和多线程机制 J，主线程完成软件的初始化、读入保存于INI文件中的测量参数设置和各量程校准系数，并循环检测来自主界面操作的各触发事件。当事件触发，主线程实时响应并激活实现事件处理的子线程。自检线程中，完成对装置与上位机间通信的检测，以及装置内存储器的检测。
存储器自检的策略为6组随机地址一数据对检测和地址总线、数据总线检测。参数设置线程中，根据为装置硬件处理的数据格式，通过USB接口传送至装置，由嵌入式软件写入存储器设置参数区。数据回放后，在主界面图形显示窗口中根据原始数据直接还原信号波形。测量处理模块中仅实现数据文件处理和信号波形导出功能。按数据文件方式处理，应用软件将波形数据以兼容MATLAB格式的数据文件形式保存，即能由应用软件本身重新打开查看波形信息，也可由MATLAB软件进一步进行信号分析处理。信号波形也可直接导出BMP格式的图形文件，或导出至Microsoft Excel软件进行数据分析处理。
4 研制结果
将装置电路、聚合物电池、加速度传感器和接插件连接装配后，灌封在高强度钢制外壳内。应用软件运行界面如图6所示。USB连接线用于测量前参数设置和测量后数据回放时与上位计算机联机。
使用时装置与试件间无任何连线关系，结构上能方便的安装且与试件为刚性连接。装置主体尺寸约为89 mm×4,40 mm，安装的园形底座约为9.8 mm×656 mm，总重量约500 g.定型后的上位机应用软件经过打包后，包含设备的USB驱动程序、INI初始化文件、校准数据处理工具，形成一个规范的软件安装包。
5 测试及功能验证
为了测试和验证装置和应用软件，将装置安装在中物院计量测试中心高冲击加速度标准装置上，重复多次在不同加速度值及脉宽的冲击激励下，装置测量并经应用软件 放的波形与激励波形吻合一致。图7为在加速度幅值为2 165 g、脉宽为0.46 ms的半正弦波形冲击激励下装置测得的波形。
6 结束语
文中采用C8051F单片机为核心设计实现的存储测试装置，体积小，功耗低，可靠性高，测试使用方便，功能扩展灵活。经实际使用验证，满足了使用要求，达到了预期的研制效果。
参考文献：
[1] 黄正平爆炸与冲击电测技术.北京：国防工业出版社;2006.
[2] TEDD A.Rohwer Miniature，singile channel，memo~-based，high g ac—celeration recorder.Sandia national laboratories，SAN099—1392C.
[3] BAKER B.嵌入式系统中的模拟设计.李喻奎译.北京：北京航空航天大学出版社。2006.
[4] 潘琢金.C8051F单片机应用解析.北京：北京航空航天大学出版社，2002.
[5] 杨乐平，李海涛，赵勇，等.LabVIEW 高级程序设计.北京：清华大学出版社，2003.
作者简介：何斌(1975一)，高级工程师，硕士，主要从事力学计量测试技术研究及专用测试设备研制工作。
