基于FPGA軟核的參數(shù)可變的壓力測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

爆炸沖擊波壓力測(cè)試是對(duì)常規(guī)武器系統(tǒng)殺傷力評(píng)價(jià)的有效技術(shù)手段，可為武器的威力對(duì)比，性能評(píng)估提供重要的依據(jù)。為了獲取整體信息，往往需要在測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)布設(shè)數(shù)目較多的測(cè)試裝置。由沖擊波超壓經(jīng)驗(yàn)公式分析，超壓峰值隨著彈藥的當(dāng)量和測(cè)點(diǎn)距爆心的距離產(chǎn)生十分顯著的變化。在實(shí)際測(cè)試中，要求測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)對(duì)象和測(cè)試環(huán)境合理設(shè)置參數(shù)。傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了完成不同的測(cè)試任務(wù)，往往需要重新設(shè)計(jì)PCB電路。而設(shè)計(jì)新的系統(tǒng)不僅花費(fèi)較大工作量和成本，并且開發(fā)周期長(zhǎng)。另外，倘若測(cè)試系統(tǒng)需要完善和升級(jí)時(shí)，則難度較大。

本文根據(jù)不同環(huán)境下的沖擊波壓力測(cè)試需求，設(shè)計(jì)了可配置的FPGA軟核，在硬件電路的基礎(chǔ)上，通過(guò)移植可配置的軟核，在較短的開發(fā)周期內(nèi)，設(shè)計(jì)出測(cè)試參數(shù)可變的測(cè)試系統(tǒng)。解決了傳統(tǒng)測(cè)試系統(tǒng)的開發(fā)周期長(zhǎng)、成本高、電路可復(fù)用性差等問(wèn)題。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證后，應(yīng)用到靜爆測(cè)試中，有效獲得了壓力數(shù)據(jù)。結(jié)果表明，系統(tǒng)具有很高的可靠性。

1 系統(tǒng)組成

由于測(cè)試環(huán)境惡劣并且爆炸存在極大的破壞性，極易造成測(cè)試系統(tǒng)的損壞。為了提高了系統(tǒng)的存活率和智能化，采用存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，將傳感器及其調(diào)理電路、采集存儲(chǔ)電路、電源等集成一體，構(gòu)成一個(gè)可獨(dú)立工作的微小系統(tǒng)。將其植入爆炸現(xiàn)場(chǎng)，完成沖擊波信號(hào)采集與存儲(chǔ)，實(shí)驗(yàn)完成后回收測(cè)試系統(tǒng)，由計(jì)算機(jī)回讀數(shù)據(jù)并再現(xiàn)測(cè)試信息。測(cè)試系統(tǒng)總體組成如圖1所示，硬件由ICP壓力傳感器、調(diào)理電路(程控放大器、運(yùn)算放大器、低通濾波器)、AD轉(zhuǎn)換器、FPGA、SDRAM存儲(chǔ)器及USB芯片等組成。軟件設(shè)計(jì)主要包括FPGA軟核和上位機(jī)。上位機(jī)采用LabVIEW設(shè)計(jì)，具有良好的人機(jī)交互界面，實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)設(shè)置與回讀，數(shù)據(jù)讀取與顯示的功能。

本文研究重點(diǎn)是設(shè)計(jì)出滿足不同測(cè)試環(huán)境下的壓力測(cè)試系統(tǒng)可移植、可復(fù)用的軟核。通過(guò)調(diào)用所需要的功能控制軟核，配合周圍電路，完成沖擊波壓力測(cè)試。

2 軟核設(shè)計(jì)

FPGA具有可靜態(tài)重復(fù)編程和可動(dòng)態(tài)系統(tǒng)重構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，因此可通過(guò)編程來(lái)達(dá)到修改硬件功能的目的。軟核設(shè)計(jì)是通過(guò)反復(fù)驗(yàn)證的、具有特殊功能的宏模塊，可使這些編程數(shù)據(jù)進(jìn)行移植和修改。只要對(duì)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊進(jìn)行配置后，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的電路功能。同一FPGA輸入配置好的軟核，便可完成壓力測(cè)試的邏輯功能。軟核設(shè)計(jì)包括有：數(shù)據(jù)采集模塊軟核、參數(shù)設(shè)置模塊軟核、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊軟核、USB通信模塊軟核。

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊軟核

時(shí)鐘是同步電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，系統(tǒng)采用了數(shù)字時(shí)鐘管理單元(DCM)管理和控制時(shí)鐘信號(hào)，以提供優(yōu)質(zhì)的時(shí)鐘信號(hào)源。由于每次實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備的時(shí)間不同，而觸發(fā)具有隨機(jī)性，有可能在準(zhǔn)備期間因現(xiàn)場(chǎng)干擾造成系統(tǒng)誤觸發(fā)，導(dǎo)致測(cè)試失敗。為了提高系統(tǒng)可靠性和降低系統(tǒng)功耗，設(shè)計(jì)了定時(shí)和參數(shù)可變的功能。測(cè)試系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)布置好后，根據(jù)離彈藥爆破時(shí)刻設(shè)置定時(shí)長(zhǎng)度。在定時(shí)時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)處于低功耗模式并且只有內(nèi)部計(jì)數(shù)器在工作，其他模塊不工作。當(dāng)定時(shí)結(jié)束后，喚醒系統(tǒng)，加載事先設(shè)置好的測(cè)試參數(shù)，進(jìn)入待觸發(fā)模式，等待沖擊波信號(hào)的到來(lái)，完成數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)。數(shù)據(jù)采集模塊工作流程圖如圖2所示。

2.2 參數(shù)設(shè)置軟核設(shè)計(jì)

沖擊波超壓隨彈藥當(dāng)量和距爆心的距離變化而變化，實(shí)驗(yàn)前需根據(jù)布點(diǎn)的位置及測(cè)試對(duì)象，合理設(shè)置測(cè)試參數(shù)。主要包括：定時(shí)時(shí)長(zhǎng)，觸發(fā)電平、放大倍數(shù)、采樣頻率、存儲(chǔ)長(zhǎng)度、負(fù)延時(shí)。參數(shù)設(shè)置模塊原理圖如圖3所示，可通過(guò)上位機(jī)利用USB接口設(shè)置參數(shù)。

首先設(shè)定了一個(gè)合理的觸發(fā)電平值，當(dāng)AD芯片采樣所得的電平值大于預(yù)設(shè)值時(shí)，則滿足觸發(fā)條件，否則不觸發(fā)。沖擊波信號(hào)一旦到來(lái)，此時(shí)給采集控制模塊一個(gè)信號(hào)以完成采集。然后根據(jù)測(cè)試環(huán)境預(yù)測(cè)測(cè)點(diǎn)的壓力大小，以選擇合理的放大倍數(shù)。模塊提供了1M，2M等不同采樣頻率，以完成不同測(cè)試任務(wù)。為了實(shí)現(xiàn)能觀測(cè)信號(hào)來(lái)之前的一段信息，設(shè)置了負(fù)延時(shí)，其大小決定了觸發(fā)前存儲(chǔ)的長(zhǎng)度。另外，也可對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)長(zhǎng)度進(jìn)行設(shè)置。以容納完整的信號(hào)為原則，對(duì)存儲(chǔ)長(zhǎng)度、負(fù)延時(shí)進(jìn)行合理的設(shè)置，以確保沖擊波壓力信號(hào)的完整性和連續(xù)性。

2.3 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)軟核設(shè)計(jì)

爆炸沖擊波具有初值高、衰減快、持續(xù)時(shí)間短等特點(diǎn)，其測(cè)試是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程。為了有效地捕抓沖擊波壓力信號(hào)，選用PCB公司的ICP壓電壓力傳感器，其響應(yīng)時(shí)間小于1 us，同時(shí)存儲(chǔ)器采用存取速度快的SDRAM。在AD采集完成后，不停地將數(shù)據(jù)循環(huán)存儲(chǔ)到SDRAM中，同時(shí)原數(shù)據(jù)將會(huì)不斷被新數(shù)據(jù)刷新覆蓋，當(dāng)達(dá)到設(shè)定的存儲(chǔ)長(zhǎng)度后會(huì)停止覆蓋，以存儲(chǔ)有用的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊原理設(shè)計(jì)如圖4所示。

2.4 USB通信模塊軟核及其時(shí)序仿真

測(cè)試系統(tǒng)與上位機(jī)的通信是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。USB總線具有傳輸速度快、即插即用等優(yōu)點(diǎn)。但復(fù)雜的USB傳輸協(xié)議和驅(qū)動(dòng)，很大程度上限制了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。為此，USB芯片選用FT245R，其內(nèi)部集成了USB協(xié)議，完成并行數(shù)據(jù)與串行數(shù)據(jù)的雙向轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)讀取是通過(guò)上位機(jī)完成的，上位機(jī)將相應(yīng)的控制命令以串行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FT245R的內(nèi)部接收FIFO中;而FPGA的回讀信號(hào)和數(shù)據(jù)則以8位并行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在發(fā)送FIFO中。通過(guò)通信模塊軟核控制FT245R，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

為了驗(yàn)證通信軟核功能的正確性，利用Modelsim SE對(duì)其進(jìn)行了時(shí)序仿真，如圖5所示。先進(jìn)行讀操作，圖中高亮的data_usb的前4個(gè)bytes數(shù)據(jù)，表示上位機(jī)從FPGA中回讀的4個(gè)參數(shù);然后進(jìn)行寫操作，圖中data_usb的中間4個(gè)bytes數(shù)據(jù)表示上位機(jī)對(duì)FPGA設(shè)置的4個(gè)參數(shù);而data_usb的最后2個(gè)bytes數(shù)據(jù)則表示上位機(jī)設(shè)置的2個(gè)命令。從時(shí)序圖可得，rxf和rd、txe和wr的時(shí)序，與FT245R芯片讀時(shí)序和寫時(shí)序完全相符，說(shuō)明該模塊設(shè)計(jì)正確，功能滿足要求。

3 系統(tǒng)性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證采用軟核設(shè)計(jì)壓力測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)行了信號(hào)采集試驗(yàn)。首先利用Agilenl公司的33521A信號(hào)發(fā)生器，產(chǎn)生頻率為1 kHz、幅值為2 V的正弦信號(hào)，如圖6所示。然后設(shè)置測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)，具體包括放大倍數(shù)：1倍，觸發(fā)電平：1172，采樣頻率：1 M，負(fù)延時(shí)：64 k，存儲(chǔ)長(zhǎng)度：1 M。設(shè)置完成后，測(cè)試系統(tǒng)對(duì)正弦波信號(hào)進(jìn)行采集。利用上位機(jī)通過(guò)USB接口讀取采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)及測(cè)試信息進(jìn)行顯示，如圖7所示。

由圖可知：正弦信號(hào)實(shí)際頻率為1.000 0 kHz、幅值為2.018 V，而采集到的波形頻率為0.999kHz、幅值為2.012 V，測(cè)試誤差為0.297%，滿足設(shè)計(jì)要求，驗(yàn)證了測(cè)試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。另外，圖7右下方回讀的測(cè)試信息與之前設(shè)置的參數(shù)一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)置功能的正確性。

4 彈藥?kù)o爆試驗(yàn)

將20 kg的某裸裝彈藥架高1.5 m進(jìn)行靜爆實(shí)驗(yàn)，根據(jù)測(cè)試要求并盡可能保護(hù)測(cè)試系統(tǒng)，將設(shè)計(jì)好的2套測(cè)試系統(tǒng)分別埋設(shè)于在同一直線上距爆心7.5 m、15 m處。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算的沖擊波超壓峰值理論值分別為0.148 3 MPa，0.038 8 MPa。設(shè)置好合理的參數(shù)后，讓其均處于定時(shí)狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)人員安全撤離后按時(shí)進(jìn)行爆破。實(shí)驗(yàn)完成后，回讀數(shù)據(jù)。測(cè)試系統(tǒng)在7.5 m、15 m處測(cè)的沖擊波超壓峰值為0.139 2 MPa，0.034 3 MPa，接近理論值，實(shí)測(cè)壓力曲線如圖8所示。多次實(shí)驗(yàn)表明測(cè)試系統(tǒng)可靠、穩(wěn)定。

5 結(jié)論

針對(duì)不同環(huán)境下的沖擊波壓力測(cè)試，設(shè)計(jì)了可配置的FPGA軟核，實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍硬件電路的控制，完成了瞬態(tài)沖擊波壓力信號(hào)的采集。根據(jù)不同測(cè)試條件，可對(duì)軟核進(jìn)行重新配置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速設(shè)計(jì)，提高了電路復(fù)用性。測(cè)試系統(tǒng)在多次實(shí)彈測(cè)試實(shí)驗(yàn)中得到了應(yīng)用，其穩(wěn)定性、可靠性得到了驗(yàn)證，并能有效獲取數(shù)據(jù)。