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一種沖擊波超壓無(wú)線式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)的研究大學(xué)學(xué)位論文-在線瀏覽

2024-07-30 05:48本頁(yè)面
  

【正文】 發(fā)了沖擊波超壓無(wú)線式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng),彌補(bǔ)了存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)在沖擊波超壓測(cè)試試驗(yàn)中的不足。無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)的方法,主要是利用已有的IEEE (Wi2Fi)、(藍(lán)牙)(ZigBee)等無(wú)線通信技術(shù)。從上表中可以明顯看出,ZigBee技術(shù)與其他幾種技術(shù)相比是與我們的需求最相近的一種,所以我們選擇無(wú)線ZigBee技術(shù)。工作在工業(yè)開(kāi)放頻段(ISM)上。相比較,藍(lán)牙能工作數(shù)周,WiFi可工作數(shù)小時(shí)。(3)時(shí)延短:通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活到工作狀態(tài)的時(shí)延都非常短,它的典型搜索設(shè)備時(shí)延是30ms,休眠激活到工作態(tài)的時(shí)延是15ms,活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為15ms。 (4)容量大:ZigBee能夠采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有星狀、片狀和網(wǎng)狀,若干個(gè)子節(jié)點(diǎn)(最多254個(gè))可由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理;同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還能夠由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理,所以,整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以組成最多65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。MAC層采用了每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息的一種完全確認(rèn)的傳輸模式,它的優(yōu)點(diǎn)是如果在傳輸過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題則可以進(jìn)行重復(fù)發(fā)送。低功耗是ZigBee技術(shù)最具優(yōu)勢(shì)的特點(diǎn),通過(guò)以上介紹,在通信狀態(tài)下的幾十mW和在省電模式下的幾十uW的功耗,決定了它在低功耗、低成本等要求方面是最佳的無(wú)線通信技術(shù)。在這二十幾年的發(fā)展過(guò)程中,以FPGA為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)集成技術(shù)取得了快速的發(fā)展,現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件發(fā)展到最近幾年,國(guó)際上的著名廠商Altera公司和Xilinx公司都已經(jīng)陸續(xù)推出了高達(dá)六七百萬(wàn)門(mén)的單片F(xiàn)PGA芯片,將現(xiàn)場(chǎng)可編程器件的集成度提高到一個(gè)新的水平。這些特點(diǎn)使FPGA越來(lái)越多地取代了ASIC市場(chǎng),特別是在小批量、多品種的產(chǎn)品需求方面,使FPGA成為首選。本論文主要對(duì)沖擊波超壓無(wú)線式存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究,重點(diǎn)完成了以下工作:根據(jù)課題實(shí)際需求,查閱了大量文獻(xiàn)資料,進(jìn)行了無(wú)線式?jīng)_擊波超壓存儲(chǔ)測(cè)試系統(tǒng)方案的論證;設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的調(diào)理電路、信號(hào)的放大濾波電路、數(shù)據(jù)的采集與存儲(chǔ)電路、usb串行讀數(shù)部分的GPIF波形圖設(shè)計(jì);無(wú)線ZigBee模塊在測(cè)試系統(tǒng)中的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,并最終研制完成了此測(cè)試系統(tǒng),并制作了20套測(cè)試系統(tǒng)。本論文章節(jié)安排如下:第一章介紹了本課題的研究背景和意義,分析了爆炸沖擊波信號(hào)特點(diǎn)、存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)現(xiàn)狀和無(wú)線通信技術(shù)現(xiàn)狀等;第二章根據(jù)課題要求,提出了測(cè)試系統(tǒng)的總體思路,對(duì)系統(tǒng)的主結(jié)構(gòu)進(jìn)行了規(guī)劃,并對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了整體論述;第三章介紹了測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)部分,包括電源管理模塊、模擬信號(hào)的放大濾波模塊、模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、usb讀數(shù)模塊、無(wú)線通信模塊等;第四章講述了測(cè)試系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)部分,包括FPGA內(nèi)部的A/D控制程序設(shè)計(jì),閃存存儲(chǔ)、讀數(shù)、擦除程序設(shè)計(jì);USB讀數(shù)部分GPIF控制68013讀數(shù)軟件設(shè)計(jì);計(jì)算機(jī)讀數(shù)程序和數(shù)據(jù)處理的設(shè)計(jì)等等;第五章對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)標(biāo)定;第六章進(jìn)行了實(shí)爆試驗(yàn);第七章對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)。根據(jù)測(cè)試對(duì)象的特性和用戶的要求,我們?cè)O(shè)計(jì)了本系統(tǒng)的具體方案。(1) 量程范圍:0~,0~;(2) 系統(tǒng)帶寬:0~100kHz(177。我們?cè)诔浞至私鉁y(cè)試對(duì)象的特點(diǎn)、測(cè)試場(chǎng)所的復(fù)雜和現(xiàn)有的測(cè)試方法的情況下,需要有針對(duì)性的考慮以下幾個(gè)方面:(1) 根據(jù)沖擊波超壓測(cè)試的現(xiàn)狀,我們采用無(wú)線式存儲(chǔ)測(cè)試方法,這種測(cè)試方法能有效的降低干擾、適應(yīng)多種復(fù)雜的測(cè)試環(huán)境、使用操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。應(yīng)用這種技術(shù)的無(wú)線ZigBee通信設(shè)備,可以滿足測(cè)試系統(tǒng)的各項(xiàng)需求指標(biāo)。整個(gè)系統(tǒng)的邏輯時(shí)序控制芯片采用FPGA,存儲(chǔ)芯片采用閃存。(4) 本測(cè)試系統(tǒng)在讀取數(shù)據(jù)時(shí)采用USB串行接口讀數(shù),數(shù)據(jù)讀取可靠,無(wú)讀數(shù)錯(cuò)位與丟位現(xiàn)象。地面測(cè)試系統(tǒng)我們采取在裝置頂端放置一片厚鐵板,只留傳感器敏感面暴露于爆炸沖擊波場(chǎng)內(nèi);自由場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)我們采取在測(cè)試裝置與爆心的中間位置上樹(shù)立一個(gè)空心鐵管,其內(nèi)部裝滿沙子,用于避免破片對(duì)自由場(chǎng)測(cè)試裝置的干擾和毀壞,這兩種保護(hù)方法都能夠大大降低破片對(duì)測(cè)試裝置的毀傷幾率。由于在本系統(tǒng)中存儲(chǔ)器采用的是閃存,其有存儲(chǔ)容量大、系統(tǒng)掉電數(shù)據(jù)不丟失的特點(diǎn)。所以在本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,存儲(chǔ)容量增大為10M words,系統(tǒng)記錄時(shí)間增長(zhǎng)為10s。適配器濾波放大電路A/DFLASH存儲(chǔ)器電源管理FPGA邏輯控制器電池?zé)o線從模塊控制平臺(tái)(主模塊)模擬模塊數(shù)字模塊計(jì)算機(jī)USB讀數(shù)模塊傳感器信號(hào)數(shù)字電源管理無(wú)線模塊殼體內(nèi)部 測(cè)試系統(tǒng)原理框圖測(cè)試系統(tǒng)工作過(guò)程如上圖所示:測(cè)試系統(tǒng)上電后、測(cè)試實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前用計(jì)算機(jī)通過(guò)USB或者無(wú)線模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,設(shè)置完畢后系統(tǒng)進(jìn)入循環(huán)采樣狀態(tài),等待觸發(fā)。在整個(gè)采樣階段,傳感器將爆炸沖擊波超壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào),經(jīng)過(guò)濾波放大電路后輸送到A/D進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)在FPGA的控制下保存進(jìn)閃存中,等待數(shù)據(jù)記錄完成。讀數(shù)時(shí),系統(tǒng)重新上電,通過(guò)USB讀數(shù)模塊讀取閃存中的數(shù)據(jù),直到數(shù)據(jù)讀取完為止。(1) 傳感器傳感器是要進(jìn)行的空中爆炸沖擊波超壓測(cè)試的關(guān)鍵設(shè)備,其對(duì)傳感器的要求主要有以下幾個(gè)方面:①為了能夠可靠地記錄沖擊波壓力的變化過(guò)程,傳感器應(yīng)該具有盡可能高的頻率響應(yīng)特性;②傳感器的外形尺寸應(yīng)該盡量小,這樣可以更好的減小因傳感器的放置位置而對(duì)爆炸波流場(chǎng)的造成的擾動(dòng)影響;③很好的壓力敏感特性,而溫度、加速度等不敏感;④較好的線性響應(yīng),并且具有對(duì)較小的信號(hào)輸入有較大的信號(hào)輸出的特點(diǎn);⑤較高的穩(wěn)定性和適中的價(jià)格;⑥傳感器的量程與測(cè)量值要在一定范圍內(nèi)匹配,一般選擇測(cè)量值是傳感器的量程三分之二或二分之一[24],同時(shí)傳感器的靈敏度越高越能更準(zhǔn)確的測(cè)取數(shù)據(jù)。壓阻式傳感器的特點(diǎn)包括高靈敏度和分辨率高、工作頻帶寬等特點(diǎn),但是除了靈敏度與擴(kuò)散雜質(zhì)的表面濃度和環(huán)境溫度的相互影響關(guān)系外,還應(yīng)該注意在使用過(guò)程中如何能夠更好的避免或減輕傳感器輸出電壓受環(huán)境溫度影響的因素[26]。雖然壓電傳感器具有無(wú)靜態(tài)輸出、對(duì)電纜的電容和噪聲要求高等缺點(diǎn),但是其具有固有頻率高、靈敏度高和信噪比高等優(yōu)點(diǎn)[27]。 113B27階躍響應(yīng)曲線 113B28階躍響應(yīng)曲線 ENDEVCO公司8530B階躍響應(yīng)曲線bit點(diǎn)。數(shù)據(jù)無(wú)明顯振蕩,判斷不出諧振頻率。激波管產(chǎn)生的是一標(biāo)準(zhǔn)階躍信號(hào),作為系統(tǒng)輸入。 測(cè)試系統(tǒng)幅頻特性曲線通過(guò)以上對(duì)PCB、ENDEVCO壓力傳感器的性能的比較,系統(tǒng)選擇PCB公司的113B27和113B28型ICP壓電式壓力傳感器。ICP壓電傳感器內(nèi)的集成電路中包含了微電子學(xué)放大器,用于將高阻抗電荷轉(zhuǎn)換為低阻抗電壓輸出(177。由于不需要外置放大器,ICP壓電傳感器有許多優(yōu)于傳統(tǒng)壓電傳感器的特點(diǎn),如高靈敏度,低阻抗信號(hào)輸出,溫漂小等[28]。傳感器供電電路根據(jù)傳感器的電壓(20V~30VDC)、電流(2~20mA)等性能指標(biāo)的要求,進(jìn)行電路設(shè)計(jì)。電源管理電路的作用主要有①通過(guò)對(duì)三極管開(kāi)關(guān)功能的控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器工作狀態(tài)的控制②通過(guò)對(duì)上電端ON的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬部分和數(shù)字部分電路的供電控制③測(cè)試數(shù)據(jù)的采樣存儲(chǔ)完畢后,F(xiàn)PGA產(chǎn)生下電控制信號(hào)OFF,此部分根據(jù)OFF的命令,將模擬電路和數(shù)字電路各個(gè)器件的電源都關(guān)斷,來(lái)實(shí)現(xiàn)功耗的節(jié)省。(3) 數(shù)字模塊的設(shè)計(jì)思路數(shù)字模塊是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的核心部分,其主要完成模擬信號(hào)的模/數(shù)轉(zhuǎn)換,數(shù)字信號(hào)的存儲(chǔ)、讀取與擦除,控制整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)工作狀態(tài)與時(shí)序邏輯。(4) 無(wú)線模塊的設(shè)計(jì)思路無(wú)線模塊主要完成對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的上下電、增益放大倍數(shù)、采樣頻率、觸發(fā)方式、重觸發(fā)方式、內(nèi)觸發(fā)電平的設(shè)置和觸發(fā)信號(hào)的控制。(5) USB讀數(shù)模塊的設(shè)計(jì)思路測(cè)試系統(tǒng)采用USB串行讀數(shù)。當(dāng)對(duì)CY7C68013進(jìn)行編輯設(shè)置時(shí),可編程接口GPIF是主機(jī)方式,可以由軟件設(shè)置讀寫(xiě)控制波形,幾乎可以對(duì)任何8/16bits接口的控制器、存儲(chǔ)器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動(dòng)讀寫(xiě),使用非常靈活。(6) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件是測(cè)試系統(tǒng)重要組成部分之一,它主要包括FPGA軟件設(shè)計(jì)、USB軟件設(shè)計(jì)、和計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)三部分。①系統(tǒng)配置這部分軟件主要負(fù)責(zé)測(cè)試前計(jì)算機(jī)與裝置的通信和參數(shù)設(shè)置等所有測(cè)試前的準(zhǔn)備和檢查工作,參數(shù)設(shè)置主要包括采樣頻率、觸發(fā)方式等的設(shè)置。②數(shù)據(jù)讀取和數(shù)據(jù)處理部分是兩部分軟件中最重要的一部分,因?yàn)閿?shù)據(jù)讀取是否成功直接影響到整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的成功與否,數(shù)據(jù)處理的效果如何直接影響我們得到數(shù)據(jù)的精確度。 第三章 測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)根據(jù)上一章介紹,測(cè)試系統(tǒng)主要由傳感器、模擬模塊、數(shù)字模塊(數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ))、無(wú)線模塊、usb讀數(shù)模塊等部分組成,本章將對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的各個(gè)硬件模塊部分做詳細(xì)的介紹。實(shí)物見(jiàn)下圖: PCB公司ICP113B系列傳感器這兩種型號(hào)的傳感器的主要性能指標(biāo)如下:(1) 量程 : (113B27),(113B28)(2) 靈敏度: (113B27),(113B28) mV/kPa(3) 分辨率: (4) 諧振頻率: ≥500kHz(5) 上升沿: ≤1μsec(6) 低頻響應(yīng): (7) 非線性度: ≤%FS(8) 驅(qū)動(dòng)電壓: 20~30VDC(9)驅(qū)動(dòng)電流: 2~20mA由傳感器的性能指標(biāo)我們可以看到這兩種傳感器可以滿足我們測(cè)試系統(tǒng)的指標(biāo)要求。由以上分析可知,本系統(tǒng)采用的傳感器為美國(guó)PCB公司的113B系列ICP壓電傳感器,這兩種型號(hào)傳感器要求20~30V直流電壓2~20mA恒定電流驅(qū)動(dòng),所以為了滿足其要求我們?cè)O(shè)計(jì)了以下電路。傳感器的供電電壓和驅(qū)動(dòng)電流的選定跟傳感器到測(cè)試系統(tǒng)之間引線的長(zhǎng)短有關(guān),一般引線越長(zhǎng)需要的供電電壓和驅(qū)動(dòng)電流越大。在這種情況下,ICP傳感器的靜態(tài)輸出電壓為10V,動(dòng)態(tài)電壓輸出范圍為5V—+5V。為了能夠方便的管理傳感器的工作狀態(tài),本電路應(yīng)用三極管的開(kāi)關(guān)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器工作與否的控制。當(dāng)ONB為低電平時(shí),基極B為低電平,三極管工作于截止態(tài)即集電極C與發(fā)射極E斷路;當(dāng)ONB為高電平時(shí),基極B為高電平,三極管工作于飽和態(tài)即集電極C與發(fā)射極E短路。電源管理電路負(fù)責(zé)給整個(gè)電路各個(gè)部分提供工作電壓和管理某些器件的工作狀態(tài)。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)上電后,電源管理電路負(fù)責(zé)通過(guò)讓傳感器供電電路三極管處于飽和態(tài)從而使傳感器開(kāi)始工作、提供5V電壓給數(shù)字模塊;當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試完成時(shí),電源管理電路則通過(guò)讓傳感器供電電路三極管處于截止態(tài)從而使傳感器停止工作,使測(cè)試系統(tǒng)停止工作。HEF4013芯片是由具有Set和復(fù)位的2個(gè)D型觸發(fā)器構(gòu)成的,LP2985(LOUA)和LP2987(LOUA)都是具有關(guān)斷狀態(tài)的低噪聲線性/低壓降穩(wěn)壓器。其中由+(LP2985)穩(wěn)壓至+5V的電壓VEE主要負(fù)責(zé)模擬模塊部分的電源供電,由VEE經(jīng)過(guò)LP2987穩(wěn)壓到+;由+(LP2985)穩(wěn)壓至+5V的電壓VCC主要負(fù)責(zé)數(shù)字模塊部分的電源供電。C5=10ms的時(shí)間變?yōu)楦唠娖?,此上升沿促使HEF4013的第一管腳由低變高即ONA由低變高。C6=10ms的時(shí)間變?yōu)楦唠娖?,將HEF4013的第十三管腳置為高電平,即ONB變?yōu)楦唠娖?。?dāng)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試完成時(shí),F(xiàn)PGA產(chǎn)生的TC信號(hào)由低電平變?yōu)楦唠娖郊碒EF4013第四管腳和第十管腳清零端由低電平變?yōu)楦唠娖?,將ONA和ONB全部清零,致使LP2985芯片和LP2987芯片置零,VCC、VEE、VJJ全部變?yōu)榈碗娖?,從而達(dá)到了給整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)下電的效果。此部分電路主要起到對(duì)傳感器輸出的模擬信號(hào)進(jìn)行放大和濾波的作用。本系統(tǒng)要求測(cè)試距爆心不同距離的超壓,但傳感器的量程只有兩種,為了在不同測(cè)點(diǎn)能夠測(cè)試更精確,就需要改變信號(hào)的放大倍數(shù)來(lái)完成精確測(cè)試。 電壓放大倍數(shù)和濾波電路原理圖(1)電壓放大倍數(shù)選擇部分主要由芯片MAX4634和INA128共同協(xié)作來(lái)完成。由于本設(shè)計(jì)只有兩種放大倍數(shù)選擇,所以只用到一個(gè)控制管腳,它與無(wú)線模塊的單片機(jī)控制管腳相連來(lái)控制其電平狀態(tài)。 MAX4634通路選擇控制表INA128是低功耗高精度的通用儀表放大器??梢钥吹皆诜糯蟊稊?shù)為100倍的時(shí)候,響應(yīng)頻率小于100KHz,所以在設(shè)置放大器放大倍數(shù)時(shí)應(yīng)小于100倍。 差動(dòng)放大器的頻響圖(2)RC有源濾波器在信號(hào)處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,因?yàn)槠渚哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,調(diào)整方便,負(fù)載效應(yīng)很小等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于RC網(wǎng)絡(luò)中消耗的能量,壓控電壓源型低通濾波電路利用正反饋進(jìn)行補(bǔ)償,但是如果反饋量過(guò)強(qiáng)將會(huì)降低電路穩(wěn)定性[29]。因?yàn)樵诖藶V波器中,Q的表達(dá)式中包含有Aup項(xiàng),所以根據(jù)公式,如果Aup過(guò)大可能會(huì)使Q值變負(fù),進(jìn)而導(dǎo)致濾波器自激振蕩的產(chǎn)生。所以在使用此濾波電路設(shè)計(jì)有源濾波器時(shí),一定要注意考慮好品質(zhì)因數(shù)的選擇。在下圖中的曲線是我們選擇Aup=2,Q=1時(shí)的幅頻特性圖,根據(jù)放大倍數(shù)可選擇R=R35=R36。根據(jù)公式由=,=,即C==,R==。在此部分的電路設(shè)計(jì)中,主要包括A/D轉(zhuǎn)換、FPGA控制、FLASH閃存存儲(chǔ)三部分,現(xiàn)分別介紹三部分的電路設(shè)計(jì)。具體的說(shuō),轉(zhuǎn)換的分辨率、誤差、噪聲和采樣頻率等都是影響轉(zhuǎn)換的因素[11]。1 LSB信號(hào)與噪聲和失真比SINAD: dB總諧波失真THD: 90dB峰值諧波噪聲SFDR: 90dB最高采樣頻率: 3M參考輸入/輸出電壓: 直流泄漏電流: 177。: AD7484時(shí)序轉(zhuǎn)換圖在上圖中AD7484數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)間最大為300ns;轉(zhuǎn)換信號(hào)低脈沖寬度必須介于5ns和100ns之間;轉(zhuǎn)換信號(hào)下降沿與AD7484開(kāi)始轉(zhuǎn)換的忙信號(hào)下降沿的時(shí)間差最大為20ns;從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換完成變?yōu)楦唠娖降桨褦?shù)據(jù)放置到AD7484的地址總線上的數(shù)據(jù)存取時(shí)間最大為25ns。在原理圖的設(shè)計(jì)中,Vdrive的電壓必須與FPGA和閃存的管腳
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