基于FPGA軟核的參數可變的壓力測試系統設計

爆炸沖擊波壓力測試是對常規武器系統殺傷力評價(jià)的有效技術(shù)手段，可為武器的威力對比，性能評估提供重要的依據。為了獲取整體信息，往往需要在測試現場(chǎng)布設數目較多的測試裝置。由沖擊波超壓經(jīng)驗公式分析，超壓峰值隨著(zhù)彈藥的當量和測點(diǎn)距爆心的距離產(chǎn)生十分顯著(zhù)的變化。在實(shí)際測試中，要求測試系統根據實(shí)驗對象和測試環(huán)境合理設置參數。傳統的測試系統設計中，為了完成不同的測試任務(wù)，往往需要重新設計PCB電路。而設計新的系統不僅花費較大工作量和成本，并且開(kāi)發(fā)周期長(cháng)。另外，倘若測試系統需要完善和升級時(shí)，則難度較大。

本文根據不同環(huán)境下的沖擊波壓力測試需求，設計了可配置的FPGA軟核，在硬件電路的基礎上，通過(guò)移植可配置的軟核，在較短的開(kāi)發(fā)周期內，設計出測試參數可變的測試系統。解決了傳統測試系統的開(kāi)發(fā)周期長(cháng)、成本高、電路可復用性差等問(wèn)題。對測試系統進(jìn)行了實(shí)驗驗證后，應用到靜爆測試中，有效獲得了壓力數據。結果表明，系統具有很高的可靠性。

1 系統組成

由于測試環(huán)境惡劣并且爆炸存在極大的破壞性，極易造成測試系統的損壞。為了提高了系統的存活率和智能化，采用存儲測試技術(shù)，將傳感器及其調理電路、采集存儲電路、電源等集成一體，構成一個(gè)可獨立工作的微小系統。將其植入爆炸現場(chǎng)，完成沖擊波信號采集與存儲，實(shí)驗完成后回收測試系統，由計算機回讀數據并再現測試信息。測試系統總體組成如圖1所示，硬件由ICP壓力傳感器、調理電路(程控放大器、運算放大器、低通濾波器)、AD轉換器、FPGA、SDRAM存儲器及USB芯片等組成。軟件設計主要包括FPGA軟核和上位機。上位機采用LabVIEW設計，具有良好的人機交互界面，實(shí)現測試參數設置與回讀，數據讀取與顯示的功能。

本文研究重點(diǎn)是設計出滿(mǎn)足不同測試環(huán)境下的壓力測試系統可移植、可復用的軟核。通過(guò)調用所需要的功能控制軟核，配合周?chē)娐?，完成沖擊波壓力測試。

2 軟核設計

FPGA具有可靜態(tài)重復編程和可動(dòng)態(tài)系統重構的優(yōu)點(diǎn)，因此可通過(guò)編程來(lái)達到修改硬件功能的目的。軟核設計是通過(guò)反復驗證的、具有特殊功能的宏模塊，可使這些編程數據進(jìn)行移植和修改。只要對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊進(jìn)行配置后，即可實(shí)現相應的電路功能。同一FPGA輸入配置好的軟核，便可完成壓力測試的邏輯功能。軟核設計包括有：數據采集模塊軟核、參數設置模塊軟核、數據存儲模塊軟核、USB通信模塊軟核。

2.1 數據采集模塊軟核

時(shí)鐘是同步電路系統設計的關(guān)鍵，系統采用了數字時(shí)鐘管理單元(DCM)管理和控制時(shí)鐘信號，以提供優(yōu)質(zhì)的時(shí)鐘信號源。由于每次實(shí)驗準備的時(shí)間不同，而觸發(fā)具有隨機性，有可能在準備期間因現場(chǎng)干擾造成系統誤觸發(fā)，導致測試失敗。為了提高系統可靠性和降低系統功耗，設計了定時(shí)和參數可變的功能。測試系統在現場(chǎng)布置好后，根據離彈藥爆破時(shí)刻設置定時(shí)長(cháng)度。在定時(shí)時(shí)間內系統處于低功耗模式并且只有內部計數器在工作，其他模塊不工作。當定時(shí)結束后，喚醒系統，加載事先設置好的測試參數，進(jìn)入待觸發(fā)模式，等待沖擊波信號的到來(lái)，完成數據的采集與存儲。數據采集模塊工作流程圖如圖2所示。

2.2 參數設置軟核設計

沖擊波超壓隨彈藥當量和距爆心的距離變化而變化，實(shí)驗前需根據布點(diǎn)的位置及測試對象，合理設置測試參數。主要包括：定時(shí)時(shí)長(cháng)，觸發(fā)電平、放大倍數、采樣頻率、存儲長(cháng)度、負延時(shí)。參數設置模塊原理圖如圖3所示，可通過(guò)上位機利用USB接口設置參數。

首先設定了一個(gè)合理的觸發(fā)電平值，當AD芯片采樣所得的電平值大于預設值時(shí)，則滿(mǎn)足觸發(fā)條件，否則不觸發(fā)。沖擊波信號一旦到來(lái)，此時(shí)給采集控制模塊一個(gè)信號以完成采集。然后根據測試環(huán)境預測測點(diǎn)的壓力大小，以選擇合理的放大倍數。模塊提供了1M，2M等不同采樣頻率，以完成不同測試任務(wù)。為了實(shí)現能觀(guān)測信號來(lái)之前的一段信息，設置了負延時(shí)，其大小決定了觸發(fā)前存儲的長(cháng)度。另外，也可對數據存儲長(cháng)度進(jìn)行設置。以容納完整的信號為原則，對存儲長(cháng)度、負延時(shí)進(jìn)行合理的設置，以確保沖擊波壓力信號的完整性和連續性。

2.3 數據存儲軟核設計

爆炸沖擊波具有初值高、衰減快、持續時(shí)間短等特點(diǎn)，其測試是一個(gè)瞬態(tài)過(guò)程。為了有效地捕抓沖擊波壓力信號，選用PCB公司的ICP壓電壓力傳感器，其響應時(shí)間小于1 us，同時(shí)存儲器采用存取速度快的SDRAM。在A(yíng)D采集完成后，不停地將數據循環(huán)存儲到SDRAM中，同時(shí)原數據將會(huì )不斷被新數據刷新覆蓋，當達到設定的存儲長(cháng)度后會(huì )停止覆蓋，以存儲有用的數據。數據存儲模塊原理設計如圖4所示。

2.4 USB通信模塊軟核及其時(shí)序仿真

測試系統與上位機的通信是系統設計的關(guān)鍵環(huán)節。USB總線(xiàn)具有傳輸速度快、即插即用等優(yōu)點(diǎn)。但復雜的USB傳輸協(xié)議和驅動(dòng)，很大程度上限制了系統的設計與開(kāi)發(fā)。為此，USB芯片選用FT245R，其內部集成了USB協(xié)議，完成并行數據與串行數據的雙向轉換。系統的參數設置和數據讀取是通過(guò)上位機完成的，上位機將相應的控制命令以串行數據存儲在FT245R的內部接收FIFO中;而FPGA的回讀信號和數據則以8位并行數據存儲在發(fā)送FIFO中。通過(guò)通信模塊軟核控制FT245R，實(shí)現數據的傳輸。

為了驗證通信軟核功能的正確性，利用Modelsim SE對其進(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數據，表示上位機從FPGA中回讀的4個(gè)參數;然后進(jìn)行寫(xiě)操作，圖中data_usb的中間4個(gè)bytes數據表示上位機對FPGA設置的4個(gè)參數;而data_usb的最后2個(gè)bytes數據則表示上位機設置的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(xiě)時(shí)序完全相符，說(shuō)明該模塊設計正確，功能滿(mǎn)足要求。

3 系統性能驗證

為了驗證采用軟核設計壓力測試系統的準確性和可靠性，進(jìn)行了信號采集試驗。首先利用Agilenl公司的33521A信號發(fā)生器，產(chǎn)生頻率為1 kHz、幅值為2 V的正弦信號，如圖6所示。然后設置測試系統的參數，具體包括放大倍數：1倍，觸發(fā)電平：1172，采樣頻率：1 M，負延時(shí)：64 k，存儲長(cháng)度：1 M。設置完成后，測試系統對正弦波信號進(jìn)行采集。利用上位機通過(guò)USB接口讀取采集數據，并將數據及測試信息進(jìn)行顯示，如圖7所示。

由圖可知：正弦信號實(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，測試誤差為0.297%，滿(mǎn)足設計要求，驗證了測試系統的準確性。另外，圖7右下方回讀的測試信息與之前設置的參數一致，進(jìn)一步驗證了參數設置功能的正確性。

4 彈藥靜爆試驗

將20 kg的某裸裝彈藥架高1.5 m進(jìn)行靜爆實(shí)驗，根據測試要求并盡可能保護測試系統，將設計好的2套測試系統分別埋設于在同一直線(xiàn)上距爆心7.5 m、15 m處。根據經(jīng)驗公式，計算的沖擊波超壓峰值理論值分別為0.148 3 MPa，0.038 8 MPa。設置好合理的參數后，讓其均處于定時(shí)狀態(tài)，實(shí)驗人員安全撤離后按時(shí)進(jìn)行爆破。實(shí)驗完成后，回讀數據。測試系統在7.5 m、15 m處測的沖擊波超壓峰值為0.139 2 MPa，0.034 3 MPa，接近理論值，實(shí)測壓力曲線(xiàn)如圖8所示。多次實(shí)驗表明測試系統可靠、穩定。

5 結論

針對不同環(huán)境下的沖擊波壓力測試，設計了可配置的FPGA軟核，實(shí)現對周?chē)布娐返目刂?，完成了瞬態(tài)沖擊波壓力信號的采集。根據不同測試條件，可對軟核進(jìn)行重新配置，實(shí)現系統快速設計，提高了電路復用性。測試系統在多次實(shí)彈測試實(shí)驗中得到了應用，其穩定性、可靠性得到了驗證，并能有效獲取數據。