冲击加速度信号采集记录装置设计(2)
5.3 数据的处理方法 . 31
5.4 冲击加速度信号采集记录装置实验 .. 32
结论 ..40
致谢 ..41
参考文献 .42
1 绪论 1.1 课题来源、研究目的及意义 对于弹载制导等应用而言， 研制的MEMS 惯性传感器或 MEMS 惯性系统需要通过高冲击环境试验来衡量传感器或系统的抗高过载能力。为了定量评价其抗过载能力，需获取待测器件或系统在试验过程中承受的冲击加速度情况。传统的测试方法往往只能给出最大冲击加速度等有限的参数，而瞬态冲击加速度数据记录仪应用了存储测试技术，让测试仪随待测器件或系统一起承受冲击过程，并对承受的冲击加速度进行实时采集、记录，可实现对高冲击环境试验中冲击过程的全面描述。 本设计的目的是针对高冲击环境试验，设计基于存储测试技术的小体积、低功耗的瞬态冲击加速度数据采集记录装置。该装置将对在试验过程中通过高速模/数转换器对大量程MEMS 加速度计感知的冲击加速度信号进行采集，并将数据实时存储在信号采集记录装置的大容量 FLASH 中；实验结束后，将采集得到并存储在FLASH 里的数据上传到上位机进行数据分析。 由于冲击加速度的瞬时性、高负载等特点，测试系统就要求具备有高采样速率、较高分辨率等性能。为实现测试冲击加速度并全面描述整个冲击过程，本文设计并完成了一种冲击加速度信号采集记录装置。 1.2 国内外研究现状 存储测试技术是与现代技术发展密切联系的新型测试手段[1]。它的核心思路就是将存储测试装置与待测物一起放置在被测环境中，一起承受相同的恶劣环境作用，以取得比常规测量方法更加贴近实际环境应用的参数。其具有更接近实际应用环境、数据更可靠的优点[2]。 存储测试技术是一项综合性的测试技术，它将传感器、信号转换电路、数字化存储记录电路、通信接口、控制单元以及电源设计合为一体。由于测试系统与被测体共同承受环境作用，所以除了对测试系统的功能实现有很高的要求，比如采样频率、存储容量等，还对测量系统的物理结构、抗干扰能力也提出了严苛的要求。 目前国内外对存储测试技术有很多研究和产品。其中飞行数据记录仪（Flight Data Recorder，FDR）就是一个非常典型的应用，Joseph W. Hill-Lindsay 和 John T. Yuen 研制了一个应用于导弹飞行测试的超高冲击的数据记录仪。记录仪使用了一个 DSP，5 个到 7 个容量1M×32b的flash EPROM 存储器， 通过RS-422接口进行通信。 装置可存储20MB的飞行数据，并且即使在高速冲击之后仍能保存所有数据[3] [4]。 另外有 L-3 Communication Systems-East 公司研制的固态存储器产品RM-3000、3000F、6000、6000F、4000T、8000、8000R 等系列。型号为 BLU-109的弹载记录仪可以测试弹体三个互为垂直的轴向加速度，可测加速度值达10万g[5]。 国内的存储测试技术研究开始于1983年左右，中北大学的祖静教授提出了引信动态数据测试存储的概念，而后，刘致安、梁燕熙提出了存储遥测的概念。在那之后，发展了“电子测压蛋”、“引信膛内环境、飞行环境与终点环境参数的快速存储与再现技术”和“制导兵器专用测试技术”等课题，是我国在存储测试理论与技术的突破[6]。 中煤科工集团西安研究院有限公司研制了一款基于 STM2 的高精度、大容量、多通道同步数据采集存储系统。该系统选用AD7656 作为模/数转换芯片，支持6个通道同步采集，采样速率可达250KSPS，采样位数为16Bit。系统存储容量为1GB+32MB，采用 USB2.0 与上位机通信[7]。 中船重工集团公司第 710 研究所针对水声信号研制了一款基于 AD7980 的多路采集存储系统，采用超低功耗的模/数转换器AD7980与TMS320 系列的DSP。该系统可以同步采集和记录多路水下信号，采样频率为50kHz 左右[8]。 中北大学电子测试技术国家重点实验室的任勇峰等人针对飞行器在飞行状态下需要对外界环境进行识别和参数记录任务，提出基于 FPGA的高速数据存储测试方案。采用ADI公司的AD9254芯片作为ADC， 实现系统的采集速率为132MSPS， 精度为0.4%， 存储器为FLASH，容量为 8Gb，存储速度为 64Mb/s[9]。 文献[10]中介绍介绍了一种弹载存储测试系统，选用 MAX153 作为 ADC，C8051F127 作为处理器。并采用FM22L16 的 FRAM 作为存储器，该存储器非易失，读写类似于 SRAM,存储容量为 256K×16bit 或者 512K×8bit。该系统可承受超过 10000g 的加速度，最大 19000 的侵彻加速度[10]。 1.3 本课题主要研究内容 本课题的主要任务是针对弹载制导应用环境，设计一款瞬态冲击加速度信号采集存储装置。本文章节安排如下： (1) 第1章：绪论，针对本设计的课题来源、研究目的和意义进行介绍，研究了现阶段国内外的发展现状，并给出了本文的研究内容和结构。 (2) 第2章：说明了系统设计的技术指标，提出了系统总体设计原则和各个模块的设计方法，并对系统整体构成和功能组成进行了说明。 (3) 第3章：根据系统硬件设计，对各个模块进行设计，包括数据采集模块、数据存储模块、数据通信模块、主控模块和电源模块等几个功能模块。 (4) 第 4 章：对系统的软件进行设计和实现，其中包括系统初始化、触发方法、基于“乒乓法则”的双缓冲采集存储机制、擦除模式、存储器操作等主要功能的软件设计。 (5) 第5章：介绍了设计完成的原理样机调试过程，并对数据采集模块的信噪比、有效分辨率进行了评价，此外，还介绍了冲击加速度传感器的灌封及对冲击加速度信号采集记录装置进行测试的过程和测试数据分析。
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