适于分布式测试的数据采集系统研究与设计
|
摘要
本文重点研究水中爆炸场冲击波及二次脉动信号效能参数数据采集技术。
首先,由于冲击波信号的单次瞬态特性,为了完整采样信号波形,设计了基于卷积积分的数字滤波器,以及触发阈值自适应的数据采集触发技术。另外,为了记录测试基站的数据采集相位信息,设计了相位计数器,记录了触发时刻与同步基准信号的相位差,以便后续数据处理与重建。并利用CPLD/FPGA技术将该算法在硬件电路中得到了实现。通过这两种方式相配合,解决了分布式测试系统中采样同步性问题。
其次,由于爆炸冲击波及二次脉动信号属于不同的频率范围,根据采样定理要求,设计了变采样率的数据采集方式。利用采样延时控制计数器控制高低速数据采集过程,实现变速率采样功能。
第三,针对爆炸过程的统计学规律研究,需要连续进行多次重复性试验。由于分布式测试系统难以满足高速数据上传的要求,在此设计了一种基于SRAM存储器与大容量非易失性FLASH存储器相结合的二级存储系统。利用SRAM存储器高速读写特性实现了采样数据的高速缓存;利用FLASH存储器非易失性大容量数据存储能力实现了大量连续性试验数据存储功能。利用这种存储方式满足了数据采集系统对于存储系统的要求。
最后,利用AVR单片机与可编程逻辑器件完成了整体电路设计与调试工作,实现了数据采集流程控制、自触发双延时变采样数据采集控制电路设计,并对各个功能模块进行了验证,均符合爆炸压力场信号采样要求。
The essence of this article is to study the data gathering technology of aquatic explosion field Shockwave and bubble power efficiency parameters.
First, for the integrality of explosion signal acquisition, based on the characteristic of single and momentary, a method of integral test and the self-adjust trigger threshold is designed. Meanwhile, for the sake of phase information collection which is used in data manage and rebuild, there is a counter of phase that record the difference between trigger and Shockwave. In this way, the synchronization in the DDAS is resolved.
Secondly, because of the big difference of Shockwave and bubble power signal frequency range, according to the demand of Nyquist sampling theorem, a data acquisition mode of alternative sampling-rate is designed. Using the counter of sampling pot, the speed of data acquisition is shift between high and low.
Thirdly, in order to research the statistics rule of underwater explosion, the acquisition data is collected by repetitive series examination. Because the distributed test system is hardly to meet the request of acquisition data real time upload, the double memory system based on SRAM and FLASH is build. Utilize the high-speed buffer ability of SRAM, the acquisition data is being write and read. And make use of big capability of FLASH, repetitious examination data is being saved, and the request of data acquisition is meet in this way.
Making use of AVR single machine and programmable logic device realized the controlling of data gathering circuit, the data gathering controlling circuit design for automated triggering with double delay shift rate. Test outcome of each functional module is compliance with the data gathering demand in xx pressure field.
首先,由于冲击波信号的单次瞬态特性,为了完整采样信号波形,设计了基于卷积积分的数字滤波器,以及触发阈值自适应的数据采集触发技术。另外,为了记录测试基站的数据采集相位信息,设计了相位计数器,记录了触发时刻与同步基准信号的相位差,以便后续数据处理与重建。并利用CPLD/FPGA技术将该算法在硬件电路中得到了实现。通过这两种方式相配合,解决了分布式测试系统中采样同步性问题。
其次,由于爆炸冲击波及二次脉动信号属于不同的频率范围,根据采样定理要求,设计了变采样率的数据采集方式。利用采样延时控制计数器控制高低速数据采集过程,实现变速率采样功能。
第三,针对爆炸过程的统计学规律研究,需要连续进行多次重复性试验。由于分布式测试系统难以满足高速数据上传的要求,在此设计了一种基于SRAM存储器与大容量非易失性FLASH存储器相结合的二级存储系统。利用SRAM存储器高速读写特性实现了采样数据的高速缓存;利用FLASH存储器非易失性大容量数据存储能力实现了大量连续性试验数据存储功能。利用这种存储方式满足了数据采集系统对于存储系统的要求。
最后,利用AVR单片机与可编程逻辑器件完成了整体电路设计与调试工作,实现了数据采集流程控制、自触发双延时变采样数据采集控制电路设计,并对各个功能模块进行了验证,均符合爆炸压力场信号采样要求。
The essence of this article is to study the data gathering technology of aquatic explosion field Shockwave and bubble power efficiency parameters.
First, for the integrality of explosion signal acquisition, based on the characteristic of single and momentary, a method of integral test and the self-adjust trigger threshold is designed. Meanwhile, for the sake of phase information collection which is used in data manage and rebuild, there is a counter of phase that record the difference between trigger and Shockwave. In this way, the synchronization in the DDAS is resolved.
Secondly, because of the big difference of Shockwave and bubble power signal frequency range, according to the demand of Nyquist sampling theorem, a data acquisition mode of alternative sampling-rate is designed. Using the counter of sampling pot, the speed of data acquisition is shift between high and low.
Thirdly, in order to research the statistics rule of underwater explosion, the acquisition data is collected by repetitive series examination. Because the distributed test system is hardly to meet the request of acquisition data real time upload, the double memory system based on SRAM and FLASH is build. Utilize the high-speed buffer ability of SRAM, the acquisition data is being write and read. And make use of big capability of FLASH, repetitious examination data is being saved, and the request of data acquisition is meet in this way.
Making use of AVR single machine and programmable logic device realized the controlling of data gathering circuit, the data gathering controlling circuit design for automated triggering with double delay shift rate. Test outcome of each functional module is compliance with the data gathering demand in xx pressure field.
引文
[1]张挺.爆炸冲击波测试技术.北京:国防工业出版社,1984.
[2]黄正平.爆炸与冲击波电测技术[M].北京:国防工业出版社,2006.
[3]孟吉复,惠宏斌.爆破测试技术[M].北京:国防工业出版社,1992.
[4]加尔基(苏)等.水下爆破工程[M].北京:人民出版社,1992.
[5]祖静等.当前动态测试技术的若干发展.测试技术学报[J].1996-02.
[6]Shay.HG.Hydrodynamics of Underwater Explosions.InProc,Symposium Naval Hydrodyn,1st,Washington D.C:1965.
[7]Cole.R.H.Underwater Explosion[M].Dover Publication,1965.
[8]尹群,陈永念,胡海岩.水下爆炸研究的现状和趋势[J].造船技术.2006.6:6-11.
[9]Akio Kira.Underwater Explosion of Spherical Explosive.Journal of Materials Procession Technology,1999,85:64.
[10]Guy.B.M,Srinivasan,A.K.Design of an underwater data acquisition system for measuring submarine performance System Theory,1995.Proceedings of the Twenty-Seventh Southeastern Symposium on,12-14 March,1995.P221-225.
[11]Gaspin J.B.Depth Scaling of Underwater Explosion Phenomena.AD2A 020473,1975.
[12]王金伟.分布式数据采集与监测系统的设计、实现与应用[D].中国科学院硕士学位论文.2006.04.
[13]李月娥.基于串行通信的分布式数据采集系统设计研究[J].测试技术学报.2004.18(2).P118-121.
[14]孙万荣,孙肖子.数据采集系统中触发采集控制电路的设计[J].电子技术应用.1997.9.35-36.
[15]谭震.数据采集中触发同步和精确定时的实现[J].自动化仪表.1998.5:8-10.
[16]许志幔,李乃虎.一种分布式无线数据采集系统的研制[J].电子技术.2005.2.26-29.
[17]Massie,M.L,Chun,B.N and Culler,D.E.The Ganglia Distributed Monitoring System:Design,Implementation,and Experience.Parallel Computing,30(7),2004.
[18]黄德勇.高速数据采集系统设计和CPCI接口研究[D].电子科技大学硕士学位论文.2004.
[19]王文廉.同时测速测压的存储式冲击波测试系统研究[D].华北工学院硕士学位论文.2004.03.
[20]Faure.B.Baribaud,D.Lejeune,G.Lienard,J.Raynal,M.Description of an autonomous system of acquisition and real time procession for acoustic source monitoring OCEANS'94.Oceans Engineering for Today's Technology and Tomorrow's Preservation.Proceedings,Volume:2,13-16 Sept,1994.Pages:Ⅱ/642-645.vol.2.
[21]杨泽望,潘保清,孙鹏举.基于存储测试技术的强冲击波测量系统的设计与应用[J].飞行器测控学报.2005.6.24(3):84-88.
[22]王文松.冲击波压力场信号采集系统设计[D].重庆大学硕士学位论文.2006.
[23]姚竹亭.火炮发射条件下炸药的应力测试研究[D].硕士学位论文.太原机械学院,1993
[24]Khalid Muneed.Data acquisition gains new highs with PCI.Evaluation Engineering v 36n 5 May 1997.
[25]Frank Alan D.Buoy-based digital link for undersea sensors.Sea Technology v40 July 1999.
[26]Morozov,A.K.Webb,D.C.A sound projector for acoustic tomography and global oceanmonitoring,Oceanic Engineering,IEEE Journal of,Volume:28,Issue:2,April 2003.Page175-185.
[27]Emery.W.J,Baldwin.D.In situ calibration of satellite sea surface temperature Geoscience and Remote sensing Symposium,1999.IGARSS'99 Proceedings.IEEE 1999International,Volume:1,28 June-2 July 1999 Pages:1-4 vol.1
[28]张挺.爆炸冲击波测量技术[M].北京:国防工业出版社.1984,10.
[29]董自键.无线局域网接入点设备的设计与研制[IJ].东南大学硕士学位论文.2004.
[30]沈艳.分布式测试系统协作理论及其通信平台实时性研究[D].电子科技大学博士学位论文.2004.6.
[31]王世勋.远程无线数据采集系统的研究与设计[D].武汉理工大学硕士学位论 文.2006.
[32]孙昊.基于无线传感器网络的环境集成监测系统[D].山东大学硕士学位论文.2006.04.
[33]肖川,宋浦,梁安定.炸药水中爆炸规律的研究进展[J].火炸药学报.2006,29(6).19-23.
[34]王晓峰,陈鲁英.炸药的水下爆炸威力[J].兵工学报.1995.1.30.34.
[35]张振华,朱锡,白雪飞.水下爆炸冲击波的数值模拟研究[J].爆炸与冲击.2004.24(2).182-187.
[36]Cho-Chung Lian.Study of the nonlinear responses of a submersible pressure hull.International Journal of Pressure Vessels and Piping,75(1998):131-149.
[37]张可玉,詹发民.水下爆破技术[M].青岛:海军潜艇学院,2000.
[38]Cole R.H.Underwater Explosions.New Jersey:LISA,Princeton University Press,1948.
[39]程佩青.数字信号处理[M].北京:清华大学出版社,2001.403-420.
[40]黄正平.爆炸与冲击电测试技术[M].北京:国防工业出版社,2006.
[41]高勇军,王伟策.浅层水中爆炸冲击波压力的测试与分析[J].爆破.1999.16(1).9-12.
[42]池家春,马冰.TNT/RDX(40/60)炸药球水中爆炸波研究[J].高压物理学报.1999.13(3).199-204.
[43]李双.水下爆炸对板壳结构破坏机理研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2004.
[44]姚熊亮,陈建平,任慧龙.水下爆炸二次脉动压力下舰船抗爆性能研究[J].中国造船.2001,42(2).P48.
[45]苏华,陈网桦.炸药水下爆炸冲击波参数的修正[J].火炸药学报.2004,27(3).46-52.
[46]盖京波.舰船结构在爆炸冲击载荷作用下的局部破坏研究[I)].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2005.
[47]陆逊龄,梁向前.水中爆炸的理论研究与实践[J].爆破.2006-6.02(23).
[48]饶国宁.爆炸能量输出特性及爆炸波与目标作用的研究[D].南京理工大学博士学位 论文.2007.07
[49]刘发明.计算机化自适应测试的研究与实现[D].江西师范大学硕士学位论文.2005.
[50]李道本.信号的统计检测与估计理论[M].科学出版社.2004-9-1.
[51]倪浩然.各种触发模式在数据采集系统中的应用.测试测量[J].凌华科技.
[52]沈兰荪.数据采集技术[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1990.
[53]周睿,冯顺山.气泡帷幕对水中冲击波峰值压力衰减特性的研究[J].工程爆破.2001.7(2).P13-17.
[54]易志明,林凌.SPI串行总线接口及其实现[J].自动化与仪器仪表.2002,6.45-48.
[55]左东广,魏瑞轩.SPI接口技术及应用[J].工业控制计算机.2001,14(2):9-11.
[56]武云,乔纯捷.数据采集系统中的触发技术[J].计算机测量与控制.2004.12(4).369-371.
[57]高歌.随机脉冲触发峰值采样电路的设计[J].核电子学与探测技术.2005,(9):Vol.25.No5.
[58]高晋占.微弱信号检测[M].清华大学出版社.2004.11.
[59]朱代柱,张艳秋等.极短时间脉冲信号的检测方法研究[J].舰船科学技术.2003,(12):Vol.25.No.6.
[60]童宝润.时间统一技术[M].国防工业出版社.2004-7-1.
[61]李训铭,李仕峰.基于FIFO共享RAM的数据采集系统[J].海河大学学报,2000,28(3):156-178.
[62]吴贵华.一种实用的高速数据采集系统[J].中南民族学院学报(自然科学报),2001,20(3):40-48.
[63]王红.高速缓冲存储器件性能解析[J].微机发展,2000,23(3):30-38.
[2]黄正平.爆炸与冲击波电测技术[M].北京:国防工业出版社,2006.
[3]孟吉复,惠宏斌.爆破测试技术[M].北京:国防工业出版社,1992.
[4]加尔基(苏)等.水下爆破工程[M].北京:人民出版社,1992.
[5]祖静等.当前动态测试技术的若干发展.测试技术学报[J].1996-02.
[6]Shay.HG.Hydrodynamics of Underwater Explosions.InProc,Symposium Naval Hydrodyn,1st,Washington D.C:1965.
[7]Cole.R.H.Underwater Explosion[M].Dover Publication,1965.
[8]尹群,陈永念,胡海岩.水下爆炸研究的现状和趋势[J].造船技术.2006.6:6-11.
[9]Akio Kira.Underwater Explosion of Spherical Explosive.Journal of Materials Procession Technology,1999,85:64.
[10]Guy.B.M,Srinivasan,A.K.Design of an underwater data acquisition system for measuring submarine performance System Theory,1995.Proceedings of the Twenty-Seventh Southeastern Symposium on,12-14 March,1995.P221-225.
[11]Gaspin J.B.Depth Scaling of Underwater Explosion Phenomena.AD2A 020473,1975.
[12]王金伟.分布式数据采集与监测系统的设计、实现与应用[D].中国科学院硕士学位论文.2006.04.
[13]李月娥.基于串行通信的分布式数据采集系统设计研究[J].测试技术学报.2004.18(2).P118-121.
[14]孙万荣,孙肖子.数据采集系统中触发采集控制电路的设计[J].电子技术应用.1997.9.35-36.
[15]谭震.数据采集中触发同步和精确定时的实现[J].自动化仪表.1998.5:8-10.
[16]许志幔,李乃虎.一种分布式无线数据采集系统的研制[J].电子技术.2005.2.26-29.
[17]Massie,M.L,Chun,B.N and Culler,D.E.The Ganglia Distributed Monitoring System:Design,Implementation,and Experience.Parallel Computing,30(7),2004.
[18]黄德勇.高速数据采集系统设计和CPCI接口研究[D].电子科技大学硕士学位论文.2004.
[19]王文廉.同时测速测压的存储式冲击波测试系统研究[D].华北工学院硕士学位论文.2004.03.
[20]Faure.B.Baribaud,D.Lejeune,G.Lienard,J.Raynal,M.Description of an autonomous system of acquisition and real time procession for acoustic source monitoring OCEANS'94.Oceans Engineering for Today's Technology and Tomorrow's Preservation.Proceedings,Volume:2,13-16 Sept,1994.Pages:Ⅱ/642-645.vol.2.
[21]杨泽望,潘保清,孙鹏举.基于存储测试技术的强冲击波测量系统的设计与应用[J].飞行器测控学报.2005.6.24(3):84-88.
[22]王文松.冲击波压力场信号采集系统设计[D].重庆大学硕士学位论文.2006.
[23]姚竹亭.火炮发射条件下炸药的应力测试研究[D].硕士学位论文.太原机械学院,1993
[24]Khalid Muneed.Data acquisition gains new highs with PCI.Evaluation Engineering v 36n 5 May 1997.
[25]Frank Alan D.Buoy-based digital link for undersea sensors.Sea Technology v40 July 1999.
[26]Morozov,A.K.Webb,D.C.A sound projector for acoustic tomography and global oceanmonitoring,Oceanic Engineering,IEEE Journal of,Volume:28,Issue:2,April 2003.Page175-185.
[27]Emery.W.J,Baldwin.D.In situ calibration of satellite sea surface temperature Geoscience and Remote sensing Symposium,1999.IGARSS'99 Proceedings.IEEE 1999International,Volume:1,28 June-2 July 1999 Pages:1-4 vol.1
[28]张挺.爆炸冲击波测量技术[M].北京:国防工业出版社.1984,10.
[29]董自键.无线局域网接入点设备的设计与研制[IJ].东南大学硕士学位论文.2004.
[30]沈艳.分布式测试系统协作理论及其通信平台实时性研究[D].电子科技大学博士学位论文.2004.6.
[31]王世勋.远程无线数据采集系统的研究与设计[D].武汉理工大学硕士学位论 文.2006.
[32]孙昊.基于无线传感器网络的环境集成监测系统[D].山东大学硕士学位论文.2006.04.
[33]肖川,宋浦,梁安定.炸药水中爆炸规律的研究进展[J].火炸药学报.2006,29(6).19-23.
[34]王晓峰,陈鲁英.炸药的水下爆炸威力[J].兵工学报.1995.1.30.34.
[35]张振华,朱锡,白雪飞.水下爆炸冲击波的数值模拟研究[J].爆炸与冲击.2004.24(2).182-187.
[36]Cho-Chung Lian.Study of the nonlinear responses of a submersible pressure hull.International Journal of Pressure Vessels and Piping,75(1998):131-149.
[37]张可玉,詹发民.水下爆破技术[M].青岛:海军潜艇学院,2000.
[38]Cole R.H.Underwater Explosions.New Jersey:LISA,Princeton University Press,1948.
[39]程佩青.数字信号处理[M].北京:清华大学出版社,2001.403-420.
[40]黄正平.爆炸与冲击电测试技术[M].北京:国防工业出版社,2006.
[41]高勇军,王伟策.浅层水中爆炸冲击波压力的测试与分析[J].爆破.1999.16(1).9-12.
[42]池家春,马冰.TNT/RDX(40/60)炸药球水中爆炸波研究[J].高压物理学报.1999.13(3).199-204.
[43]李双.水下爆炸对板壳结构破坏机理研究[D].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2004.
[44]姚熊亮,陈建平,任慧龙.水下爆炸二次脉动压力下舰船抗爆性能研究[J].中国造船.2001,42(2).P48.
[45]苏华,陈网桦.炸药水下爆炸冲击波参数的修正[J].火炸药学报.2004,27(3).46-52.
[46]盖京波.舰船结构在爆炸冲击载荷作用下的局部破坏研究[I)].哈尔滨工程大学硕士学位论文.2005.
[47]陆逊龄,梁向前.水中爆炸的理论研究与实践[J].爆破.2006-6.02(23).
[48]饶国宁.爆炸能量输出特性及爆炸波与目标作用的研究[D].南京理工大学博士学位 论文.2007.07
[49]刘发明.计算机化自适应测试的研究与实现[D].江西师范大学硕士学位论文.2005.
[50]李道本.信号的统计检测与估计理论[M].科学出版社.2004-9-1.
[51]倪浩然.各种触发模式在数据采集系统中的应用.测试测量[J].凌华科技.
[52]沈兰荪.数据采集技术[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1990.
[53]周睿,冯顺山.气泡帷幕对水中冲击波峰值压力衰减特性的研究[J].工程爆破.2001.7(2).P13-17.
[54]易志明,林凌.SPI串行总线接口及其实现[J].自动化与仪器仪表.2002,6.45-48.
[55]左东广,魏瑞轩.SPI接口技术及应用[J].工业控制计算机.2001,14(2):9-11.
[56]武云,乔纯捷.数据采集系统中的触发技术[J].计算机测量与控制.2004.12(4).369-371.
[57]高歌.随机脉冲触发峰值采样电路的设计[J].核电子学与探测技术.2005,(9):Vol.25.No5.
[58]高晋占.微弱信号检测[M].清华大学出版社.2004.11.
[59]朱代柱,张艳秋等.极短时间脉冲信号的检测方法研究[J].舰船科学技术.2003,(12):Vol.25.No.6.
[60]童宝润.时间统一技术[M].国防工业出版社.2004-7-1.
[61]李训铭,李仕峰.基于FIFO共享RAM的数据采集系统[J].海河大学学报,2000,28(3):156-178.
[62]吴贵华.一种实用的高速数据采集系统[J].中南民族学院学报(自然科学报),2001,20(3):40-48.
[63]王红.高速缓冲存储器件性能解析[J].微机发展,2000,23(3):30-38.