基于数据提取的压力测试系统的设计
摘 要：在无线分布式冲击波测试中，实验后突发式的大量数据传输使网络的负荷急剧增大，导致网络拥堵，降低了无线传输效率。针对以上问题，采用数据提取技术降低单个测点的数据量，对测点进行选择性的无线传输，提高了整体传输效率。验证了系统数据提取的功能，应用到实弹测试中，有效获取了冲击波压力数据。
关键词：数据提取；无线网络；冲击波超压；测试系统
冲击波效应是武器系统和弹药等毁伤因素之一，准确测量冲击波超压可为武器威力评价、毁伤效能提供科学依据[1]。当前主要测试方法有：引线法和存储法。近几年，无线网络技术也得到了应用，解决了引线法存在布线繁杂的缺点以及存储法中难以监测系统状态的缺点[2]。但由于在爆炸后需要无线读取数据，整体爆炸场需要传输的数据量较大，这种突发式的大量数据传输使无线局域网络的负荷较大，占用较多无线资源，易引起网络拥堵，降低了无线传输效率，甚至导致数据传输失败。针对以上问题，本文采用数据提取技术，降低每个测点的数据量；对测点进行选择性的无线传输，避免网络拥堵，提高了整体传输效率。
1 测试节点的硬件组成
无线局域网络由一个中心网络节点，多个网络节点组成的。网络节点可实现无线局域网络的组建，也是测试节点，完成数据采集和存储，能响应控制中心的命令发送状态信息和测试数据。其主要由传感器、调理电路、AD转换器、FPGA、存储器、无线模块和USB组成。选用ICP压力传感器，上升时间小于1μs，十分适用于爆炸冲击波压力信号的测试。存储器选用掉电不丢失、大容量的闪存。设有USB接口，当无线网络障碍或无需无线时，采用USB有线传输，防止数据丢失，提高了可靠性。被测冲击波信号经传感器并通过放大、滤波等调理电路的处理，再经AD转换成数字信号并存储。采集的数据可通过USB接口输出，也可通过FPGA控制无线通信模块进行转发。FPGA作为主控芯片，控制整体的逻辑时序。
2 数据提取技术
提取技术主要有标记与读取两部分。标记是在采集和存储信号过程中，不断地判断瞬态压力信号是否来临，若到来则标记，以便数据回收。实验前，通过冲击波超压经验公式[3]，估算弹药在测点处的超压峰值，以确保测点的量程大于预算压力，避免截幅。根据估计值设定阈值，当采集的信号大于设定阈值时，系统则进行判断。利用瞬态压力的上升沿极为陡峭的特点，来作为判断的重要参数。在采集过程中，FPGA不断监测AD，若AD转换数据连续上升且信号大于设定阈值，则进行标记。在采集存储信号时，在闪存中按页进行存储，在符合上述两点后系统会记录最近一次写入闪存的页地址。
每次实验的弹药均不同，其压力信号的正压作用时间随着弹药当量和距爆心的距离增大而增加。在提取时数据的长度必须合理，过长不利于数据传输与处理，过短时不能记录整个压力信号的变化过程，因此设计了可编程的提取长度。根据测试环境设定总的提取长度和瞬态上升沿之前的数据长度。在读取时，根据设定的两个长度和系统标记的页地址，得出读取数据的首地址和结束地址，如图1所示。在无线传输时，采用数据提取技术将存储数据中一部分数据回传给客户端，保证了可靠性，降低了单个测点的无线传输数据量。
3 测点无线模块的设置
测点通过无线局域网络与远程控制中心完成通信，其无线模块是接入无线局域网的关键。选用了WIZnet公司的WLAN模块，该系列模块支持802.11b/g标准，可集成于现有系统，具有以下特点：1提供标准UART、I2C和SPI等3种接口方式；2 断线检测并在网络恢复后自动连接；3支持TCP与UDP传输。UART传输协议简单，控制方便，占用管脚少，故选用UART实现无线模块与FPGA通信，实现数据的收发。采用硬件流控的方式对数据进行控制，在高速模式下实现数据传输。TCP协议是面向连接的传输层协议，提供数据校验和重传机制，适合于要求可靠性高的数据传输，因此选用TCP传输。
为了避免网络拥堵的发生，提高整体传输效率，采用C/S架构，即将测点设为服务器，远程控制中心为客户端。只有客户端发起回读请求时，测点响应后，数据才能回传给客户端，这样客户端可对测点进行选择性传输和确定数量，以有效控制多个测点的数据并发性的访问，避免了网络负荷较大导致的拥堵。测点能实时对端口进行扫描，监听客户端的请求，响应后建立连接，提高了连接的成功率和实时性，极大降低了客户端的处理压力。
4 数据提取方法的验证及实测数据
为验证测点的动态性能与数据提取功能，进行激波管动态标定实验[4]。激波管可分为高压室和低压室，中间用膜片隔开。被标定测点的传感器安装在低压室端面上。标定时，高压室充入高压气体，到达一定压力时膜片瞬间破裂，高压气体迅速冲入低压室，形成激波，作用于测点的传感器上。该激波近似阶跃信号，上升沿极为陡峭与爆炸产生的瞬态压力信号极为相似。通过调节膜片厚度，改变激波压力，进行了多次试验，以验证数据提取功能。图2为某次标定中采集到激波压力信号，曲线提取总长度为512KW、阈值前长度为64KW，与设定相符。多次实验结果表明，测点可按照测试前设定的提取总长度和阈值前长度，准确的提取测试数据。
图2 激波压力曲线
某型号弹药架高1 m进行静爆实验，在地面上按两两夹角均为120度的3个直线方向布设测试系统，测点到爆心的距离分别是2 m、3 m和4m。实验完成后利用无线网络成功选择性地读取各测点的数据，图3为其中一条方向上实测的冲击波超压曲线。从结果得出，随测点到爆心距离增大，冲击波超压峰值呈递减的规律[1]，体现了爆炸冲击波的传播特性。
4 结语
本文通过数据提取方法降低单测试节点的数据量，对数据采用选择性的传输，避免了无线传输时网络拥堵，提高了整体传输速率。验证了测试节点的提取功能，系统在多次实弹测试中得到了应用，有效获取了完整的冲击波信号。
参考文献
[1]黄正平.爆炸与冲击电测技术[M].北京：北京国防工业出版社，2006.
[2]张志杰，王代华，王文廉等.具有无线数据传输与控制功能的冲击波超压测试系统[J].计测技术，2010，30（1）.
[3]吴彦捷.高轩能.爆炸冲击波数值模拟及超压计算公式的修正[J].华侨大学学报（自然科学版），2014（3）.
[4]杜红棉，祖静.常用冲击波压力传感器动态特性实验研究[J].弹箭与制导学报，2012，32（2）.