任勇峰，周 濤，李輝景，劉占峰，王 闖

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原，030051；2.電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051）

基于Flash的侵徹關(guān)鍵信號(hào)分區(qū)存儲(chǔ)方法

任勇峰1，2，周 濤1，2，李輝景1，2，劉占峰1，2，王 闖1，2

（1.中北大學(xué)儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原，030051；2.電子測(cè)試技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051）

針對(duì)彈體侵徹硬目標(biāo)過(guò)程中，關(guān)鍵信號(hào)獲取存儲(chǔ)難度大，有效數(shù)據(jù)易丟失、被覆蓋的問(wèn)題，提出了基于Flash的侵徹關(guān)鍵信號(hào)分區(qū)存儲(chǔ)方法。該方法將Flash存儲(chǔ)單元邏輯上分為兩區(qū)，通過(guò)判斷彈體是否侵徹目標(biāo)掉電，從而跳區(qū)將侵徹關(guān)鍵有效數(shù)據(jù)捕獲并鎖存至單次記錄的第二區(qū)。實(shí)驗(yàn)表明，該分區(qū)存儲(chǔ)方法獲取關(guān)鍵信號(hào)準(zhǔn)確可靠，記錄數(shù)據(jù)完整度高，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

Flash；侵徹；存儲(chǔ)測(cè)試

0 引言

隨著戰(zhàn)略目標(biāo)防御能力的增強(qiáng)，對(duì)硬目標(biāo)侵徹武器打擊能力的要求也相應(yīng)提高，為了最大程度上對(duì)目標(biāo)進(jìn)行摧毀，需要獲取彈體侵徹過(guò)程中的裝置引爆、火工品引爆以及引信狀態(tài)等關(guān)鍵信號(hào)，以此計(jì)算和驗(yàn)證最佳破壞的爆炸時(shí)機(jī)［1］。目前的彈載存儲(chǔ)測(cè)試技術(shù)，在高沖擊、強(qiáng)振動(dòng)、高溫高壓的惡劣條件下，瞬時(shí)獲取和存儲(chǔ)侵徹信號(hào)有一定難度，且面臨侵徹目標(biāo)掉電數(shù)據(jù)易丟失、被覆蓋等風(fēng)險(xiǎn)［2］。本文針對(duì)此問(wèn)題，提出了基于Flash閃存的侵徹關(guān)鍵信號(hào)分區(qū)存儲(chǔ)方法。

1 信號(hào)存儲(chǔ)器

1.1 信號(hào)存儲(chǔ)器特征

信號(hào)存儲(chǔ)器采用Xilinx公司的Spartan-II系列現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門(mén)陣列（FPGA）作為主控核心，Micron公司的NAND Flash作為存儲(chǔ)芯片，主要完成系統(tǒng)的掉電續(xù)電、信號(hào)的調(diào)理與采集以及數(shù)據(jù)的雙備份存儲(chǔ)，具體組成框圖如圖1所示。

FPGA具有時(shí)鐘頻率高、內(nèi)部延時(shí)小、速度快、效率高以及邏輯資源豐富等特點(diǎn)，是很好的邏輯控制器件選擇方案［3］。

NAND Flash體積小、成本低、存儲(chǔ)密度高，且具有大容量、非易失、可擦除與重復(fù)性編程等優(yōu)點(diǎn)，非常適合數(shù)據(jù)存儲(chǔ)［4］。有以下特點(diǎn)：

1）每塊Flash芯片在出廠時(shí)都會(huì)有一定比例的壞塊存在，在操作之前，需要對(duì)Flash進(jìn)行無(wú)效塊檢測(cè)。

2）Flash內(nèi)部操作一般以塊擦除、頁(yè)編程和頁(yè)讀的方式進(jìn)行。

圖1 信號(hào)存儲(chǔ)器組成框圖Fig.1 Schematic diagram of signal storage system

1.2 掉電續(xù)電解決辦法

彈體發(fā)射和飛行過(guò)程中信號(hào)存儲(chǔ)器通過(guò)彈上電源供電，侵徹硬目標(biāo)時(shí)會(huì)承受超高沖擊和過(guò)載，導(dǎo)致彈上電源解體斷電［5］。因此，信號(hào)存儲(chǔ)器首先要解決掉電續(xù)電問(wèn)題，才能為后續(xù)的存儲(chǔ)工作提供可行性保障。

圖2為信號(hào)存儲(chǔ)器掉電續(xù)電硬件電路，主要由電源引入、分壓采集、使能控制和主電源芯片組成。MIC29151電源芯片負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)出信號(hào)存儲(chǔ)器所需的5 V電源VCC。

圖2 掉電續(xù)電模塊電路Fig.2 Circuit of electric relay module

二極管兩端壓降大的先導(dǎo)通，所以正常情況下，信號(hào)存儲(chǔ)器是從12 V彈上電源取電，彈上掉電后，才轉(zhuǎn)為內(nèi)部鋰電池組續(xù)電，工作流程如圖3所示。

整個(gè)過(guò)程中，F(xiàn)PGA實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)12 V彈上電源電壓，并將彈上12 V掉電作為侵徹硬目標(biāo)開(kāi)始的判據(jù)，及時(shí)對(duì)侵徹關(guān)鍵信號(hào)采集和存儲(chǔ)。

圖3 掉電續(xù)電工作流程圖Fig.3 Flowchart of electric relay work

2 分區(qū)存儲(chǔ)方法

2.1 存儲(chǔ)分析

信號(hào)存儲(chǔ)器旨在獲取和存儲(chǔ)侵徹過(guò)程中的關(guān)鍵信號(hào)，而發(fā)射、飛行過(guò)程中的大量信號(hào)數(shù)據(jù)不必存儲(chǔ)記錄。因此，通過(guò)分區(qū)存儲(chǔ)方法將Flash存儲(chǔ)單元邏輯上分為兩區(qū)，在第一區(qū)采用邊擦邊寫(xiě)、循環(huán)記錄的方式存儲(chǔ)彈體發(fā)射、飛行過(guò)程中采集的信號(hào)數(shù)據(jù)；彈體侵徹目標(biāo)瞬間再跳至第二區(qū)進(jìn)行單次記錄存儲(chǔ)侵徹過(guò)程中的關(guān)鍵信號(hào)，避免了數(shù)據(jù)的覆蓋和丟失。

2.2 分區(qū)存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)

信號(hào)存儲(chǔ)器中NAND Flash存儲(chǔ)芯片采用的是Micron的MT29F16G08ABABA，包含1個(gè)邏輯單元（LUN），存儲(chǔ)容量2 GB，內(nèi)部有兩個(gè)平面共4 096塊，每塊有128頁(yè)，每頁(yè)4 096個(gè)字節(jié)。

在對(duì)Flash操作之前，需要進(jìn)行無(wú)效塊檢測(cè)。通過(guò)檢查各塊第一頁(yè)的第4 096字節(jié)的數(shù)據(jù)是否為“00H”來(lái)判定無(wú)效塊，從而生成無(wú)效塊列表，并存放于FPGA內(nèi)部的雙口只讀內(nèi)存（ROM）中，無(wú)效塊檢測(cè)流程如圖4所示。

圖4 無(wú)效塊檢測(cè)流程圖Fig.4 Flowchart of invalid block check

需要注意的是，為了方便塊地址比較，避免進(jìn)入檢測(cè)死循環(huán)，設(shè)計(jì)中將第4 096塊也認(rèn)為是無(wú)效塊，并將該塊地址也并入無(wú)效塊列表。之后，只要系統(tǒng)不斷電，F(xiàn)lash的擦除、讀、寫(xiě)操作都按照該列表操作，不再進(jìn)行無(wú)效塊檢測(cè)。

將塊地址為0～4 095共4 096個(gè)塊的Flash芯片分為兩區(qū)，塊地址0～2 047為第一區(qū)，2 048～4 095為第二區(qū)，每區(qū)容量1 GB，分區(qū)示意如圖5所示。信號(hào)存儲(chǔ)器上電后，采集的信號(hào)數(shù)據(jù)在第一區(qū)按塊依次邊擦邊寫(xiě)、循環(huán)記錄，一旦侵徹目標(biāo)掉電，則中斷第一區(qū)的寫(xiě)入，跳至第二區(qū)從第2 048塊開(kāi)始邊擦邊寫(xiě)、單次記錄，實(shí)現(xiàn)侵徹關(guān)鍵信號(hào)的獲取與鎖定存儲(chǔ)。

信號(hào)存儲(chǔ)器需要采集的關(guān)鍵信號(hào)共5路，每路信號(hào)采樣率250 k Hz，總采樣率為1.25 MHz，采用8位的A/D轉(zhuǎn)換器，則采集數(shù)據(jù)生成率為：

由此可得，在第一區(qū)（循環(huán)記錄區(qū)）和第二區(qū)（單次記錄區(qū)）數(shù)據(jù)不發(fā)生覆蓋的前提下，兩區(qū)分別可記錄時(shí)長(zhǎng)為：

彈體高速侵徹過(guò)程時(shí)間極短約幾百微秒到幾十毫秒，彈體型號(hào)、飛行速度和擊中硬目標(biāo)不同，侵徹時(shí)間有所不同［1，5］，但819.2 s的第二區(qū)記錄時(shí)長(zhǎng)足以滿足侵徹關(guān)鍵信號(hào)的存儲(chǔ)要求?？紤]到掉電續(xù)電后鋰電池組的供電能力，防止有效數(shù)據(jù)被覆蓋或丟失，在滿足存儲(chǔ)要求的情況下，F(xiàn)PGA內(nèi)部增加了22 s的計(jì)時(shí)器，侵徹跳至第二區(qū)采集存儲(chǔ)22 s信號(hào)數(shù)據(jù)后，拉低主電源芯片使能，使信號(hào)存儲(chǔ)器關(guān)機(jī)停止記錄。分區(qū)存儲(chǔ)邏輯控制流程如圖6所示。

圖5 Flash分區(qū)示意圖Fig.5 Schematic diagram of Flash partition

圖6 分區(qū)存儲(chǔ)流程圖Fig.6 Flowchart of partition storage

Flash內(nèi)部檢測(cè)無(wú)效塊后，按塊擦除，并按頁(yè)執(zhí)行編程寫(xiě)入。如果當(dāng)前塊為有效塊，且未監(jiān)測(cè)到彈上掉電，則對(duì)該塊執(zhí)行邊擦邊寫(xiě)，直至寫(xiě)完第2047塊，若此時(shí)彈上仍未掉電，則再跳回第1塊執(zhí)行循環(huán)記錄。整個(gè)過(guò)程中，一旦監(jiān)測(cè)到彈上掉電，不管在第一區(qū)寫(xiě)到第幾塊，均跳至第二區(qū)從第2048塊開(kāi)始執(zhí)行邊擦邊寫(xiě)，直至22 s計(jì)時(shí)器滿關(guān)機(jī)。

3 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了模擬彈體侵徹硬目標(biāo)造成彈上電源掉電，驗(yàn)證該分區(qū)存儲(chǔ)方法能在彈上12 V掉電后轉(zhuǎn)為鋰電池組續(xù)電，通過(guò)判斷彈上掉電跳至第二區(qū)獲取存儲(chǔ)侵徹掉電時(shí)刻之后的關(guān)鍵信號(hào)，記錄22 s數(shù)據(jù)后關(guān)機(jī)的可靠有效性。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用12 V直流電源輸入，采集4路設(shè)定寬度分別為10 ms、50 ms、100 ms、150 ms的瞬態(tài)脈沖信號(hào)和該12 V電源信號(hào)，信號(hào)存儲(chǔ)器開(kāi)始上電記錄一段時(shí)間后，突然斷開(kāi)12 V電源，之后通過(guò)上位機(jī)讀回?cái)?shù)據(jù)繪圖分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 模擬關(guān)鍵信號(hào)繪制波形圖Fig.7 Waveform of simulated key signal

圖7顯示的是模擬侵徹目標(biāo)彈上12 V掉電后，第二區(qū)數(shù)據(jù)的繪制波形?？梢钥闯?，在第3 s時(shí)刻左右直流電源D12 V斷電，之后信號(hào)存儲(chǔ)器續(xù)電成功，工作到第25 s時(shí)刻后關(guān)機(jī)停止記錄。獲取和存儲(chǔ)的22 s關(guān)鍵信號(hào)完整不丟失，4路瞬態(tài)脈沖信號(hào)測(cè)試結(jié)果與原始信號(hào)吻合一致。

實(shí)驗(yàn)證明，該分區(qū)存儲(chǔ)方法能有效及時(shí)的獲取侵徹關(guān)鍵信號(hào)，跳存至第二區(qū)防止數(shù)據(jù)丟失和覆蓋。

4 結(jié)論

本文提出了基于Flash的侵徹關(guān)鍵信號(hào)分區(qū)存儲(chǔ)方法。該方法將Flash存儲(chǔ)單元邏輯上分為兩區(qū)，通過(guò)判斷彈體是否侵徹目標(biāo)掉電，從而跳區(qū)將侵徹關(guān)鍵有效數(shù)據(jù)捕獲并鎖存至單次記錄的第二區(qū)。實(shí)驗(yàn)表明，該分區(qū)存儲(chǔ)方法獲取關(guān)鍵信號(hào)準(zhǔn)確可靠，記錄數(shù)據(jù)完整。目前，該存儲(chǔ)方法已成功用于實(shí)彈發(fā)射試驗(yàn)，具有較高的可靠性，對(duì)其他存儲(chǔ)設(shè)計(jì)也有一定參考價(jià)值。

［1］董力科.多層侵徹過(guò)載信號(hào)獲取技術(shù)研究［D］.太原：中北大學(xué)，2013.

［2］王永芳，范錦彪，王燕.基于可編程邏輯器件的彈載存儲(chǔ)測(cè)試儀［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2012，34（5）：55-58.

［3］劉東海，任勇峰，儲(chǔ)成君.基于FPGA控制的NAND Flash存儲(chǔ)設(shè)計(jì)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2013，13（34）：10349-10353.

［4］李鑫旺，張丕狀.基于非易失存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于管理方法［J］.探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2010，32（1）：84-87.

［5］劉海濤.彈體斜侵徹混凝土靶過(guò)程中動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試技術(shù)研究［D］.太原：中北大學(xué)，2011.

Penetration Signal Storing Based on Flash Partition Storage

REN Yongfeng1，2，ZHOU Tao1，2，LI Huiiing1，2，LIU Zhanfeng1，2，WANG Chuang1，2
（1.The Ministry of Education Key Laboratory for Instrument Science and Dynamic Test，Taiyuan 030051，China；2.National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology，North University of China，Taiyuan 030051，China）

In the process of hard targets penetration，the key signal is hard to be captured and stored，the valid datais liable to be lost and covered.A key penetration signal partition storage method based on Flash was proposed in this paper.This method logically divided the flash memory into two areas.It would iump to the second area to captureand storage key penetration valid data by single record if missile penetration target power was down.Tests showed that this partition storage method was accurate and reliable on capturing key signal with high recording data integrity.

flash；penetration；storage measurement

TP274

A

1008-1194（2015）05-0106-04

2015-03-09

任勇峰（1968—），男，山西中陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：微電路系統(tǒng)、電路系統(tǒng)檢測(cè)與診斷技術(shù)。E-mail：zhoutaoo728@diyun.com。