冲击波超压时基同步存储测试技术

摘" 要： 冲击波超压测试作为评价武器性能的重要手段，其测试过程要求测试设备具有多通道、大容量数据存储和冲击波信号触发时间精确记录的功能。基于此，提出一种时基同步的冲击波超压存储测试技术。该技术以GPS卫星授时技术为基础，通过GPS模块输出的串行数据和PPS信号对设备系统时钟进行校准，并利用多通道数据存储技术实现对数据存储空间的管理和存储数据文件的检索。实验结果表明，采集设备间时基同步误差为256 ns，所研究的数据存储技术写入速度可达18.45 MB/s，可保证存储数据的完整性和采集设备数据的稳定存储。

关键词： 冲击波超压测试； GPS模块； 时基同步技术； 多通道数据存储； 数据检索； 写入测试

中图分类号： TN402⁃34； TJ510.6" " " " " " " " 文献标识码： A" " " " " " " " " " " "文章编号： 1004⁃373X（2025）06⁃0001⁃08

Time⁃based synchronous storage testing technology for shock wave overpressure

LIU Hao1， ZHU Yichen2， BI Rong1， LIU Jia1， CUI Haoran3， CUI Jianfeng1

（1. School of Electrical and Control Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China;

2. School of Instrument and Electronics， North University of China， Taiyuan 030051， China;

3. School of Chemistry and Chemical Engineering， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： Shock wave overpressure testing is an important means of evaluating weapon performance， and its testing process requires the testing equipment to have multi⁃channel， high⁃capacity data storage and accurate recording functions of shock wave signal triggering time. On this basis， a time⁃based synchronous storage testing technology for shock wave overpressure is proposed. In this technology， based on GPS satellite timing technology， the device system clock is calibrated by means of serial data and PPS signals output by the GPS module. The multi⁃channel data storage technology is used to realize the management of data storage space and the retrieval of storage data file. The experimental results prove that the time⁃based synchronization error between the acquisition devices is 256 ns， and the proposed data storage technology can achieve a writing speed of 18.45 MB/s， which can ensure the storage of data integrity and the stable storage of the acquisition device data.

Keywords： shock wave overpressure test; GPS module; time⁃based synchronization technology; multi⁃channel data storage; data retrieval; writing test

0" 引" 言

常规武器毁伤参数测试中，冲击波超压作为评价武器性能的重要参数，可以准确测量试验过程中产生的冲击波超压和冲量，为武器火力性能的评判以及武器升级换代提供设计依据[1]。目前，冲击波超压测试主要方法为存储测试法[2⁃3]，该方法将采集、存储和传输等功能模块集成于单一设备内，具有测试现场布置方便、抗干扰能力强和使用灵活等优点[4]。随着测试技术水平的不断提高，为满足更高的测试要求，测试设备采样通道数增加，要求冲击波超压采集设备具有高效率、高可靠性和高稳定性的测试数据存储技术[5⁃6]。

在静爆试验中，需采集多方位冲击波超压信号，将多个采集设备分别布置于距试验点不同距离测点上。由于布设测点多，为提高测点间采集信号一致性与可比性，方便后期对各设备采集数据进行处理，需对各个测点冲击波信号触发采集时间做同步处理。冲击波信号采集常用触发方式有内触发、光学触发和断线触发。相比内触发方式，后两种方法通过检测外部所提供的触发信号，达到各测点设备间触发时基相对统一[7]。内触发方式通过设备内部电路判断所监测冲击波信号是否达到设定值来产生触发信号，由于冲击波信号到达不同位置测点的时间不同，无法利用该触发信号进行设备间相对时基同步[8]。针对上述问题，将绝对时基同步技术和多通道测试数据存储技术有效结合，提出一种应用于多通道冲击波超压采集设备、触发信号绝对时基存储的存储测试技术，实现高精度时基同步和采集数据高效有序储存的功能。

1" 系统方案设计

冲击波超压采集设备主要由供电单元、信号调理单元、CPLD采集控制单元、内/外触发检测单元和存储同步单元五大部分构成，其总体结构如图1所示。ICP冲击波超压传感器采集的信号通过信号调理单元传递给CPLD采集控制单元；CPLD采集控制单元对传感调理信号进行模/数转换控制，并将转换后的数据经EXMC接口传输至存储同步单元；存储同步单元采用兆易GD32F470作为主控MCU，通过MCU内部集成的SDIO接口与eMMC（embedded Multi Media Card）存储模块互联，对接收的采集数据进行存储；同时根据内/外触发中断信号记录触发时刻信息，并在信号采集完成后，通过USB接口将数据导出到上位机终端。

该冲击波超压采集设备可同时采集8路信号，并采用GPS模块进行设备间时基同步，所选用的GPS模块型号为ATK⁃1218⁃BD，模块可接收北斗卫星和GPS卫星信号，可输出协调世界时（UTC）和秒脉冲（PPS）。MCU可通过串口读取UTC时间，并通过PPS信号连接MCU中断引脚。同步算法利用PPS信号对单片机系统运行时钟进行补偿，设备以算法补偿后的时间为基准，实现设备间高精度时基同步。

2" 系统关键技术实现

2.1" 高精度时基同步原理

冲击波超压采集设备内置GPS模块，该模块外接有源天线，用于接收北斗卫星或GPS卫星信号，GPS模块通过卫星授时的方法为系统提供精确时间基准源。卫星授时方法以卫星时间为基准，GPS模块通过接收卫星信号和时延补偿机制在本地建立时间基准源，如图2所示。GPS模块可同时接收多颗卫星信号，通过获取信号中相关信息来建立定位方程，对方程进行求解，得到模块位置信息和本地时钟偏差[9]。接收的卫星信号中还包括星历参数，可通过该参数计算得到模块和卫星间的精确距离，计算信号传播距离时间修正值并对本地时间进行修正，恢复出卫星时间。

系统采用ATK⁃1218⁃BD型号的GPS模块卫星授时精度达30 ns。MCU可通过两种方式获取GPS模块卫星授时时间：一种是通过单片机外中断捕获秒脉冲信号，并将该信号当成1 s的起始时刻；另一种是通过串口获取GPS模块数据，通过NMEA⁃0183协议对数据进行解析，得到当前UTC时间。第二种方式获得的同步时间为准确的年月日时分秒信息，其精度仅为秒级，无法达到系统高精度时基同步要求；但可以将两种卫星授时时间获取方式相结合，利用PPS脉冲信号补偿系统运行时间，并通过串行数据接口读取当前UTC时间，即可得到高精度绝对时间。

利用此方法可实现多设备间时基同步，如图3所示，处于同一区域的各个设备通过自带的GPS模块获取同一卫星星座时间，当MCU接收到由内外触发电路发出的触发信号后，读取当前系统运行时间，进而获得精确的触发信号时间戳。冲击波超压采集设备外触发电路用于检测实验过程中的有源断线触发信号。断线触发同步原理如图4所示，设备分为若干组，一组分为若干个，分别摆放在距爆心不同半径圆上。当战斗部动作时，设备与其所连导线会断开，产生触发信号被设备外触发电路捕捉。该电路利用高速光耦将触发输入信号隔离，光耦输出连接至MCU中断引脚，利用中断记录断线触发时刻系统运行时间。理论上连接同一断线的设备所记录的触发时间误差由GPS模块授时同步误差、光电转换响应时间和单片机中断执行时间等因素共同决定。

内触发电路用于检测实验过程中产生的冲击波超压信号是否达到设定阈值，该电路由高速比较器和参考电压设置电路构成。比较器输入端连接信号调理电路，输出信号连接CPLD。CPLD对8路比较器输出做或逻辑处理后传递给MCU中断引脚。单片机接收到内触发中断后说明设备已检测到超压信号，记录此时系统时间即为内触发时刻，如图5所示。图中：①为设备1记录内触发时刻；②为设备2记录内触发时刻；③为设备3记录内触发时刻。由于组内各个测点布放位置不一样，超压信号到达测点时间不同，导致设备记录触发绝对时刻不同，可通过设备间记录的触发时刻时间差计算出冲击波超压信号的传播速度。

2.2" 绝对时基同步技术实现

设备在运行时，通过MCU内部32位定时器提供高精度系统时间，定时器时钟由系统主时钟（频率为240 MHz）直接提供，时间分辨率可达4.17 ns。多个设备间仅使用此方法实现的时基同步作为相对时基，且设备间由于存在系统时钟不同步和时钟抖动问题，会造成时间基准存在误差，且该误差会随时间积累，导致时基偏移现象。时钟不同步和时钟抖动如图6所示。冲击波超压采集设备使用GPS模块提供的精确本地时间实现绝对时基同步，首先利用GPS模块提供的UTC时间获得秒级世界时间，之后通过输出的PPS信号校正定时器时钟不同步和抖动引入的时间误差。

系统上电后单片机初始化GPS模块，完成串行数据输出波特率配置、模块测量频率设置和PPS时钟脉冲输出宽度等操作后，模块便开始接收卫星信号。当GPS模块接收到多路卫星信号实现卫星授时后，模块开始输出PPS信号和NEMA数据，输出时序如图7所示，PPS信号和NEMA数据存在一定时间差T1，该时间为纳秒级。

为保证系统运行的实时性和代码执行效率，单片机固件设计中选用嵌入式实时操作系统RT⁃Thread，在此基础上开发绝对时基同步技术。单片机的中断引脚连接PPS输出引脚，创建GPS同步线程后，首先线程函数对外部中断检测引脚和定时器1进行配置，该定时器计数器为32位，设置定时器时钟频率为240 MHz，启动定时器，之后线程获取同步信息量而自动挂起。

PPS信号触发单片机中断后，以中断服务函数执行时间尽量短为原则设计函数执行流程，如图8所示。单片机第一次检测到PPS上升沿中断时，说明GPS模块接收多个卫星信号成功，在外部触发中断服务函数里将已经打开的定时器计数值清零并重新计数，然后释放GPS同步线程信号量，唤起该线程。在GPS同步线程里进行两次NEMA数据获取，避开T1时间差，保证获取数据为当前时刻准确的UTC时间信息。获取到时间后将BCD码的UTC时间信息转换为32位的UTC时间戳格式，记录为变量[Ts]，为方便后续对[Ts]进行操作，将[Ts]定义为全局变量，可供其他函数访问。

单片机对第二次PPS信号触发的外部中断进行处理时，首先在中断服务函数中读取定时器1当前计数值，保存为[Ta]，并清除计数值重新计数，对UTC时间戳进行加1操作；对后续PPS信号触发的外部中断进行处理时，首先在中断服务函数中读取定时器1当前计数值，保存为[Ta+1]，并清除计数值重新计数，之后[Ta]和[Ta+1]相加计算平均值再重新赋值给[Ta]，该值为当前时刻评估1 s时长的基准，后续会在中断服务函数中不断对该值进行校正。如果其他线程获取当前时刻时间，可通过读取变量[Ts]、[Ta]和当前定时器1计数值[Tr]，通过下式获得当前系统运行时间[T]，系统时间单位为s，该时间精度为4.17 ns。设备利用高精度时基同步计数，可实现设备时基与卫星星座时基统一，进而实现设备间绝对时基同步，为冲击波超压触发信号记录提供准确时基。

[T=Ts+（Tr/Ta）]

2.3" 数据储存电路设计

冲击波超压采集设备所使用的数据储存方案为内嵌型多媒体存储卡（eMMC），其电路图如图9所示。eMMC芯片与单片机SDIO通过10根数据总线进行通信，其中CLK作为通信时钟线由单片机SDIO外设驱动，用于数据和指令传输的同步；CMD线则作为单片机指令发送信号线和eMMC芯片的指令响应信号线；D[0：7]是8根数据传输线。由于传输过程中信号频率较高，会产生高频噪声，因此在每根信号线上串联一个22 Ω电阻以实现阻抗匹配。这些串联的22 Ω电阻与信号线上分布的电容及负载的输入电容构成一个等效RC电路，从而降低了信号边沿的陡峭程度，对信号起到一定程度的滤波和降噪作用，进而提高设计的可靠性。该方案相对于非易失性存储介质NAND FLASH[10]，在存储芯片的物理架构、访问接口和操作协议上进行了规范化处理。与同等容量大小的NAND FLASH芯片相比，eMMC具有体积小、功耗低和容量大等优势[11]。此外，eMMC内部整合了闪存控制器来实现如NAND FLASH读写操作以及负载均衡、坏块管理和ECC校验等功能[12]。其芯片采用BGA（Ball Grid Array）封装方式，在焊接后能够与电路板充分接触，并满足高速度、小型化设计以及大容量需求，具备抗冲击性以及高可靠性[13⁃14]。

2.4" 多通道数据存储技术实现

多通道数据存储技术利用储存介质特性，实现冲击波数据高效存储、储存空间管理和存储数据检索等功能。为采集完整的冲击波信号，要求冲击波采集设备具有预采样功能，图10为冲击波信号采集过程。超压信号采集过程分为预采样和采样阶段，两个阶段有效采集时长均为10 s。预采样阶段系统采样频率为100 kHz，采集时长不固定，最大时长为10 s，超过10 s后之前采集数据会被丢弃。当系统检测到触发信号后，会进入采样阶段，该阶段采样频率为1 MHz，连续采集10 s后完成一轮采集工作。为完成上述采集流程，采取SRAM和FLASH的存储方案，SRAM存储预采样阶段采集数据，FLASH存储采样阶段数据，一轮采集工作完成后将SRAM中的数据保存至FLASH，完成整个阶段数据存储。

由于eMMC芯片内部硬件实现负载均衡和坏块管理功能，因此可采用将预采样数据直接存入eMMC，通过覆盖写的方式去掉不关心的预采样数据，降低数据储存电路复杂度。

数据存储算法实现的重点在于存储空间划分，合理的存储区域划分可方便采集数据存储和内部存储数据检索，提高系统可靠度。存储区域划分如图11所示，可通过读取eMMC芯片内部寄存器获取整个磁盘的可用容量为14 930 MB。将磁盘分为两部分，一部分为数据区，另一部分为引导区，引导区信息双备份，如果一份出现错误可根据另一份进行纠错并将数据还原。

系统上电后将对引导区BOOT区域信息进行校验，如果校验未通过说明磁盘已损坏或者磁盘未进行存储空间划分，将进行引导区重写来划分磁盘存储空间。引导区在功能上被划分为文件头存储区域和BOOT区，BOOT区存放系统版本号、eMMC总块数、引导区地址、文件头存储区地址和当前操作文件序号等关键信息。当前操作文件序号指向下一个可操作的文件头，当执行写数据操作时程序可通过该参数信息找到操作数据区域。文件头存储区域用于存储文件数据信息，为文件写入、文件读取和数据解析提供关键信息。从文件头信息中的UTC时间戳[Ts]、1 s时间标准[Ta]和当前计数值[Tr]可以知道文件的建立时间，该时间也为触发发生时刻。

数据区域被划分为若干数据块，数据块大小设定至关重要。各个通道数据在数据块中的存储格式如图12所示。系统为8通道数据同步采集，所以将通道1～8数据编成1组，数据按组由地址依次递增储存在数据块中。数据块大小通过采样通道个数、单点数据所占字节数、采样频率和采样时间这些系统信息计算得到。冲击波超压测试系统为8通道采样，单点数据为2 B，预采样频率为100 kHz，采样频率为1 MHz，预采样和采样时长各为10 s，单次测试采集数据约需要167.8 MB存储空间。为提高eMMC的写入数据速率，设定一次数据区读写操作为4 KB，故设定实际数据块大小为176 MB。数据区被划分为82个数据块，其数目和引导区文件头数目一一对应，可根据引导区信息对数据块进行检索。

数据块用于存放预采样阶段和采样阶段数据，数据块写入情况如图13所示，大致情况分为3种，每种情况数据都是从小地址开始递增，写满数据块后再继续从小地址开始写入，此时之前存储数据会被覆盖。

情况1为最理想情况，数据块先写入预采样阶段数据，之后再写入采样阶段数据，采样数据写完，标志数据块则写入完成。在写入过程中记录写入结束地址、预采样字节数和采样字节数，在读取数据时可通过这三个关键信息进行解析。数据块写入过程中的关键信息在数据块写完后会被存储于文件头中，文件头更新后将BOOT区域当前操作文件序号更新，完成整个采样过程数据存储。情况2和情况3分别为在采样阶段和预采样阶段发生数据覆盖，被覆盖数据为预采样阶段数据，可通过情况1方法对数据进行解析。

3" 系统性能测试与分析

本文进行2个实验：实验1为设备间时基同步精度测试，测试绝对时基同步技术的精度；实验2为大批量数据写入测试，模拟多次的冲击波超压信号采集实验，测试应用多通道数据存储技术的设备在实际运行情况下的稳定性和可靠性。

3.1" 时基同步精度测试

时基同步精度测试图见图14，设备1和设备2放置在空旷室外，板上GPS模块连接有源天线接收GPS信号，信号发生器输出通道2连接设备1和设备2外触发输入引脚。设备1和设备2通过USB转串口模块供电，并通过该模块将记录的触发时间发送至计算机。GPS模块同步成功后，模块状态指示灯由常量变为闪烁，闪烁频率为PPS信号输出频率。看到指示灯闪烁说明GPS模块卫星授时成功，打开信号发生器通道2输出开关，通道2将输出脉冲信号，信号频率设置低于0.05 Hz，并在实验过程中改变信号输出频率，模拟冲击波测试实验断线触发信号。

连续实验200余次，实验时长为2 h。将设备1和设备2记录触发时间导出，求得两个设备实验数据差值并记录，结果如图15所示。因设备间性能有所差异，造成记录数据存在偏差，理论上设备间所记录触发时间差值为0，即记录数据差值真值为0。数据差值则表示设备间时基同步绝对误差，差值最大值为256 ns，该值为设备间时基同步精度。

3.2" 多通道数据储存技术写入速度测试

测试数据写入速率是通过存储数据量除以所用时间得到的。存储数据为由MCU生成的指定数据，单次测试连续写入200 MB固定的数据量。为了更好地模拟冲击波超压的实验数据，其中：47 MB为预采样阶段数据量，153 MB为采样阶段数据量。存储数据所用时间是通过MCU内部滴答定时器完成计时的，其原理是在MCU内部滴答定时器设置了一个1 ms的定时器，并在该定时器超时处理函数中维护一个累加的全局变量。当数据全部写入完成后，关闭定时器，读取计数值并转换为对应时间值，进而得到存储数据所用时间。

为了充分验证多通道数据储存技术写入速度，将上述写入操作重复进行60轮，每写入一轮后检测数据写入是否正确。写入速度测试结果如图16所示。测试结果表明，平均写入速度约为18.45 MB/s。此外，本次测试共写入12 GB数据，过程中并未出现数据写入失败、丢失等现象，表明该储存技术稳定、可靠。

4" 结" 语

本文针对冲击波超压测试中要求数据存储设备具有多通道、存储大容量和精确时基同步等特点的应用背景，设计了一种时基同步冲击波超压存储测试技术。该技术基于GPS卫星授时技术准确获取本地时间，并通过PPS信号对系统时间进行校准，实现设备间高精度时基统一；设备以eMMC作为数据存储介质，利用多通道数据存储技术实现对数据存储空间管理和数据文件检索的功能。通过60次模拟冲击波超压数据量写入测试实验和时基同步精度测试实验，测得设备间最大同步差值为256 ns，应用存储技术设备平均写入速度约为18.45 MB/s，表明冲击波超压时基同步存储测试技术满足测试需要。

注：本文通讯作者为崔建峰。

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作者简介：刘" 豪（1988—），男，河南南阳人，博士研究生，讲师，研究方向为动态测试与智能仪器。

朱益辰（1991—），男，山西太原人，硕士研究生，研究方向为微系统设计、存储测试技术。

毕" 荣（1998—），男，山西忻州人，硕士研究生，研究方向为动态测试与智能仪器。

刘" 佳（1991—），女，黑龙江人，博士研究生，讲师，研究方向为极端环境下的测试技术。

崔浩然（1989—），男，山西长治人，博士研究生，副教授，研究方向为装备健康管理。

崔建峰（1980—），男，河南安阳人，博士研究生，副教授，研究方向为分布式智能测控系统、故障诊断与健康管理、先进控制理论及应用。

收稿日期：2024⁃07⁃31" " " " " "修回日期：2024⁃09⁃17

基金项目：山西省基础研究计划资助项目（20210302124311）；山西省基础研究计划资助项目（20210302124266）