瞬态冲击信息获取存储测试设计要求优化

典型的存储测试装置电路系统主要由以下几部分组成：系统控制器MCU、信号调理电路模块、ADC 采样电路模块、数据存储模块、数据传输模块、电源模块等。运用模块化思想，在系统设计前需要根据各模块的要求完成芯片选型。

1.系统控制器选型要求

对于目前存储测试系统控制器MCU，主要有以下几种选择方式：意法半导体公司的STM32 系列的芯片，德州仪器的MSP430、TMS320C2000 系列的芯片，Altera 或者Xilinx 公司的现场可编程逻辑器件(FPGA)及中北大学自主研发的TJXXX 和HB 系列的芯片。基于MSP430 或者STM32 系列的芯片满足功耗要求，但是其采样率一般低于200 ksps，无法满足高频响传感器的需要。现场可编程逻辑器件虽然可以满足高采样率要求，但是功耗太高，无法在能源有限情况下持续工作。综上所述，选用德州仪器的TMS320F28335 为所设计的弹载三轴存储测试电路系统的主控器。

2.电源系统设计要求

对于弹载存储测试系统电源模块中电源芯片选择主要有以下两类：线性稳压电源和开关稳压电源。其中线性稳压电源包括普通线性稳压器和低压差线性稳压器；开关稳压电源包括电容式DC-DC 转换器和电感式DC-DC 转换器。对于这两类电源芯片的特点比较，如表13-1 所示。

表13-1 两类电源芯片特点比较

由表13-1 所列的电源芯片特点，结合高采样率弹载三轴存储测试装置的要求，选择低压差线性稳压电源有利于实现弹载三轴存储测试装置的低功耗设计。

3.存储器设计要求

对于存储器的选择，必须具有非易失性存储器从而保证系统断电后数据依然存在。通常存储器主要分为两类：易失性存储器和非易失性存储器。易失性存储器主要指的RAM，非易失性存储器主要包括EEPROM、EPROM、Flash FRAM、FEEPROM、PROM 和ROM。各类存储器的特点如表13-2 所示。

表13-2 各类存储器的特点

对于弹载三轴存储测试系统，在高采样速率下既需要大容量实时数据存储又需要在掉电后数据保持数据不丢失，这种情况下选择铁电存储器FRAM 比较适合，但铁电存储器FRAM的存储容量有限，目前最大容量为256 kb ×16 bit。因此所设计的弹载三轴存储测试电路主要结合SRAM 和FLASH 的特点，选择并行SRAM 存储器满足高采样率下数据实时存储的要求；选择串行FLASH 实现小体积下的SRAM 中数据的转移，满足数据掉电不丢失的要求。

为了全面记录过载信号的特性，对不同过载信号进行检测时，应根据信号的特点确定需要记录的时间Ts。由于所设计的系统主要针对高低过载、瞬态冲击信号，一般此类信号全部持续在几百毫秒内。假设Ts =500 ms，三通道16 bitAD 以500 ksps 采样时，则存储容量至少应为0.75 Mb×16 bit。而F28335 的XINTF 接口可扩展2 Mb×16 bit 的存储器，为了提高系统的通用性并充分利用MCU 的资源，系统的存储容量设计为2 Mb×16 bit。(www.xing528.com)

4.信号调理电路设计要求

对于信号的放大，为了缩短设计周期，一般有以下两种可选方案：一种是选用合适的运算放大器自己设计电路，另一种是选用三运放仪表放大器进行信号的放大。第一种方式在性能方面可以满足设计指标要求，但是体积过大，从而无法满足体积要求。现有的仪表放大器如ADI 公司的AD8421 可以满足要求。因此选择仪表放大器实现微弱信号的放大。

5.电桥调零电路设计要求

对于存在零偏的传感器，通常从以下几个角度实现零偏的调节：

传感器方面：由于选择的三轴加速度传感器是基于惠斯通电桥全桥方式，因此可以运用电桥调零的方式进行传感器的调零。主要是通过并联数字电位器或者事先确定零偏并联固定电阻的方式。

信号调理方面：通过调节仪表放大器的偏置电压或者选择ADI 公司的电流反馈型仪表放大器实现零偏的调整。

软件方面：通过软件代码的方式进行传感器零偏的调整(即基线偏移)，通常这种方式要求采样范围存在裕量。

6.ADC 的选型要求

在选择AD 转换芯片时主要考虑以下几方面：采样精度、采样频率、采样通道等。

存储测试装置的精度由AD 器件的字长、基准电源的精度和传感器的精度共同决定。对于引信的高冲击过载信号测试，8 bit 字长的AD 器件能够满足要求。自研的高冲击三轴传感器抗过载能力强、量程程大、灵敏度较低，为了提高对信号的分辨率，选用字长为16 bit 的AD 芯片。对于基准电源为5 V，字长为16 bit 的AD 芯片，其分辨率为76.29 μV/bit。

依据采样定律，为了能够不失真地复现原始信号，测试系统的采样频率fs 应高于原信号的最高频率fm的2 倍，即fs≥2fm，一般取fs≥(8 ～10)fm，因此针对选用的传感器系统采样频率应该不小于160 kHz。但考虑到实际侵彻环境时加速度信号特征和后期传感器性能的提升，满足存储容量的前提下采样频率越高越好。

对于三轴加速度传感器，为了满足三轴同步采样至少需要三通道同步采样芯片。当传感器用于校准的环境下，至少需要五通道同步采样芯片。

7.数据通信协议的选择

常用的数据传输方式有：遵循RS232 或者RS485 的通用同步/异步串行收发模块(USART)、遵循SPI 的串行外设接口和遵循I2C 的两线式串行总线。针对高采样率弹载三轴存储测试电路通信的设计既需要其可以实现数据的传输还需要其实现程序的下载，选用RS232 实现程序的下载和弹载三轴数据的传输。