CN111426559A - 一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置 - Google Patents

一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置 Download PDF

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李翀
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Abstract

本发明公开了一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置包括电池、中心控制模块、信号调理模块、采集存储模块、数据回读接口；力学信号调理单元的信号输出端与力学信号采集存储单元的信号输入端连接；温度信号调理单元的信号输出端与温度信号采集存储单元的信号输入端连接；数据回读接口的数据端口分别与力学信号采集存储单元的数据端口和温度信号采集存储单元的数据端口连接；本申请可以长时间记录力学、温度异常环境序贯试验过程中力学与温度响应数据；本申请具有功耗低、体积小、可靠性高、存储时间长等优点；本申请采用了低功耗电源控制，测试装置具有待机时间长、电池率用率高等特点。

Description

一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置
技术领域
本发明属于嵌入式存储测试技术领域，具体涉及一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置。
背景技术
在产品研制到定型的过程中，往往需要根据产品的真实应用环境或可能遇到的异常环境，开展对应的环境考核试验。力学与温度环境是大多数在真实应用中都会面临的，如：火箭发射后会经历冲击、振动和高温环境；飞机在飞行过程中某些结构件会经历振动和高温环境；产品在搬运过程中有可能会遭遇碰撞、火灾等异常事件。这一些列异常环境还存在一定的序贯性，比如，产品在搬运过程中，可能会从吊车上跌落下来，然后在地面可能会遭遇火灾。因此，在产品研制过程中，就会设计相应的异常环境考核试验，考核整个产品或产品某个部件在经历力学和温度异常环境时，其内部力学结构是否稳定、隔热层是否有效，以判断产品的设计是否满足要求。
力学温度异常环境序贯试验经常用于模拟产品在搬运过程中遭遇到的高强度力学异常环境(跌落，碰撞)后又遭遇高温环境(火灾)的情况。试验需要得到产品内部在经历异常环境时的结构响应和温度响应，以验证产品结构设计是否合理，隔热层是否有效。为全面验证产品设计能否满足异常力学和温度环境要求，避免异常力学环境试验后经分解检查、难以再装配的问题，以获产品经历异常力学、温度事故场景时的力热响应历程。
因此急需研发出一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置来解决以上问题。
发明内容
为解决上述背景技术中提出的问题。本发明提供了一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置，存储测试装置内置于试验产品内部，存储测试装置包括：
电池；
用于对电压变换后分配，且对上电时间进行控制的中心控制模块；
信号调理模块；信号调理模块包括力学信号调理单元和温度信号调理单元，力学信号调理单元用于对力学信号进行调理，温度信号调理单元用于对温度信号进行调理；
采集存储模块；采集存储模块包括用于对力学信号进行采集和存储的力学信号采集存储单元和用于对温度信号进行采集和存储的温度信号采集存储单元；
用于力学信号数据和温度信号数据传输的数据回读接口；
电池通过中心控制模块后分别为力学信号调理单元、温度信号调理单元、力学信号采集存储单元和温度信号采集存储单元供电；对试验产品进行试验的力学传感器的信号输出端与力学信号调理单元的信号输入端连接，力学信号调理单元的信号输出端与力学信号采集存储单元的信号输入端连接；对试验产品进行试验的温度传感器的信号输出端与温度信号调理单元的信号输入端连接，温度信号调理单元的信号输出端与温度信号采集存储单元的信号输入端连接；数据回读接口的数据端口分别与力学信号采集存储单元的数据端口和温度信号采集存储单元的数据端口连接。
具体地，力学信号采集存储单元包括：
第一A/D采集芯片；经力学信号调理单元调理后的力学信号输入第一A/D采集芯片；
铁电存储器；
FIFO存储器；
第一USB接口；第一USB接口的数据端口与数据回读接口的数据端口连接；
第一CPLD；第一CPLD分别与第一A/D采集芯片、铁电存储器、FIFO存储器、第一USB接口电性连接；中心控制模块与第一CPLD电性连接。
具体地，温度信号采集存储单元包括：
第二A/D采集芯片；经温度信号调理单元调理后的温度信号输入第二A/D采集芯片；
NAND FLASH；
第二USB接口；第二USB接口的数据端口与数据回读接口的数据端口连接；
第二CPLD；第二CPLD分别与第二A/D采集芯片、NAND FLASH、第二USB接口电性连接；中心控制模块与第一CPLD电性连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本申请可以内置安装于产品内部，在不破坏产品外部结构的情况下(试验时增加孔洞结构)，存储测试装置可以长时间记录力学、温度异常环境序贯试验过程中力学与温度响应数据；
本申请的装置具有功耗低、体积小、可靠性高、存储时间长等优点。
本申请采用了低功耗电源控制，测试装置具有待机时间长、电池率用率高等特点；
本申请采用大容量NAND FLASH存储温度数据，可以长时间记录温度响应；
本申请采用数据回读接口，试验完成后由数据回读接口将存储测试装置中的数据回读到上位机进行分析处理。
附图说明
图1为本申请的结构示意图；
图2为本申请中中心控制模块的控制流程图；
图3为本申请中负延时触发采集方法工作流程图；
图4为本申请中力学信号采集存储单元的内部电路结构图；
图5为本申请中温度信号采集存储单元的内部电路结构图；
图6为力学响应曲线示意图；
图7为温度响应曲线示意图；
图中：1.信号调理模块，11.力学信号调理单元，12.温度信号调理单元，2.采集存储模块，21.力学信号采集存储单元，211.第一A/D采集芯片，212.第一CPLD，213.铁电存储器，214.FIFO存储器，215.第一USB接口，22.温度信号采集存储单元，221.第二A/D采集芯片，222.第二CPLD，223.NAND FLASH，224.第二USB接口，3.电池，4.中心控制模块，5.数据回读接口。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供以下技术方案：
如图1所示，一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置，存储测试装置内置于试验产品内部，存储测试装置包括：
电池3；
用于对电压变换后分配，且对上电时间进行控制的中心控制模块4；
信号调理模块1；信号调理模块1包括力学信号调理单元11和温度信号调理单元12，力学信号调理单元11用于对力学信号进行调理，温度信号调理单元12用于对温度信号进行调理；
采集存储模块2；采集存储模块2包括用于对力学信号进行采集和存储的力学信号采集存储单元21和用于对温度信号进行采集和存储的温度信号采集存储单元；
用于力学信号数据和温度信号数据传输的数据回读接口5；
电池3通过中心控制模块4后分别为力学信号调理单元11、温度信号调理单元12、力学信号采集存储单元21和温度信号采集存储单元供电；对试验产品进行试验的力学传感器的信号输出端与力学信号调理单元11的信号输入端连接，力学信号调理单元11的信号输出端与力学信号采集存储单元21的信号输入端连接；对试验产品进行试验的温度传感器的信号输出端与温度信号调理单元12的信号输入端连接，温度信号调理单元12的信号输出端与温度信号采集存储单元的信号输入端连接；数据回读接口5的数据端口分别与力学信号采集存储单元21的数据端口和温度信号采集存储单元的数据端口连接。
如图4所示，具体地，力学信号采集存储单元21包括：
第一A/D采集芯片211；经力学信号调理单元11调理后的力学信号输入第一A/D采集芯片211；
铁电存储器213；
FIFO存储器214；
第一USB接口215；第一USB接口215的数据端口与数据回读接口5的数据端口连接；
第一CPLD212；第一CPLD212分别与第一A/D采集芯片211、铁电存储器213、FIFO存储器214、第一USB接口215电性连接；中心控制模块4与第一CPLD212电性连接。
如图5所示，温度信号采集存储单元包括：
第二A/D采集芯片221；经温度信号调理单元12调理后的温度信号输入第二A/D采集芯片221；
NAND FLASH223；
第二USB接口224；第二USB接口224的数据端口与数据回读接口5的数据端口连接；
第二CPLD222；第二CPLD222分别与第二A/D采集芯片221、NAND FLASH223、第二USB接口224电性连接；中心控制模块4与第一CPLD212电性连接。
在一些实施例中，由于存储测试装置内置于试验件中，也要与试验件一起经历异常力学环境。因此，需要对存储测试装置中的电路板进行灌封，本申请采用环氧树脂对电路板进行灌封，增强其抗异常力学环境能力，确保了测试装置在经历异常力学试验后工作正常；同时，本申请采用刚度较强的钛合金防护结构，电路板安装在钛合金防护结构内部；且在钛合金防护结构的内壁设置有隔热层，综合对存储测试装置进行保护；确保了测试装置在经历异常力学试验后工作正常。
如图1所示，存储测试装置采用模块化设计思想，其中，电池3为装置提供电源，电池3输出电压为7.4V；中心控制模块4对电池3输出电压进行变换后分配到信号调理模块1和采集存储模块2，并对模块的上电时间进行控制；力学信号调理单元11对力学传感器(加速度传感器、应变片等)信号进行调理；力学数据采集存储单元对力学信号调理单元11输出进行采集存储；温度信号调理单元12对温度传感器(热电偶、热敏电阻等)的信号进行调理；温度信号采集与存储单元对信号调理单元的输出进行采集和存储；试验完成后上位机可以通过数据回读接口5读取测试系统中存储的数据到PC机。
测试装置安装在产品内部与产品一起经历异常力学、温度环境序贯试验，安装后不能人为干预。因此，在产品密封前就必须对测试装置上电，但从接通电源到正式试验还有一段准备时间，为了降低测试装置功耗，减小在试验准备过程中电池3电量的消耗，就需要中心控制模块4对电源进行低功耗管理，主要方法如图2所示。存储测试装置上电后，根据预定试验时间装订定时参数，中心控制模块4开始计时，系统处于低功耗待机状态，计时到达试验时间后，启动力学信号调理单元11和力学信号采集存储单元21，待力学试验完成后，关闭力学信号调理单元11和力学信号采集存储单元21电源，然后启动温度信号调理单元12和温度信号采集存储单元，对温度响应历程进行长时间记录，直到取出存储测试装置读取数据。
异常力学环境试验一般为跌落或碰撞试验，力学响应的特点为：响应频率高、持续时间短(100ms以内)。这就要求采样频率足够高(一般为500KHz)，根据这种信号特性，本申请采用一种负延时触发数据采集方法对力学信号进行采集存储。负延时触发采集方法如图3所示。
在存储测试装置上电前将触发阈值装订到力学信号采集存储单元21中，力学信号采集存储单元21上电后开始检测采集到的力学信号值是否超过装订的阈值，若未超过阈值，力学采集存储单元将采集到的数据暂存到FIFO存储器214中，FIFO缓存器可容纳30ms的数据量，若检测到力学信号值超过阈值，则以该时刻作为触发零时，并采集存储零时以后120ms的力学信号存储到铁电存储器213，然后将缓存中零时刻前30ms的缓存数据也一并存储到铁电存储器213，存储完成后，力学采集存储单元向中心控制模块4发送采集完成信号，中心控制模块4收到信号后关闭力学信号调理单元11和力学信号采集存储单元21电源。根据负延时触发采集的思路，基于“AD采集芯片+CPLD+FIFO+铁电存储器213”设计了力学信号采集存储单元21，如图4所示。
产品经历异常力学环境试验后，不分解产品，直接转移至异常温度试验场进行异常温度试验。由于产品有隔热层，产品内部的温度响的特点为：连续性好、频率低、时间历程长(约48小时)。针对温度响应的特点，通常采用长时间连续采集存储的方法进行采集存储，采样率10Hz即可。考虑到需要进行长时间存储，本申请采用大容量NAND FLASH223作为存储器，对采集到的温度数据进行存储，本申请采用“AD采集芯片+CPLD+NAND FLASH223”设计的温度信采集存储单元的电路结构如图5所示。
数据回读接口5是PC机与采集存储模块2之间数据交互的桥梁，PC机可通过该模块向下发送指令，采集存储模块2根据指令执行相应的操作或将存储器中的数据上传到PC机。本申请基于FT245BM芯片设计回读电路，FT245BM芯片是由FTDI公司推出的第二代USB接口芯片，与其它USB芯片相比，用户无需考虑固件设计以及驱动程序的编写，从而能大大缩短USB外设产品的开发周期。
图6和图7分别为存储测试装置在力学温度异常环境序贯试验中，获取的产品内部力学响应数据和温度响应数据。从图中可以看出，存储测试装置可以有效记录力学温度异常环境序贯试验的数据。
本申请存储测试装置内部电路采用模块化设计，易于维护；
本申请采用了负延时触发的数据采集方法对力学信号进行采集存储，该方法可以最大限度的减少存储器的数量，进一步减小存储测试装置的体积；
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置，存储测试装置内置于试验产品内部，其特征在于，存储测试装置包括：
电池；
用于对电压变换后分配，且对上电时间进行控制的中心控制模块；
信号调理模块；信号调理模块包括力学信号调理单元和温度信号调理单元，力学信号调理单元用于对力学信号进行调理，温度信号调理单元用于对温度信号进行调理；
采集存储模块；采集存储模块包括用于对力学信号进行采集和存储的力学信号采集存储单元和用于对温度信号进行采集和存储的温度信号采集存储单元；
用于力学信号数据和温度信号数据传输的数据回读接口；
电池通过中心控制模块后分别为力学信号调理单元、温度信号调理单元、力学信号采集存储单元和温度信号采集存储单元供电；对试验产品进行试验的力学传感器的信号输出端与力学信号调理单元的信号输入端连接，力学信号调理单元的信号输出端与力学信号采集存储单元的信号输入端连接；对试验产品进行试验的温度传感器的信号输出端与温度信号调理单元的信号输入端连接，温度信号调理单元的信号输出端与温度信号采集存储单元的信号输入端连接；数据回读接口的数据端口分别与力学信号采集存储单元的数据端口和温度信号采集存储单元的数据端口连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置，其特征在于，力学信号采集存储单元包括：
第一A/D采集芯片；经力学信号调理单元调理后的力学信号输入第一A/D采集芯片；
铁电存储器；
FIFO存储器；
第一USB接口；第一USB接口的数据端口与数据回读接口的数据端口连接；
第一CPLD；第一CPLD分别与第一A/D采集芯片、铁电存储器、FIFO存储器、第一USB接口电性连接；中心控制模块与第一CPLD电性连接。
3.根据权利要求1所述的一种用于力学温度异常环境序贯试验的存储测试装置，其特征在于，温度信号采集存储单元包括：
第二A/D采集芯片；经温度信号调理单元调理后的温度信号输入第二A/D采集芯片；
NAND FLASH；
第二USB接口；第二USB接口的数据端口与数据回读接口的数据端口连接；
第二CPLD；第二CPLD分别与第二A/D采集芯片、NAND FLASH、第二USB接口电性连接；中心控制模块与第一CPLD电性连接。
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