引用格式：陈韶康, 马游春, 叶思楠. 冲击波超压测试数据高速卸载系统的研究[J]. 中国测试，2023, 49(4): 114-118. CHEN Shaokang, MA Youchun, YE Sinan. Study of shock wave overpressure test data high-speed unloading system[J]. China Measurement & Test, 2023, 49(4): 114-118. DOI
: 10.11857/j.issn.1674-5124.2022060054
冲击波超压测试数据高速卸载系统的研究
陈韶康1,2， 马游春1,2， 叶思楠1,2
(1. 中北大学 电子测试技术国家重点实验室，山西 太原 030051;2. 中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)
摘 要: 在导弹弹头等爆炸类武器研制过程中，需要读取和擦除爆炸场地布置的冲击波超压记录仪中存储的数据。为减小数据卸载过程中携带的装备体积和提升数据卸载速度，提出一种便携式高速数据卸载系统设计。该系统采用ZYNQ-7000系列芯片作为主控，将乒乓缓存技术同AXI4总线相结合，利用容量大、易插拔的SD 卡作为存储介质，不仅简化硬件设计，还可提高数据卸载速度。同时利用触控屏为系统增加可视化操作，仅需点击屏幕即可控制整个工作流程。最终设计的系统尺寸只有95 mm×65 mm×40 mm ，并通过实验验证，该系统对记录仪的数据卸载速度达到25 Mb/s ，且没有数据错误现象。相比于其他的数据卸载系统，该系统具有操作简单、便于携带和卸载速度快的优点。
关键词: 数据存储; 数据卸载; 读数盒; SD 卡; 乒乓缓存中图分类号: TP271文献标志码: A
文章编号: 1674–5124(2023)04–0114–05
Study of shock wave overpressure test data high-speed unloading system
CHEN Shaokang 1,2, MA Youchun 1,2, YE Sinan 1,2
(1. National Key Laboratory for Electronic Measurement Technology, North University of China, Taiyuan 030051,
China; 2. Key Laboratory of Instrument Science & Dynamic Measurement of Ministry of Education,
North University of China, Taiyuan 030051, China)
Abstract : In the development of explosive weapons such as missile warheads, it is necessary to read and erase the data stored in the shock wave overpressure recorder arranged at the explosion site. In order to reduce the equipment volume carried in the data unloading process and improve the speed of data unloading, a portable high-speed data unloading system design is proposed. The system adopts ZYNQ-7000 series chips as the main control, combines ping-pong cache technology with AXI4 bus, and uses large capacity, easy-to-plug SD cards as storage media, which not only simplifies hardware design, but also improves data unload speed. At the same time, the touch screen is used to add visual operation to the system, and the entire workflow can be controlled just by tapping the screen. The size of the final designed system is only 95 mm×65 mm×40 mm, and it is
收稿日期: 2022-06-05；收到修改稿日期: 2022-07-28
基金项目: 国家重点研发计划资助项目（2018YFB2003103）
作者简介: 陈韶康（1998-），男，河南南阳市人，硕士研究生，专业方向为测试计量技术及仪器、FPGA 数据采集存储和信号处理。
通讯作者: 马游春（1977-），男，江苏盐城市人，副教授，博士，主要从事光纤光栅传感系统、电子测试仪器与系统研究。
第 49 卷 第 4 期中国测试
Vol.49 No.42023 年 4 月
CHINA MEASUREMENT & TEST April, 2023
verified by experiments that the data unloading speed of the system to the recorder reaches 25 Mb/s, and there is no data error phenomenon. Compared with other data unloading systems, the system has the advantages of simple operation, easy portability and fast unloading speed.
Keywords: data storage; data unloading; reading box; SD card; ping-pong cache
0 引 言
现代化战争通常由导弹开局，导弹主要由弹头
爆炸，在短时间内引起阶跃变化的冲击波造成杀伤，
所以对冲击波造成的压力参数实现准确测量，是武
器研发过程重要的一环[1]。
可用于冲击波测试的方法有生物实验法、靶效
应法、高速摄影法和存储测试法[2]。由于存储测试
法不易受现场爆炸产生的碎片和电磁干扰，因此存
储测试系统更为可靠。爆炸测试场地可布置多个冲
击波超压记录仪，在爆炸后逐个读取数据利用上位
机软件进行分析。之前都由工作人员携带PC机进
行数据卸载，操作极为不方便[3]；中北大学的李嘉瑜等[4]利用USB2.0设计的读数盒，数据卸载速度仅有7 Mb/s。
针对减小读数装置的体积和提升数据卸载速度的需求，本文利用SD卡体积小、容量大和速度快的特点提出了一种可视化便携式的高速数据卸载系统设计，可以根据需求配置不同的读数参数，具有较高的灵活性；为了提高传输速率，提出一种将乒乓缓存与AXI4协议结合进行数据传输的控制结构。
1 总体方案设计和模块化设计
1.1 总体方案设计
赛灵思公司推出的ZYNQ-7000系列芯片将高性能ARM处理器和高性能FPGA在单芯片内紧密结合[5]。其中PS（ARM处理器侧）方便移植FAT32文件管理系统，仅需调用API函数就可控制SD卡进行工作；PL（FPGA侧）具有丰富的逻辑资源，可以满足数据的高速并行处理与传输[6]。本文利用ZYNQ-7000软硬件协同工作的特性[7]，设计了这款高速数据卸载系统。系统总体设计框图如图1所示，数据卸载系统体积仅为95 mm×65 mm×40 mm。1.2 模块化设计
模块化设计方法就是将总体设计分成若干小的模块，从而简化了设计的复杂程度。本文设计的高速数据卸载系统要实现命令的收发与处理、与不同记录仪设备配对、记录仪中有效数据的接收与缓存、SD卡中文件的创建和数据的存储。根据系统的原理和所设计的功能，可以分为4个模块。1）管理模块：正确设计触控屏界面实现整个系统的管理工作；2）控制模块：接收管理模块发送的命令以及解析命令并控制系统进行相应的工作；3）缓存模块：负责将接收到的数据进行处理后缓存到PS控制的DDR3内
存中；4)存储模块：移植FAT32文件管理系统，利用API函数将DDR3中缓存的数据以.bin 文件的数据格式存储在SD卡中。主要模块连接图如图2所示。
管理
模块
控制
模块
缓存
模块
存储
模块
记录仪
图 2 系统主要模块连接图
2 主要模块设计
2.1 管理模块
管理模块由USART软件设计的上位机组成，运行在陶晶驰电子有限公司生产的智能触控屏上。该触控屏由CPU、EEPROM、串口模块和可触控显示屏模块组成，且带有RTC模块，可以获取当前实
图 1 系统总体框图
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时时间。工作人员可以通过触控屏与系统进行交互，改变工作参数，实时显示记录仪和数据卸载系统的工作信息。读数前，发送相应命令；读数时，显示读取进度。当系统连接上记录仪后，会自动读取记录仪电源所剩电量，也可手动读取记录仪所剩电量。屏幕的工作功率仅0.6 mW，休眠功率0.001 25 mW，满足低功耗要求。管理模块界面设计如图3所示。为了排除误操作引起数据的擦除，还对擦除功能设计了二级确认界面。采用触控屏运行上位机控制整个系统的工作，无需设计外部控制电路，简化了电路设计，极大提高人机交互的体验。
图 3 管理模块界面设计
2.2 控制模块
控制模块工作于PL侧，负责整个系统的工作控制，是核心模块。连接好系统和数据记录仪后，自动发送命令和记录仪进行配对，并将获取到的信息反馈给管理模块进行处理和显示。因为爆炸现场不同位置摆放的记录仪存储的信息不同，需要在每次读数前根据实际情况修改参数。控制模块在解析管理模块发送的命令时，会将命令中的时间、分区等信息存储起来，和后续上电获取的记录仪设备信息传送给PS端，将这些信息用于文件创建，区分不同记录仪的不同数据，避免数据混淆。在存储模块进行工作时，会获取读取进度并上传给管理模块进行显示。控制模块工作流程如图4所示。
2.3 缓存模块
缓存模块将PL侧接收到的数据整理传输到PS侧的DDR进行缓存。PL和PS侧进行数据交互需要用到AXI4总线技术[8]。AXI4是一种高性能、高带宽、低延迟的片内总线[9]。连接在AXI4总线两端的主设备和从设备之间通过握手信号建立连接[10]。
为了提高系统工作效率，将乒乓缓存技术同AXI4总线相结合实现接收、缓存和存储同时进行。乒乓缓存是一个常用于数据流控制的处理技术，可以节约存储单元的资源和无缝处理数据流等特点[11]。由两
个FIFO、输入数据流选择器和输出数据流选择器组成，其工作示意图如图5所示。输入数据流选择器将数据轮流写入两个FIFO，当FIFO 写满就由输出数据流选择器将数据读出。输入数据
图 4 控制模块工作流程图
图 5 FIFO乒乓缓存示意图
116中国测试2023 年 4 月
流选择器和输出数据流选择器按周期、相互配合，将输入的数据流没有停顿地输出。
串口的数据到来时，先写入FIFO1，当FIFO1写满后，数据写入FIFO2，同时会使能AXI4总线将FIFO1的数据传输到PS侧的DDR进行缓存。当FIFO2写满时，重复上述过程。当缓存的数据量达到阈值后，会启动PS侧的存储模块进行工作。当使用双串口接收数据时，接收速率为40 Mb/s，AXI4总线传输速率为3 200 Mb/s，缓存速率远大于接收速率，所以不会存在数据丢失的情况。
由于此模块时序比较复杂，在Vivado软件下做了时序仿真验证设计是否正确。如图6所示，图中黄部分为乒乓缓存的写入部分，紫是乒乓缓存的输出部分，绿部分是AXI4总线。由仿真图可以看出，各功能工作均符合设计预期。
图 6 缓存模块时序仿真图
2.4 存储模块
将接收到的数据准确无误地存储下来是该系统
设计的目的。为了在SD卡中创建文件进行数据的
保存，将文件管理系统应用到系统设计中[12]。文件
管理系统能够长久地存储数据，同时为用户提供一
种基于文件和目录的数据访问机制，容易移植到嵌
入式系统中，占用的资源少，可以完成高效的数据
读写，对操作数据带来很大便利[13]。FATFS是一个
完全开源免费的FAT文件系统模块，用户只需要调
用FATFS模块提供给用户的一系列应用接口函数
即可[14]。赛灵思公司的SDK软件平台已经移植好
了FATFS文件系统，因此在SDK中移植xilffs库
后，就可以在程序中使用FATFS中的API函数来
操作SD卡。
当系统开始工作，PS侧会调用API函数在SD
卡中创建一个.bin文件，缓存模块将一定量的数据
缓存在DDR3中后，会触发一个中断信号，通知存
储模块开始工作。存储模块打开刚刚创建的文件写入数据，然后关闭文件并修改文件的时间。在写数
据同时会发送给控制模块一个标志信号，控制模块处理后上传给管理模块显示为读取进度。SD卡写数据程序设计流程如图7所示。
3 系统测试
前文对系统中主要模块进行了时序仿真，验证了设计的正确性，本章节进行系统测试。系统连接存有正弦波数据的记录仪，如图8所示。只需触摸屏幕上的快读或慢读按钮，即可开始读数，数据读取结束后，将SD卡连接至上位机，使用Matlab软件解析其数据，数据解析后图形如图9所示，自动提取数据中包含的参数进行命名，图形与记录仪中存储数据一致。实验多次测试了快读和慢读，得到的结果均符合预期，文件格式正确，数据量符合设定大小，数据内容也无差错，读取速度平均为25 Mb/s，高于利用USB2.0进行数据读取的7 Mb/s。
图 7 SD卡程序设计流程图
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读数盒
记录仪
图 8 实验连接图
150100500−50−100−150
5 000
5 500
6 000 6 500
7 000
时间/ms
压强/k P a
图 9 测试数据处理图
在爆炸现场读取云爆弹爆炸产生的冲击波数据如图10所示。图像曲线呈现两次突变，符合云爆弹冲击波的波形，且与理论推算值误差只有5%，说明系统可以正确地将数据读出。
时间/ms
压强/k P a
6055504540
20
40
6080100
X : 14.908Y : 53.719
X : 51.305Y : 60.120
图 10 云爆弹爆炸冲击波数据
4 结束语
本文为了简化导弹弹头研制过程中需要对爆炸现场布置的数据记录仪进行读数和擦除的过程，提出了一种基于ZYNQ-7000的可视化便携式数据卸
载系统设计，介绍了总体设计方案和核心模块的设计。以ZYNQ-7000芯片为系统的主控，灵活运用了AXI4总线、乒乓缓存技术和Fat32文件管理系统，搭配触控屏完成了整体设计，同时对核心模块进行了时序仿真，并验证了系统设计的正确性。
对系统进行实验测试，验证了设计正确，系统工作稳定，无误码现象，并且将数据卸载速度提升到25 Mb/s ，极大提升了数据卸载速率。最终完成
的数据卸载系统体积仅为95 mm×65 mm×40 mm ，提高了读数装备的便携性；且只需通过触摸屏即可操控系统，降低了操作复杂度；此外对软件程序稍加修改，便可应用于多种测试系统的数据卸载。
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[14](编辑：莫婕)
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