存儲測試技術(shù)是指在被測對象無影響或者影響在允許范圍的條件下，在被測體內(nèi)置入微型存儲測試儀器,，現(xiàn)場實時完成信息采集與存儲,，事后回收記錄儀，由計算機處理和再現(xiàn)被測信息的一種動態(tài)測試技術(shù)[1],。存儲測試技術(shù)的顯著特點是在被測體實際運動的過程中實時實況地獲取其動態(tài)參數(shù),，作為測試計量技術(shù)的一個特色的分支，廣泛應(yīng)用于高溫,、高壓、高沖擊,、強電磁干擾,、不易引線等特殊、惡劣環(huán)境下的信息獲取,，如高g值沖擊加速度測試[2],、彈道參數(shù)測試[3]，爆炸場的沖擊波壓力測試[4],、火炮膛壓測試[5],、石油井下壓力測試[6]等。

    常規(guī)的應(yīng)變測試一般是實時測試，即將應(yīng)變片輸出的信號經(jīng)過調(diào)理后進行A/D轉(zhuǎn)換,，通過液晶屏,、LED顯示[7]，或者通過數(shù)據(jù)采集卡將信號經(jīng)過總線傳輸至計算機,，完成信號的采集和處理,，并且通過計算機硬盤實時存儲信息，即實時采集和實時處理與存儲[8],。針對裝甲車輛某部件工作環(huán)境惡劣,，應(yīng)變測試困難的問題，采用存儲測試技術(shù)設(shè)計了可以嵌入被測體內(nèi),，具有嵌入式結(jié)構(gòu),、微體積、低功耗的應(yīng)變記錄儀,，與計算機的虛擬儀器軟件構(gòu)成了微型存儲測試系統(tǒng),，完成微小應(yīng)變信號的獲取與數(shù)據(jù)處理。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    按照存儲測試技術(shù)的理論和技術(shù)設(shè)計微型應(yīng)變存儲測試系統(tǒng),，包括微型應(yīng)變記錄儀和計算機虛擬儀器軟件兩部分,。
    微型應(yīng)變記錄儀包括信號調(diào)理模塊、控制模塊,、ADC模塊,、存儲模塊、接口模塊,、時鐘模塊,、電源管理模塊等。信號調(diào)理模塊完成多路傳感器輸出信號的放大,、濾波等,；ADC模塊完成信號的A/D轉(zhuǎn)換，然后將數(shù)字量按照控制模塊的寫入命令寫入閃存存儲模塊,，完成了信號的采集和存儲,；當記錄儀回收后，將記錄儀通過串口與計算機連接,，計算機虛擬儀器軟件向控制模塊發(fā)出讀取數(shù)據(jù)命令,，把閃存存儲模塊中的數(shù)據(jù)讀出，數(shù)據(jù)由計算機虛擬儀器軟件進行顯示及數(shù)據(jù)處理,，得到測試結(jié)果,。
    計算機虛擬儀器軟件是存儲測試系統(tǒng)的重要組成部分，完成記錄儀數(shù)據(jù)的讀取,、波形顯示,、數(shù)據(jù)處理,、文件存盤、打印等,。
    微型應(yīng)變存儲測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。

2 硬件設(shè)計
2.1 主要元器件選擇
    控制模塊選擇TI公司MSP430系列的SoC單片機。MSP430系列單片機是16 bit的超低功耗單片機,， 1.8~3.6 V供電,，集成了12 bit的ADC、UART,、16 bit的定時器等外部模塊,記錄儀的控制模塊采用MSP430FG4618,，BGA封裝。
    信號調(diào)理模塊選擇INA128,；存儲模塊選擇三星公司的NAND Flash,，即K9F1G08UOC。
2.2 主要電路設(shè)計
2.2.1信號獲取與調(diào)理電路
　 應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻的變化,，這個電阻的變化量通常采用電橋作為測量電路來測量,。應(yīng)變信號獲取電路采用差動全橋電路，如圖2所示,。

    差動全橋電路具有靈敏度高,、溫度自補償?shù)膬?yōu)點。圖3中R1,、R2,、R3、R4是箔式電阻應(yīng)變片(阻值R=120±0.1 Ω,靈敏系數(shù)K=2.1),；Ui是橋壓輸入,，Uo是橋壓輸出。

    根據(jù)差動全橋電路的原理,，橋壓輸出Uo與橋壓輸入Ui滿足關(guān)系式：
    Uo=Ui×K×ε
式中,，K是靈敏度，ε是應(yīng)變,。
    信號調(diào)理電路主要完成橋壓輸出信號Uo的濾波,、放大，供ADC模塊進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,。信號調(diào)理電路采用壓控電壓源二階低通濾波電路設(shè)計,。
2.2.2 控制電路
    控制模塊主要包括MSP430FG4618單片機控制電源模塊、ADC模塊,、存儲模塊、接口模塊,，以及采樣模式控制和實現(xiàn)低功耗的頻率控制,。
    系統(tǒng)按照連續(xù)采樣模式和多次隨機采樣模式進行設(shè)計,，通過外部上升沿觸發(fā)，引起單片機中斷來實現(xiàn)采樣模式識別,，采樣頻率選擇等功能,。控制模塊的采樣和存儲流程圖如圖3所示,。
2.3 關(guān)鍵技術(shù)
    針對車輛空間狹小,、鋰電池供電的背景，嵌入式結(jié)構(gòu)的記錄儀必須實現(xiàn)微體積,、低功耗,、多種采樣模式設(shè)計等。
    (1)微體積：MSP430FG4618單片機,、K9F1G08UOC芯片選擇BGA封裝,，SG310SCF芯片、INA128芯片等選擇貼片封裝,，電路使用四層PCB板,，模擬、數(shù)字電路分開,，立體封裝工藝,，灌封環(huán)氧樹脂，電路由高強度金屬殼體保護,，結(jié)構(gòu)緊湊,，具有微小體積。
    (2) 低功耗：通過芯片選擇,、電源管理,、頻率控制三個方面的設(shè)計實現(xiàn)低功耗。主控芯片選擇業(yè)界功耗最低的16位單片機MSP430FG4618,；電源管理,、頻率控制是通過將記錄儀分為若干工作狀態(tài)，不同工作狀態(tài)之間的切換使用單片機的中斷實現(xiàn),。關(guān)機狀態(tài),、待機休眠狀態(tài)、采樣存儲狀態(tài),、數(shù)據(jù)保持休眠狀態(tài),、讀取數(shù)據(jù)狀態(tài)的電源管理和頻率控制表1所示。

    (3) 電路可編程：多次隨機采樣模式的隨機觸發(fā)次數(shù)n(n≤12),，采樣頻率f1,、f2…fn等信息根據(jù)計算機虛擬儀器軟件給記錄儀發(fā)送的編程字命令確定，可以實現(xiàn)多次變頻采樣,。
    (4) 采樣模式：記錄儀按照一次連續(xù)采樣,、多次隨機采樣這兩種采樣模式設(shè)計,。①記錄儀默認是一次連續(xù)采樣模式，當單片機的P1.1口外部上升沿觸發(fā)引起中斷時,，記錄儀進入一次連續(xù)采樣模式,，按照電路編程設(shè)定的頻率fo完成80 Mbit信號的采集，然后記錄儀進入數(shù)據(jù)保持狀態(tài),。②當記錄儀收到計算機虛擬儀器軟件的隨機觸發(fā)次數(shù)n和采樣頻率fn時,，記錄儀進入多次隨機采樣模式。當單片機的P1.2口外部上升沿觸發(fā)引起中斷時,，記錄儀進入多次隨機觸發(fā)模式,，按照電路編程的設(shè)定采樣頻率f1記錄10 Mbit數(shù)據(jù)，然后記錄儀進入待機休眠狀態(tài),，等待下一次觸發(fā),；當?shù)诙螁纹瑱C的P1.2口有外部上升沿觸發(fā)的時候，記錄儀進入第二次采樣狀態(tài),，按照電路編程的設(shè)定頻率f2采集和存儲10 Mbit數(shù)據(jù),，然后記錄儀再次進入待機休眠狀態(tài)，等待下一次觸發(fā),；如此重復(fù),，當?shù)趎次單片機的P1.2口有上升沿觸發(fā)時，記錄儀進入第n次采樣狀態(tài),，按照電路編程的設(shè)定頻率fn采集和存儲10 Mbit數(shù)據(jù),，然后記錄儀進入數(shù)據(jù)保持狀態(tài)，采樣和存儲完畢,，等待回收讀數(shù),。
3 軟件設(shè)計
    利用LabVIEW 2010軟件設(shè)計了計算機虛擬儀器軟件，完成記錄儀數(shù)據(jù)的讀取,、波形顯示以及數(shù)據(jù)處理等,。虛擬儀器軟件的結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

    記錄儀和計算機通過RS232串口進行通信,。記錄儀收到虛擬儀器軟件的“開始讀數(shù)”命令后,，數(shù)據(jù)通過串口傳輸至計算機，保存在數(shù)組里,，利用LabVIEW的數(shù)組處理函數(shù)對數(shù)據(jù)進行濾波,、頻譜分析處理、波形顯示等,。
4 實物及測試實驗
    將測試電路和鋰電池封裝在高強度機械殼體里,，通過面板的接口接入應(yīng)變片的橋路輸出信號，按照設(shè)定的采樣模式進行采樣,、存儲,，采樣完畢通過讀數(shù)接口和虛擬儀器讀數(shù)軟件讀取測試數(shù)據(jù),。所設(shè)計的微型應(yīng)變記錄儀有6個通道，體積約為12 cm3,，實物如圖5所示。

    在力學(xué)實驗室環(huán)境內(nèi),，對標定后的應(yīng)變記錄儀進行測試實驗,。按照圖2所示的原理，在等強度梁上下貼4個應(yīng)變片(阻值120±0.1 Ω,，靈敏系數(shù)K=2.1),橋壓輸入Ui=2 V,，橋壓輸出Uo接入記錄儀的傳感器差分信號輸入端（將記錄儀的6個通道輸入端都接入這等強度梁上的差動全橋）。將記錄儀設(shè)置在8次隨機觸發(fā)狀態(tài),，通過虛擬儀器的編程,，將采樣頻率設(shè)置為2 kHz；在等強度梁一端掛上一個托盤,在托盤上加0.5 kg,，1.5 kg,，2.5 kg，3.5 kg,，4.5 kg的五組砝碼,，待每一組砝碼靜止后時，進行下降沿觸發(fā)測試,。重復(fù)三次,，然后對數(shù)據(jù)進行三次求取算術(shù)平均值，記錄后進行數(shù)據(jù)處理,。砝碼與隨機觸發(fā)次數(shù)如表2所示,。
    以砝碼為橫軸，以應(yīng)變值為縱軸,，利用Matlab軟件繪制擬合曲線圖,，經(jīng)計算，滿量程的線性度誤差小于1%,，某一通道輸出擬合曲線圖如圖6所示,。

    經(jīng)實驗測試，設(shè)計的嵌入式微型應(yīng)變存儲測試系統(tǒng)能夠應(yīng)用于車輛部件的應(yīng)變測試,，完成微小應(yīng)變信號的采集,、存儲、傳輸,、波形顯示和數(shù)據(jù)處理等,。記錄儀能夠完成微小應(yīng)變信號的測試，能夠推廣應(yīng)用于高溫,、高壓,、高沖擊,、不易引線等惡劣環(huán)境中的物理量動態(tài)參數(shù)測試。
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