存儲測試技術是指在被測對象無影響或者影響在允許范圍的條件下，在被測體內置入微型存儲測試儀器，現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被測信息的一種動態測試技術[1]。存儲測試技術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參數，作為測試計量技術的一個特色的分支，廣泛應用于高溫、高壓、高沖擊、強電磁干擾、不易引線等特殊、惡劣環境下的信息獲取，如高g值沖擊加速度測試[2]、彈道參數測試[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。

    常規的應變測試一般是實時測試，即將應變片輸出的信號經過調理后進行A/D轉換，通過液晶屏、LED顯示[7]，或者通過數據采集卡將信號經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境惡劣，應變測試困難的問題，采用存儲測試技術設計了可以嵌入被測體內，具有嵌入式結構、微體積、低功耗的應變記錄儀，與計算機的虛擬儀器軟件構成了微型存儲測試系統，完成微小應變信號的獲取與數據處理。
1 系統結構
    按照存儲測試技術的理論和技術設計微型應變存儲測試系統，包括微型應變記錄儀和計算機虛擬儀器軟件兩部分。
    微型應變記錄儀包括信號調理模塊、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轉換，然后將數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出讀取數據命令，把閃存存儲模塊中的數據讀出，數據由計算機虛擬儀器軟件進行顯示及數據處理，得到測試結果。
    計算機虛擬儀器軟件是存儲測試系統的重要組成部分，完成記錄儀數據的讀取、波形顯示、數據處理、文件存盤、打印等。
    微型應變存儲測試系統的結構框圖如圖1所示。

2 硬件設計
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 主要電路設計
2.2.1信號獲取與調理電路
　 應變片將應變的變化轉換為電阻的變化，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、溫度自補償的優點。圖3中R1、R2、R3、R4是箔式電阻應變片(阻值R=120±0.1 Ω,靈敏系數K=2.1)；Ui是橋壓輸入，Uo是橋壓輸出。

    根據差動全橋電路的原理，橋壓輸出Uo與橋壓輸入Ui滿足關系式：
    Uo=Ui×K×ε
式中，K是靈敏度，ε是應變。
    信號調理電路主要完成橋壓輸出信號Uo的濾波、放大，供ADC模塊進行模數轉換。信號調理電路采用壓控電壓源二階低通濾波電路設計。
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低功耗的頻率控制。
    系統按照連續采樣模式和多次隨機采樣模式進行設計，通過外部上升沿觸發，引起單片機中斷來實現采樣模式識別，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 關鍵技術
    針對車輛空間狹小、鋰電池供電的背景，嵌入式結構的記錄儀必須實現微體積、低功耗、多種采樣模式設計等。
    (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、數字電路分開，立體封裝工藝，灌封環氧樹脂，電路由高強度金屬殼體保護，結構緊湊，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計實現低功耗。主控芯片選擇業界功耗最低的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，不同工作狀態之間的切換使用單片機的中斷實現。關機狀態、待機休眠狀態、采樣存儲狀態、數據保持休眠狀態、讀取數據狀態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次數n(n≤12)，采樣頻率f1、f2…fn等信息根據計算機虛擬儀器軟件給記錄儀發送的編程字命令確定，可以實現多次變頻采樣。
    (4) 采樣模式：記錄儀按照一次連續采樣、多次隨機采樣這兩種采樣模式設計。①記錄儀默認是一次連續采樣模式，當單片機的P1.1口外部上升沿觸發引起中斷時，記錄儀進入一次連續采樣模式，按照電路編程設定的頻率fo完成80 Mbit信號的采集，然后記錄儀進入數據保持狀態。②當記錄儀收到計算機虛擬儀器軟件的隨機觸發次數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口外部上升沿觸發引起中斷時，記錄儀進入多次隨機觸發模式，按照電路編程的設定采樣頻率f1記錄10 Mbit數據，然后記錄儀進入待機休眠狀態，等待下一次觸發；當第二次單片機的P1.2口有外部上升沿觸發的時候，記錄儀進入第二次采樣狀態，按照電路編程的設定頻率f2采集和存儲10 Mbit數據，然后記錄儀再次進入待機休眠狀態，等待下一次觸發；如此重復，當第n次單片機的P1.2口有上升沿觸發時，記錄儀進入第n次采樣狀態，按照電路編程的設定頻率fn采集和存儲10 Mbit數據，然后記錄儀進入數據保持狀態，采樣和存儲完畢，等待回收讀數。
3 軟件設計
    利用LabVIEW 2010軟件設計了計算機虛擬儀器軟件，完成記錄儀數據的讀取、波形顯示以及數據處理等。虛擬儀器軟件的結構框圖如圖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”命令后，數據通過串口傳輸至計算機，保存在數組里，利用LabVIEW的數組處理函數對數據進行濾波、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變片的橋路輸出信號，按照設定的采樣模式進行采樣、存儲，采樣完畢通過讀數接口和虛擬儀器讀數軟件讀取測試數據。所設計的微型應變記錄儀有6個通道，體積約為12 cm3，實物如圖5所示。

    在力學實驗室環境內，對標定后的應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個應變片(阻值120±0.1 Ω，靈敏系數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）。將記錄儀設置在8次隨機觸發狀態，通過虛擬儀器的編程，將采樣頻率設置為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，進行下降沿觸發測試。重復三次，然后對數據進行三次求取算術平均值，記錄后進行數據處理。砝碼與隨機觸發次數如表2所示。
    以砝碼為橫軸，以應變值為縱軸，利用Matlab軟件繪制擬合曲線圖，經計算，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。

    經實驗測試，設計的嵌入式微型應變存儲測試系統能夠應用于車輛部件的應變測試，完成微小應變信號的采集、存儲、傳輸、波形顯示和數據處理等。記錄儀能夠完成微小應變信號的測試，能夠推廣應用于高溫、高壓、高沖擊、不易引線等惡劣環境中的物理量動態參數測試。
參考文獻
[1] 張文棟.存儲測試系統的設計理論及其應用[M].北京:高等教育出版社,2002.
[2] 徐鵬,祖靜,范錦彪.高g值加速度沖擊試驗技術研究[J].振動與沖擊,2011,30(4):241-253.
[3] 丁永紅,尤文斌.全彈道引信動態參數記錄儀的設計[J].彈箭與制導學報,2008,28(6):241-246.
[4] 趙巖,馬鐵華,杜紅棉,等.基于FPGA和無線通信的沖擊波超壓采集系統設計[J]. 工程設計學報,2011,18(6)：449-452.
[5] 秦香麗,祖靜,靳鴻.基于MSP430單片機的膛壓測試系統及狀態設計[J].計量與測試技術,2008,35(2):20-21.
[6] 劉祖凡,祖靜,崔春生,等.射孔槍槍內壓力測試系統的研究[J].工程設計學報,2011,18(5):378-381.
[7] 邢化玲,馬孝義.應變測試系統的設計[J].儀表技術與傳感器,2009(12):91-93，96.
[8] 康天文,孫浮,石明江,等.基于LabVIEW的應變測試系統設計[J].儀器儀表用戶,2009,16(5):54-56.