基于FPGA软核的参数可变的压力测试系统设计

系统与上位机的通信是系统设计的关键环节。USB总线具有传输速度快、即插即用等优点。但复杂的USB传输协议和驱动，很大程度上限制了系统的设计与开发。为此，USB芯片选用FT245R，其内部集成了USB协议，完成并行数据与串行数据的双向转换。系统的参数设置和数据读取是通过上位机完成的，上位机将相应的控制命令以串行数据存储在FT245R的内部接收FIFO中;而FPGA的回读信号和数据则以8位并行数据存储在发送FIFO中。通过通信模块软核控制FT245R，实现数据的传输。

为了验证通信软核功能的正确性，利用Modelsim SE对其进行了时序仿真，如图5所示。先进行读操作，图中高亮的data_usb的前4个bytes数据，表示上位机从FPGA中回读的4个参数;然后进行写操作，图中data_usb的中间4个bytes数据表示上位机对FPGA设置的4个参数;而data_usb的最后2个bytes数据则表示上位机设置的2个命令。从时序图可得，rxf和rd、txe和wr的时序，与FT245R芯片读时序和写时序完全相符，说明该模块设计正确，功能满足要求。

3 系统性能验证

为了验证采用软核设计压力测试系统的准确性和可靠性，进行了信号采集试验。首先利用Agilenl公司的33521A信号发生器，产生频率为1 kHz、幅值为2 V的正弦信号，如图6所示。然后设置测试系统的参数，具体包括放大倍数：1倍，触发电平：1172，采样频率：1 M，负延时：64 k，存储长度：1 M。设置完成后，测试系统对正弦波信号进行采集。利用上位机通过USB接口读取采集数据，并将数据及测试信息进行显示，如图7所示。

由图可知：正弦信号实际频率为1.000 0 kHz、幅值为2.018 V，而采集到的波形频率为0.999kHz、幅值为2.012 V，测试误差为0.297%，满足设计要求，验证了测试系统的准确性。另外，图7右下方回读的测试信息与之前设置的参数一致，进一步验证了参数设置功能的正确性。

4 弹药静爆试验

将20 kg的某裸装弹药架高1.5 m进行静爆实验，根据测试要求并尽可能保护测试系统，将设计好的2套测试系统分别埋设于在同一直线上距爆心7.5 m、15 m处。根据经验公式，计算的冲击波超压峰值理论值分别为0.148 3 MPa，0.038 8 MPa。设置好合理的参数后，让其均处于定时状态，实验人员安全撤离后按时进行爆破。实验完成后，回读数据。测试系统在7.5 m、15 m处测的冲击波超压峰值为0.139 2 MPa，0.034 3 MPa，接近理论值，实测压力曲线如图8所示。多次实验表明测试系统可靠、稳定。

5 结论

针对不同环境下的冲击波压力测试，设计了可配置的FPGA软核，实现对周围硬件电路的控制，完成了瞬态冲击波压力信号的采集。根据不同测试条件，可对软核进行重新配置，实现系统快速设计，提高了电路复用性。测试系统在多次实弹测试实验中得到了应用，其稳定性、可靠性得到了验证，并能有效获取数据。