存储测试技术是指在被测对象无影响或者影响在允许范围的条件下，在被测体内置入微型存储测试仪器，现场实时完成信息采集与存储，事后回收记录仪，由计算机处理和再现被测信息的一种动态测试技术[1]。存储测试技术的显著特点是在被测体实际运动的过程中实时实况地获取其动态参数，作为测试计量技术的一个特色的分支，广泛应用于高温、高压、高冲击、强电磁干扰、不易引线等特殊、恶劣环境下的信息获取，如高g值冲击加速度测试[2]、弹道参数测试[3]，爆炸场的冲击波压力测试[4]、火炮膛压测试[5]、石油井下压力测试[6]等。

常规的应变测试一般是实时测试，即将应变片输出的信号经过调理后进行A/D转换，通过液晶屏、LED显示[7]，或者通过数据采集卡将信号经过总线传输至计算机，完成信号的采集和处理，并且通过计算机硬盘实时存储信息，即实时采集和实时处理与存储[8]。针对装甲车辆某部件工作环境恶劣，应变测试困难的问题，采用存储测试技术设计了可以嵌入被测体内，具有嵌入式结构、微体积、低功耗的应变记录仪，与计算机的虚拟仪器软件构成了微型存储测试系统，完成微小应变信号的获取与数据处理。
1 系统结构
按照存储测试技术的理论和技术设计微型应变存储测试系统，包括微型应变记录仪和计算机虚拟仪器软件两部分。
微型应变记录仪包括信号调理模块、控制模块、ADC模块、存储模块、接口模块、时钟模块、电源管理模块等。信号调理模块完成多路传感器输出信号的放大、滤波等；ADC模块完成信号的A/D转换，然后将数字量按照控制模块的写入命令写入闪存存储模块，完成了信号的采集和存储；当记录仪回收后，将记录仪通过串口与计算机连接，计算机虚拟仪器软件向控制模块发出读取数据命令，把闪存存储模块中的数据读出，数据由计算机虚拟仪器软件进行显示及数据处理，得到测试结果。
计算机虚拟仪器软件是存储测试系统的重要组成部分，完成记录仪数据的读取、波形显示、数据处理、文件存盘、打印等。
微型应变存储测试系统的结构框图如图1所示。

2 硬件设计
2.1 主要元器件选择
控制模块选择TI公司MSP430系列的SoC单片机。MSP430系列单片机是16 bit的超低功耗单片机， 1.8~3.6 V供电，集成了12 bit的ADC、UART、16 bit的定时器等外部模块,记录仪的控制模块采用MSP430FG4618，BGA封装。
信号调理模块选择INA128；存储模块选择三星公司的NAND Flash，即K9F1G08UOC。
2.2 主要电路设计
2.2.1信号获取与调理电路
　 应变片将应变的变化转换为电阻的变化，这个电阻的变化量通常采用电桥作为测量电路来测量。应变信号获取电路采用差动全桥电路，如图2所示。

差动全桥电路具有灵敏度高、温度自补偿的优点。图3中R1、R2、R3、R4是箔式电阻应变片(阻值R=120±0.1 Ω,灵敏系数K=2.1)；Ui是桥压输入，Uo是桥压输出。

根据差动全桥电路的原理，桥压输出Uo与桥压输入Ui满足关系式：
Uo=Ui×K×ε
式中，K是灵敏度，ε是应变。
信号调理电路主要完成桥压输出信号Uo的滤波、放大，供ADC模块进行模数转换。信号调理电路采用压控电压源二阶低通滤波电路设计。
2.2.2 控制电路
控制模块主要包括MSP430FG4618单片机控制电源模块、ADC模块、存储模块、接口模块，以及采样模式控制和实现低功耗的频率控制。
系统按照连续采样模式和多次随机采样模式进行设计，通过外部上升沿触发，引起单片机中断来实现采样模式识别，采样频率选择等功能。控制模块的采样和存储流程图如图3所示。
2.3 关键技术
针对车辆空间狭小、锂电池供电的背景，嵌入式结构的记录仪必须实现微体积、低功耗、多种采样模式设计等。
(1)微体积：MSP430FG4618单片机、K9F1G08UOC芯片选择BGA封装，SG310SCF芯片、INA128芯片等选择贴片封装，电路使用四层PCB板，模拟、数字电路分开，立体封装工艺，灌封环氧树脂，电路由高强度金属壳体保护，结构紧凑，具有微小体积。
(2) 低功耗：通过芯片选择、电源管理、频率控制三个方面的设计实现低功耗。主控芯片选择业界功耗最低的16位单片机MSP430FG4618；电源管理、频率控制是通过将记录仪分为若干工作状态，不同工作状态之间的切换使用单片机的中断实现。关机状态、待机休眠状态、采样存储状态、数据保持休眠状态、读取数据状态的电源管理和频率控制表1所示。

(3) 电路可编程：多次随机采样模式的随机触发次数n(n≤12)，采样频率f1、f2…fn等信息根据计算机虚拟仪器软件给记录仪发送的编程字命令确定，可以实现多次变频采样。
(4) 采样模式：记录仪按照一次连续采样、多次随机采样这两种采样模式设计。①记录仪默认是一次连续采样模式，当单片机的P1.1口外部上升沿触发引起中断时，记录仪进入一次连续采样模式，按照电路编程设定的频率fo完成80 Mbit信号的采集，然后记录仪进入数据保持状态。②当记录仪收到计算机虚拟仪器软件的随机触发次数n和采样频率fn时，记录仪进入多次随机采样模式。当单片机的P1.2口外部上升沿触发引起中断时，记录仪进入多次随机触发模式，按照电路编程的设定采样频率f1记录10 Mbit数据，然后记录仪进入待机休眠状态，等待下一次触发；当第二次单片机的P1.2口有外部上升沿触发的时候，记录仪进入第二次采样状态，按照电路编程的设定频率f2采集和存储10 Mbit数据，然后记录仪再次进入待机休眠状态，等待下一次触发；如此重复，当第n次单片机的P1.2口有上升沿触发时，记录仪进入第n次采样状态，按照电路编程的设定频率fn采集和存储10 Mbit数据，然后记录仪进入数据保持状态，采样和存储完毕，等待回收读数。
3 软件设计
利用LabVIEW2010软件设计了计算机虚拟仪器软件，完成记录仪数据的读取、波形显示以及数据处理等。虚拟仪器软件的结构框图如图4所示。

记录仪和计算机通过RS232串口进行通信。记录仪收到虚拟仪器软件的“开始读数”命令后，数据通过串口传输至计算机，保存在数组里，利用LabVIEW的数组处理函数对数据进行滤波、频谱分析处理、波形显示等。
4 实物及测试实验
将测试电路和锂电池封装在高强度机械壳体里，通过面板的接口接入应变片的桥路输出信号，按照设定的采样模式进行采样、存储，采样完毕通过读数接口和虚拟仪器读数软件读取测试数据。所设计的微型应变记录仪有6个通道，体积约为12 cm3，实物如图5所示。

在力学实验室环境内，对标定后的应变记录仪进行测试实验。按照图2所示的原理，在等强度梁上下贴4个应变片(阻值120±0.1 Ω，灵敏系数K=2.1),桥压输入Ui=2 V，桥压输出Uo接入记录仪的传感器差分信号输入端（将记录仪的6个通道输入端都接入这等强度梁上的差动全桥）。将记录仪设置在8次随机触发状态，通过虚拟仪器的编程，将采样频率设置为2 kHz；在等强度梁一端挂上一个托盘,在托盘上加0.5 kg，1.5 kg，2.5 kg，3.5 kg，4.5 kg的五组砝码，待每一组砝码静止后时，进行下降沿触发测试。重复三次，然后对数据进行三次求取算术平均值，记录后进行数据处理。砝码与随机触发次数如表2所示。
以砝码为横轴，以应变值为纵轴，利用Matlab软件绘制拟合曲线图，经计算，满量程的线性度误差小于1%，某一通道输出拟合曲线图如图6所示。

经实验测试，设计的嵌入式微型应变存储测试系统能够应用于车辆部件的应变测试，完成微小应变信号的采集、存储、传输、波形显示和数据处理等。记录仪能够完成微小应变信号的测试，能够推广应用于高温、高压、高冲击、不易引线等恶劣环境中的物理量动态参数测试。
参考文献
[1] 张文栋.存储测试系统的设计理论及其应用[M].北京:高等教育出版社,2002.
[2] 徐鹏,祖静,范锦彪.高g值加速度冲击试验技术研究[J].振动与冲击,2011,30(4):241-253.
[3] 丁永红,尤文斌.全弹道引信动态参数记录仪的设计[J].弹箭与制导学报,2008,28(6):241-246.
[4] 赵岩,马铁华,杜红棉,等.基于FPGA和无线通信的冲击波超压采集系统设计[J]. 工程设计学报,2011,18(6)：449-452.
[5] 秦香丽,祖静,靳鸿.基于MSP430单片机的膛压测试系统及状态设计[J].计量与测试技术,2008,35(2):20-21.
[6] 刘祖凡,祖静,崔春生,等.射孔枪枪内压力测试系统的研究[J].工程设计学报,2011,18(5):378-381.
[7] 邢化玲,马孝义.应变测试系统的设计[J].仪表技术与传感器,2009(12):91-93，96.
[8] 康天文,孙浮,石明江,等.基于LabVIEW的应变测试系统设计[J].仪器仪表用户,2009,16(5):54-56.