基于PCI-9846武器數(shù)據(jù)鏈測試技術的研究及實現(xiàn)

 1. 概述

傳統(tǒng)的武器數(shù)據(jù)鏈測試方法多以傳輸系統(tǒng)的靜態(tài)性能參數(shù)檢測為主，難以對數(shù)據(jù)鏈出現(xiàn)的瞬態(tài)異常情況做出正確地判定，更不可能對正常使用情況進行動態(tài)仿真測試，最終也就不能有效地保證數(shù)據(jù)鏈無故障可靠應用。武器數(shù)據(jù)鏈動態(tài)仿真測試作為新一代武器系統(tǒng)采用SDP(Structured Distributed Programming) 技術開發(fā)的分布式并行測試中的一個重要組成部分，在完成數(shù)據(jù)鏈自身測試的同時，也為武器系統(tǒng)其他單元的仿真測試提供配套的功能。ADLINK公司PCI-9846高分辨率高速數(shù)據(jù)采集卡在武器數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)中，以其寬動態(tài)范圍、板載512 MB內存及不受PCI總線速率限制的突出特點，助力武器數(shù)據(jù)鏈測試，滿足了并行、動態(tài)及仿真測試等復雜應用需求，成為測試系統(tǒng)中的技術亮點，提升了測試技術水平。

該測試系統(tǒng)具有體積小、定量測試精度高，自動化水平高、工作可靠等優(yōu)點，達到了模塊化、通用化、系列化要求，在軍事和經(jīng)濟效益方面有顯著特點。

2. 數(shù)據(jù)鏈仿真測試技術

武器數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)以計算機和武器數(shù)據(jù)鏈模擬模塊為核心，其性能先進、結構緊湊、操控性強，在仿真應用測試、協(xié)議測試方面具有獨特的一面，達到了動態(tài)測試、智能測試的要求。

被測武器數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的性能指標覆蓋射頻性能、時間同步、信號格式、圖像處理、電磁兼容、天線跟蹤等方面，測試系統(tǒng)實現(xiàn)了對數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)聯(lián)調、技術陣地檢測、生產(chǎn)調校、故障發(fā)現(xiàn)等功能，達到了全系統(tǒng)一體化動態(tài)測試的目標。

在測試技術方面，基于電磁波傳播理論，提出微暗室、近場模擬開放空間實際環(huán)境的測試方法，采用微波網(wǎng)絡系統(tǒng)辨識技術確定近場收發(fā)天線之間的傳遞函數(shù)，實現(xiàn)了實時在線射頻信道定量測量，降低無源互調，解決了高功率防護和電磁兼容問題;提出了武器專用數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)的協(xié)議測試技術，進行協(xié)議統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)處理，并通過這種協(xié)議測試技術手段實現(xiàn)了對武器數(shù)據(jù)鏈協(xié)議一致性、互操作性、魯棒性的測試。

3. 數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)組成

3.1硬件組成

數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)主要由工業(yè)控制計算機和武器數(shù)據(jù)鏈模擬模塊組成，如圖1所示。

工業(yè)控制計算機內部擴展多個RS-422串行接口和USB2.0接口。其中對外的RS-422接口用于與武器測試系統(tǒng)傳輸雙向串行控制數(shù)據(jù)，接收指令信息，并通過對內的RS422接口將數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)臓顟B(tài)信息傳送到武器測試系統(tǒng)，同時也能夠對武器數(shù)據(jù)鏈模擬設備進行指令控制。USB2.0接口用于轉存或接收外部規(guī)定格式的圖像與信息文件，用于圖像和信息數(shù)據(jù)還原處理。工業(yè)控制計算機還用于測試控制，接收武器測試系統(tǒng)的命令或由本地產(chǎn)生命令通過I/O數(shù)字接口控制程控衰減器，用于測試數(shù)據(jù)鏈接收機靈敏度。工控機內部插接PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集卡，完成圖像數(shù)據(jù)的采集及圖像分析處理，并實現(xiàn)圖像存儲和回放。

圖1 數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)組成

武器數(shù)據(jù)鏈模擬設備完成指令信息的發(fā)射、圖像及狀態(tài)信息的接收。指令由武器測試系統(tǒng)或本地工控機產(chǎn)生，產(chǎn)生的指令通過模塊的指令基帶處理、調制并發(fā)射。同時模塊的圖像接收機接收信號并解調和進行基帶處理，輸入至PCI-9846高速數(shù)據(jù)采集卡，由工控機對接收的圖像進行分析處理。

數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)的應用測試框圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)鏈測試應用框圖

3.2測試軟件架構

測試軟件架構主要包括下列幾部分，如圖3所示：

1.應用程序

提供友好的人機控制界面，實現(xiàn)指令發(fā)送、狀態(tài)信息數(shù)據(jù)顯示、圖像數(shù)據(jù)的存儲、回放、狀態(tài)、記錄顯示、圖像監(jiān)視等功能，能夠接收武器測試系統(tǒng)的控制，實現(xiàn)遠控條件下的功能操作。

2.數(shù)據(jù)庫

存儲圖像數(shù)據(jù)記錄，并能夠查詢。

3.應用程序接口服務層

應用程序通過調用應用程序接口服務層向的API接口函數(shù)，實現(xiàn)從API接口函數(shù)到用戶應用程序的解釋。

4.軟件服務層

動態(tài)鏈接庫和系統(tǒng)配置文件是軟件服務層的主要內容，在軟件服務層實現(xiàn)對硬件板卡的管理和調度驅動程序，并完成接口服務層到硬件接口之間的轉換。使得應用程序與板卡硬件類型無關。

5.板卡硬件驅動程序層

板卡硬件驅動程序層實現(xiàn)具體的功能調用。

圖3 數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)的軟件架構

3.2測試軟件設計

采用了Delphi編程語言, 中文化的圖形操作界面，實現(xiàn)了測試系統(tǒng)所要求的操作功能。建立本機Access數(shù)據(jù)庫，并通過對象模型ADO(Active Data Objects)進行數(shù)據(jù)庫的訪問，ADO最主要的優(yōu)點是易于使用，速度快，內存支出少和磁盤遺跡小。使用Delphi開發(fā)數(shù)據(jù)庫應用程序時，還可以將數(shù)據(jù)庫組件(ADOQuery或Query)與SQL語句結合起來，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)瀏覽、刪除等功能

1.應用程序的API接口

根據(jù)提供的各種功能接口卡的底層驅動程序和數(shù)據(jù)讀取/寫入的例程，編寫dll文件，并進一步封裝成適合Delphi程序語言調用的API函數(shù)。實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的存儲和輸出回放、衰減控制和圖像窗口的控制。

2.數(shù)據(jù)庫操作

Delphi提供了數(shù)據(jù)訪問(DataAccess)和數(shù)據(jù)控制(DataControls)的可視化控件，能夠方便快捷地產(chǎn)生具有良好界面且功能強大的數(shù)據(jù)庫應用程序，還應用了非可視化控件，例如TTable、TQuery、TDatabase等實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)管理功能。

3.人機界面

充分利用Delphi提供的界面功能控件、按鈕控件，菜單及數(shù)據(jù)顯示控件開發(fā)友好的人機界面，達到簡單操控，功能強大的要求，提供界面的動態(tài)提示以方便各種功能的操作，運用鮮明的狀態(tài)指示控件實現(xiàn)各種狀態(tài)、進程的指示。

4. 測試關鍵技術

4.1微暗室近場模擬開放空間測試技術

測試天線微暗室屏蔽罩置于已經(jīng)安裝了天線被測武器體上，接收被測武器發(fā)射的大功率信號，并且對被測武器的發(fā)射信號有一定程度的屏蔽作用。

測試天線微暗室屏蔽罩設計為正方形截面，頂面平行于地面，考慮到結構尺寸與強度，采用鋁制材料制造，可以保證工作頻段的屏蔽性能;為使得測試天線微暗室屏蔽罩不對武器天線的正常工作產(chǎn)生影響，內部需仿造電波暗室加入劈狀吸波材料，由于所要吸收功率為大功率，吸波材料所處空間較小，為避免產(chǎn)生熱量過多造成危險，吸波材料選為橡膠材料，且表面具有尖劈狀突起;測試天線微暗室屏蔽罩底部需要與武器本體邊界曲線進行共形設計，并底部覆蓋較厚的吸波橡膠材料，既可以吸收電磁波，又能夠進一步地實現(xiàn)共形設計;內部天線的設計采用寬帶圓形單極子天線，可以滿足尺寸、重量以及帶寬的要求，測試天線微暗室屏蔽罩如圖4所示。

1測試天線接口 2吸波橡膠 3鋁板屏蔽 4寬帶單極子天線 5共形吸波橡膠 6被測武器天線接口

圖4 測試天線微暗室屏蔽罩

4.2仿真場景及計算機集成測試技術

數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)是在地面環(huán)境條件下，仿真建立武器系統(tǒng)數(shù)據(jù)鏈實際應用場景，按照其工作流程，采用計算機技術，模擬仿真配套設備的功能，對目標模塊進行功能與性能的測試，仿真場景需要接近實際使用條件，才能保證測試結果的具有全面、安全、可靠、可信等特征。

數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)采用計算機控制技術，擴展多通道同步和異步通信接口、圖像采集、程控衰減器、模擬外接設備條件和數(shù)據(jù)信息，構建仿真測試平臺，測試軟件也具有智能化、模塊化的特點，針對武器系統(tǒng)不同狀態(tài)下的工作流程，進行模塊化組合，充分地實現(xiàn)了計算機條件下武器系統(tǒng)的集成測試。

數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)采用模塊結構組成的集中式測控方式, 運用工業(yè)控制機技術, 整個系統(tǒng)結構緊湊, 運行可靠, 非常適合在技術陣地條件下裝備的測試與保障。同時測試軟件采用了層次化和模塊化的結構, 使得測試效率得到極大地提高, 并且易于軟件的維護和擴展。

數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)采用標準化設計,統(tǒng)一測試接口標準、統(tǒng)一的測試標準和測試項目，這樣做的目的不僅可以規(guī)范測試系統(tǒng), 增強其通用性,而且還可以增強測試系統(tǒng)的可擴展性, 為了今后使測試系統(tǒng)具有兼容不同型號武器裝備的適應性, 并使之形成系列化, 進一步拓寬使用范圍，減少對測試系統(tǒng)的重復投資, 使測試系統(tǒng)的發(fā)展與武器裝備的發(fā)展同步。

4.3數(shù)據(jù)鏈的協(xié)議測試技術

本測試系統(tǒng)應用了協(xié)議測試技術，并通過這種協(xié)議測試技術手段實現(xiàn)了對武器裝備數(shù)據(jù)鏈功能的測試。數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)對武器全系統(tǒng)功能測試來說是一個重要的單元。協(xié)議測試是運用數(shù)據(jù)鏈功能實現(xiàn)全武器功能測試的重要環(huán)節(jié)，其目的是為了保證協(xié)議實現(xiàn)并按照協(xié)議描述穩(wěn)定可靠地運行，對于數(shù)據(jù)鏈的質量保證有著重要的意義。在協(xié)議測試技術中主要進行了一致性測試、性能測試和魯棒性測試，例如在數(shù)據(jù)鏈自檢和指令操控等功能上主要用了協(xié)議一致性測試技術，在指令操控和狀態(tài)信息等傳輸延時性能測試上主要用了協(xié)議性能測試技術，在接收機靈敏度性能測試上用了協(xié)議魯棒性測試技術。

在對武器數(shù)據(jù)鏈的一系列操控流程測試上，利用事先編制的測試用例，在特定的測試環(huán)境下，進行軟件的黑盒測試，通過比較被測武器裝備的實際輸出與預期輸出的異同，判定被測裝備的功能或流程實現(xiàn)是否與協(xié)議描述相一致，從而實現(xiàn)協(xié)議一致性測試。

4.4面向對象測試技術和測試驅動開發(fā)

在數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)的軟件規(guī)模和軟件復雜性要求下, 按照傳統(tǒng)的現(xiàn)有被測系統(tǒng)，然后開發(fā)測試軟件的開發(fā)方法已逐漸不能適應系統(tǒng)開發(fā)的需要,數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)采用了測試驅動開發(fā)TDD ( Test Driven Development) 的開發(fā)方法。數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)是與數(shù)據(jù)鏈設備同步啟動進行的，在實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈設備的每個功能期間，都要考慮如何對這個功能進行測試，并完成測試代碼的編寫，這樣可以不斷地通過測試效果推動被測設備代碼的開發(fā), 既復用了代碼開發(fā)工作量, 又保證了軟件質量。不斷地優(yōu)化相關的測試用例代碼，然后循環(huán)進行添加其他功能, 直到完成全部功能的開發(fā)。代碼效率是測試驅動開發(fā)所追求的目標。這種方法在實際中能夠起到非常好的效果,使得數(shù)據(jù)鏈測試開發(fā)成為項目設計的一部分, 很好地把開發(fā)和測試融合為一個整體。

數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)先行開發(fā)是項目開發(fā)管理中一種細粒度的目標管理方法, 通過明確的目標, 推動軟件開發(fā)的進行。TDD 方式的開發(fā)使得數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)是從下而上, 依次實施一系列的解決方案, 最后演進為整體設計。

4.5基于PCI-9846圖像ROI處理技術

凌華科技PCI-9846是4通道16位40MS/s采樣數(shù)字化儀，專為輸入信號頻率高達20MHz的高頻和高動態(tài)范圍的信號而設計，模擬輸入范圍可以通過編程設置為±1V/±0.2V或±5V/±0.4V，配備了容量高達512MB的板載內存，擺脫了PCI總線的約束，使之能儲存更長時間的數(shù)據(jù)。PCI-9846配備了四個高線性度的16位A/D轉換器。

PCI-9846相對于其他的采樣數(shù)字化儀，其特點可以概括為以下幾點：

標準高度，半長PCI規(guī)格;

支持5V和3.3V PCI信號;

支持32位/66MHz PCI接口;

16位高分辨率A/D轉換器;

每通道采樣率最高40MS/s;

板載四通道共享的512M內存，用于存儲數(shù)據(jù);

可編程輸入電壓范圍±0.2V/±1V或±1V/±5V;

模擬輸入帶寬可達20MHz;

支持scatter-gather DMA傳輸。

4.5.1基于PCI-9846的圖像存儲

基于PCI-9846的圖像存儲系統(tǒng)流程可由以下幾部分構成：

圖像模擬信號經(jīng)由PCI-9846轉化成數(shù)字信號并進入接收設備(如計算機);

數(shù)字信號在接收設備中進行ROI區(qū)域的劃分，切割;

將ROI信號進行消除噪聲，增加分辨率，除鋸齒操作等，增加清晰度;

將非ROI信號進行壓縮，減少存儲容量;

將信號進行整合，并進行壓縮處理;

建立數(shù)據(jù)庫并存儲最后的數(shù)據(jù)。

4.5.2 感興趣區(qū)域圖像編碼技術

感興趣區(qū)(Region of interest, ROI) 圖像編碼技術是近年來數(shù)字圖像壓縮編碼領域的一個研究重點. 其在圖像高壓縮比下, 能夠更好地保證重建圖像ROI質量, 是有效解決圖像質量和壓縮比之間矛盾的一種重要手段。ROI 編碼算法的基本原理是:對輸入的圖像進行小波變換, 根據(jù)圖像感興趣區(qū)產(chǎn)生ROI 掩膜, 移動ROI 掩膜內的小波系數(shù)使其位于較高的位平面, 在隨后進行的嵌入式編碼中實現(xiàn)優(yōu)先編碼、優(yōu)先傳輸, 使得解碼重建后的ROI 比背景區(qū)擁有更好的質量. 但此類算法需要增加一定的位平面數(shù)量, 解碼時也必須對移動了的位平面進行逆平移, 增加了一定的復雜度. 另一類ROI 編碼方法是基于優(yōu)化截斷嵌入式編碼(Embedded block coding with optimized truncation, EBCOT) 算法中碼塊失真計算的. 其中具有代表性的是由Taubman 提出的隱式ROI 算法, 其通過增加ROI 碼塊失真度量的權重, 使得編碼碼流中包含更多的ROI 信息,從而提高重建圖像ROI 質量. 其優(yōu)點在于不改變位平面的數(shù)量, 不需要附加ROI 形狀信息, 解碼也不必進行額外操作, 復雜度低. 但是, 由于編碼是以碼塊為單位, 某些ROI 碼塊中可能包含大量背景區(qū)域的小波系數(shù), 而只有少數(shù)ROI 信息, 因此該算法在一定程度上影響了編碼效率, 在低碼率(不大于0.5 bit/pixel) 下, 重建圖像ROI質量相對于背景區(qū)域提高不明顯.相應出現(xiàn)了一種處理方法，通過降低ROI碼塊中背景區(qū)域的小波系數(shù)權重, 以減小這些系數(shù)對編碼的影響, 使重建圖像ROI質量明顯提高. 但是, 其采用的方式是一種有損操作, 在較高碼率下影響了重建圖像的背景區(qū)域質量，用ROI碼塊中感興趣區(qū)小波系數(shù)的個數(shù)在碼塊中所占的比例調節(jié)權重, 取得了很好的效果。

5. 結束語

目前,外軍數(shù)據(jù)鏈自動測試系統(tǒng)(ATS)正朝著通用化、標準化、網(wǎng)絡化和智能化的方向邁進。本數(shù)據(jù)鏈測試系統(tǒng)也在朝著構建通用化自動測試系統(tǒng)方面上邁進,通過共享測試軟硬件資源，采用開放的技術標準和測試標準,以期減少測試系統(tǒng)軟、硬件的開發(fā)和升級費用，規(guī)范軟硬件開發(fā)過程,提高測試設備中各功能模塊的互換性和通用性,實現(xiàn)測試用例程序集TPS的可移植性和可重用性，最終達到整個測試系統(tǒng)的可重構性，一個高性能測試系統(tǒng),能夠通過優(yōu)化豐富測試用例,實現(xiàn)測試系統(tǒng)的不斷升級;還可在構建網(wǎng)絡化測試系統(tǒng)上,應用專用的IP承載網(wǎng)，實現(xiàn)測試過程的遠程控制與遠程故障診斷。