基于PCI總線的無線電高度表測試系統(tǒng)

0引言

為了適應(yīng)高科技條件下的現(xiàn)代戰(zhàn)爭，不僅要不斷地提高戰(zhàn)斗機(jī)的性能，而且對(duì)相應(yīng)檢測設(shè)備也提出了更高要求。先進(jìn)測試技術(shù)的應(yīng)用是戰(zhàn)斗機(jī)維護(hù)修理的發(fā)展方向，是減少維修時(shí)間、提高裝備完好率的重要手段。本文所設(shè)計(jì)的檢測設(shè)備的技術(shù)高低對(duì)高度表的日常維護(hù)、檢測起了決定性的作用。

本文對(duì)高度表的組成和工作原理進(jìn)行分析，確定被測試項(xiàng)目。重點(diǎn)對(duì)被測參數(shù)進(jìn)行分析，采用并行的開發(fā)模式。選擇適合的工控機(jī)，設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)理電路。軟件用LabWindows/CVI語言，完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等開發(fā)。

1 高度表概述

本文所研究的無線電高度表(以下簡稱高度表)作為某型導(dǎo)彈縱向彈道控制的關(guān)鍵部件，其性能的好壞將直接影響著導(dǎo)彈飛行高度的準(zhǔn)確性和戰(zhàn)術(shù)發(fā)揮。在導(dǎo)彈飛行過程中，它實(shí)時(shí)測量導(dǎo)彈相對(duì)陸地(或海面)的真實(shí)高度，并給出與高度成正比的高度脈沖信號(hào)送給綜合控制計(jì)算機(jī)，以協(xié)助控制導(dǎo)彈在預(yù)定的高度上穩(wěn)定飛行。

對(duì)于LFMCW高度表，其測高原理主要有差頻法和調(diào)制信號(hào)周期法。由于該高度表采用恒定差拍閉環(huán)體制，則其測高原理為調(diào)制信號(hào)周期法，可用式(1)來表征：

式中：fb——差拍頻率(Hz);

△F——調(diào)頻帶寬(MHz);

C——電磁波傳播速度(3×1O8 m/s);

Tm——鋸齒波調(diào)制周期(μs);

H——被測高度(m)。

對(duì)于確定的高度表，Tm與H成正比。當(dāng)保持高度脈沖信號(hào)與調(diào)制周期Tm同步時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)高度測量。

2 測試需求

高度表本質(zhì)上屬于近程無線電探測系統(tǒng)，為判斷這類系統(tǒng)工作狀態(tài)與性能，通常對(duì)其高頻輻射信號(hào)和信號(hào)處理電路輸出的控制信號(hào)或狀態(tài)信號(hào)進(jìn)行檢測，檢查其是否滿足輻射設(shè)計(jì)指標(biāo)要求、工作時(shí)序與工作狀態(tài)要求。對(duì)該型高度表，需要檢查輻射信號(hào)頻率、帶寬、功率和整機(jī)靈敏度;檢查搜索/跟蹤狀態(tài);檢查工作狀態(tài)是否滿足要求;檢查給定高度時(shí)，高度表輸出控制信號(hào)的正確性;還要監(jiān)測整機(jī)工作電流。高度表工作是否正常、性能是否滿足探測、跟蹤與測距精度要求。

3 整體設(shè)計(jì)思路

本檢測設(shè)備的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循以下原則，以使系統(tǒng)功能完善、技術(shù)先進(jìn)、性能優(yōu)良、使用安全、操作簡單、維護(hù)方便，并具有一定動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。從功能上講，要它能夠順利完成高度表的自動(dòng)測試任務(wù)，具有連續(xù)自動(dòng)測試、單步測試、自檢、測試結(jié)果儲(chǔ)存打印顯示等功能。

根據(jù)該系統(tǒng)的使命任務(wù)要求，“無線電高度表測試系統(tǒng)”由工控機(jī)、功能模板、適配器、程控高度模擬器和測試與管理軟件5個(gè)子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子系統(tǒng)間控制與信息相互關(guān)系如圖l所示。

圖1 測試設(shè)備原理框圖

3.1 系統(tǒng)所涉及的各個(gè)子硬件功能介紹

3.1.1 工控機(jī)

工控機(jī)是整個(gè)測試系統(tǒng)操作、測控程序、管理程序的基本平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)測試自動(dòng)運(yùn)行與管理。它提供測試功能模板所需的PCI總線，該總線也作為測試系統(tǒng)的測控總線。鑒于測試系統(tǒng)使用中溫度、力學(xué)環(huán)境適應(yīng)性和可靠性要求較高，擬選用西門子公司的工控機(jī)產(chǎn)品作為整個(gè)測試系統(tǒng)的測控中心。

3.1.2 功能模板

功能模板是根據(jù)被測試信號(hào)種類和測試精度選購的。在高度表測試中，需要的功能模板主要有數(shù)據(jù)采集卡、數(shù)字I/O卡、計(jì)數(shù)卡和繼電器矩陣卡。這些功能模板均選用PCI總線結(jié)構(gòu)，以便裝載在工控機(jī)內(nèi)。

3.1.3 適配器

適配器的作用是對(duì)被測信號(hào)進(jìn)行調(diào)理、分類，使得測試資源與被測信號(hào)適配，在模擬被測對(duì)象和數(shù)字測試資源之間建立一個(gè)測試接口。主要由分壓轉(zhuǎn)換、光隔離、開關(guān)控制組合、衰減控制組合、電源模塊等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 適配器結(jié)構(gòu)原理

分壓與轉(zhuǎn)換模塊主要完成模擬電壓信號(hào)調(diào)理和分類，使得較大幅值電壓信號(hào)按比例調(diào)整到數(shù)據(jù)采集卡測試范圍內(nèi)，并將同類模擬信號(hào)集中送至繼電器矩陣，以便測試選擇。

光隔離模塊主要對(duì)Pc、Pn信號(hào)進(jìn)行隔離與電平轉(zhuǎn)換處理，以適應(yīng)計(jì)數(shù)卡輸入計(jì)數(shù)信號(hào)電平需要。同時(shí)，對(duì)微波開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行隔離，以減小微波信號(hào)干擾。

因?yàn)槲⒉ㄩ_關(guān)數(shù)量較多，設(shè)計(jì)開關(guān)邏輯組合，用四位信號(hào)控制16路開關(guān)。

衰減控制信號(hào)通過計(jì)算機(jī)控制D/A器件產(chǎn)生，視具體電控衰減其型號(hào)確定。

電源模塊為整個(gè)測試系統(tǒng)和高度表提供測試電源，輸出電壓分別為+28.5VDC、±15VDC、+5VDC、+3.3VDC等。

3.1.4 程控高度模擬器

程控高度模擬器為模擬發(fā)射信號(hào)在目標(biāo)與接收天線之間往返路徑產(chǎn)生的參數(shù)變化而設(shè)計(jì)，完成射頻信號(hào)經(jīng)由的自由空間狀態(tài)模擬，即模擬導(dǎo)彈的飛行高度。程控高度模擬器為高度表測試提供測試高度要求的電磁波衰減與延遲特性，從而提供閉環(huán)測試條件。程控高度模擬器主要由微波開關(guān)、電控衰減器、延遲組件和控制部分組成，如圖3所示。

圖3 程控高度模擬器結(jié)構(gòu)原理

延遲組件采用聲體波延遲技術(shù)制作，由電(聲)轉(zhuǎn)換薄膜換能器、傳播聲波晶體、匹配網(wǎng)絡(luò)(或?yàn)V波器)三部分組成。根據(jù)測試要求，需要模擬7個(gè)不同的導(dǎo)彈飛行高度，因此需要7個(gè)延遲組件。每個(gè)延遲組件延遲時(shí)間是固定的，根據(jù)模擬的高度不同，確定每個(gè)延遲組件的延遲時(shí)間。在每個(gè)模擬高度上，程控高度模擬器總的延遲時(shí)間τ應(yīng)該滿足式(2)：

即由微波開關(guān)、延遲組件、程控衰減器和傳輸通道產(chǎn)生的延遲時(shí)間均應(yīng)考慮在內(nèi)。

微波開關(guān)用來作為天線信號(hào)通道控制器件，選擇射頻信號(hào)經(jīng)過的延遲組件，每一時(shí)刻只打開一個(gè)通道。通道選擇由微波開關(guān)控制電路實(shí)現(xiàn)，在進(jìn)行通道轉(zhuǎn)換時(shí)，應(yīng)當(dāng)先斷開當(dāng)前通道，然后接通新的通道。

電控衰減器與延遲組件、微波開關(guān)串聯(lián)在射頻信號(hào)回路中，用于模擬射頻信號(hào)傳播不同路徑時(shí)產(chǎn)生的能量衰減。衰減值大小由施加的控制信號(hào)控制，當(dāng)控制電壓為O 時(shí)衰減最小。在不同模擬高度上的衰減值大小同樣要綜合考慮衰減器衰減值、其它器件和傳輸通道產(chǎn)生的衰減。衰減值與控制電壓關(guān)系視具體衰減器型號(hào)而定。

無延遲組件射頻信號(hào)通道是專為高度表射頻頻率、發(fā)射功率和頻偏測試而設(shè)計(jì)。發(fā)射信號(hào)經(jīng)過固定衰減器與本振信號(hào)(頻率固定)混頻(下變頻)，經(jīng)過一個(gè)濾波器濾波后進(jìn)行正交變換，將該信號(hào)送至數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采樣，通過數(shù)據(jù)處理，計(jì)算射頻信號(hào)發(fā)射功率、中心頻率和調(diào)頻帶寬。盡管該部分不屬于高度模擬器，但因其高頻屬性而放在一起。該部分的另外一種選擇方案就是利用頻譜儀、微波功率計(jì)等市售儀器組成射頻參數(shù)測試子系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是便于維修調(diào)試，缺點(diǎn)是費(fèi)用高。

3.2 測試與管理軟件

“無線電高度表測試系統(tǒng)”軟件主要由操作系統(tǒng)(Windows XP)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、開發(fā)平臺(tái)LabWindows/CVI和測試軟件集組成，相互關(guān)系見圖4。

圖4 軟件層次結(jié)構(gòu)

LabWindows/CVI是一種高效率的開發(fā)軟件，可以編譯生成獨(dú)立運(yùn)行的測試程序。LabWindows/CVI采用C語言編程，與儀器驅(qū)動(dòng)程序的語言形式相同，便于測試編程工作。LabWindows/CVI還提供了安裝打包手段，可將所有測試程序及驅(qū)動(dòng)軟件打包成可安裝型文件形式，便于用戶安裝使用。

測試程序在軟件平臺(tái)之上完成，利用軟件平臺(tái)提供的用戶開發(fā)接口開發(fā)測試程序，而不通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序等低層軟件對(duì)具體的儀器設(shè)備編程。軟件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)包括硬件接口、儀器驅(qū)動(dòng)程序等與測試資源相關(guān)的所有軟件驅(qū)動(dòng)，完成軟件平臺(tái)與硬件之間接口驅(qū)動(dòng)。測試層次結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 測試層次結(jié)構(gòu)

(1)物理接口層

物理接口層是軟件和硬件結(jié)合層，硬件是功能模板卡及標(biāo)準(zhǔn)儀器，由測控計(jì)算機(jī)提供PCI總線控制和GPIB總線控制轉(zhuǎn)接接口，軟件是計(jì)算機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序，提供對(duì)控制卡的I/O操作。該層提供測控計(jì)算機(jī)與儀器間物理連接。

(2)測試資源層

測試資源層主要由測控卡及測試儀器驅(qū)動(dòng)程序組成，系統(tǒng)所選用的測控卡及測試儀器無論是PCI總線還是GPIB總線儀器，儀器供應(yīng)商均提供了驅(qū)動(dòng)程序，該驅(qū)動(dòng)程序按儀器驅(qū)動(dòng)程序的標(biāo)準(zhǔn)要求來編寫，儀器驅(qū)動(dòng)程序的功能函數(shù)則完成對(duì)儀器測試功能的控制和測試數(shù)據(jù)的讀取。該層根據(jù)測試策略生成測試代碼，為不同的測試功能提供測試程序。

(3)用戶管理層

用戶管理層主要包括測試功能組件、自行開發(fā)的應(yīng)用軟件工具、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和CVI本身的功能函數(shù)庫，是軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)的重要組成部分，也是軟件對(duì)資源高度集中管理的體現(xiàn)。通過測試功能組件對(duì)資源進(jìn)行控制，而不必理解熟悉該層以下的低層軟件。

(4)用戶應(yīng)用層

用戶應(yīng)用層是實(shí)現(xiàn)檢測功能的一層，該層為測試要求提供正式標(biāo)準(zhǔn)的定義，將維修測試數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，從而決定測試策略，最終生成測試代碼。

用戶應(yīng)用層是軟件平臺(tái)的重要組成部分，包括高度表的測試程序、檢測系統(tǒng)管理程序(程序管理器、數(shù)據(jù)管理器)。測試程序完成待測裝備的功能測試;程序管理器提供測試程序的啟動(dòng)運(yùn)行環(huán)境，對(duì)各種測試程序統(tǒng)一管理;數(shù)據(jù)管理程序用于管理、查詢或打印測試結(jié)果。

根據(jù)高度表測試系統(tǒng)使命任務(wù)與功能要求，測試軟件集應(yīng)包含以下測試程序模塊：a)自動(dòng)測試程序模塊;b)單步測試程序模塊;d)自檢程序模塊;e)校準(zhǔn)程序模塊;f)用戶界面;g)管理及維護(hù)模塊;h)參數(shù)與故障數(shù)據(jù)庫。其相互關(guān)系如圖6所示。

圖6 測試軟件結(jié)構(gòu)

3.2.1 測試主程序

高度表測試軟件主程序的功能是提供用戶界面，通過用戶操作來控制測試內(nèi)容的執(zhí)行。主程序面板采用菜單的形式，所有選擇通過鼠標(biāo)操作完成。菜單欄顯示了系統(tǒng)所具有的所有可執(zhí)行功能項(xiàng)。圖6內(nèi)所有選項(xiàng)均可以在主程序界面進(jìn)行選擇。

3.2.2 管理及維護(hù)程序

管理及維護(hù)程序進(jìn)行操作員資格確認(rèn)(密碼)、生成測試結(jié)果數(shù)據(jù)庫和報(bào)表、建立故障數(shù)據(jù)庫、日志管理和內(nèi)部文件管理。

3.2.3 測試項(xiàng)目

測試項(xiàng)目主要包含高度表測試系統(tǒng)自檢、自動(dòng)測試、單步測試和計(jì)量校驗(yàn)。系統(tǒng)自檢主要指工控機(jī)部分，再開機(jī)時(shí)自動(dòng)完成。

4 結(jié)束語

測試系統(tǒng)采用自下而上的設(shè)計(jì)思想，設(shè)備硬件系統(tǒng)采用了基于PCI的西門子公司的工控機(jī)作為核心，采集、檢測、控制、調(diào)理和輔助電路配置在一臺(tái)機(jī)箱中，具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、抗干擾性能良好的優(yōu)點(diǎn)。軟件系統(tǒng)采用開發(fā)效率高、應(yīng)用功能強(qiáng)大的LabWindows/CVI作為測試軟件的開發(fā)工具，以目前流行的Windows XP作為開發(fā)平臺(tái)。程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強(qiáng)，易于功能擴(kuò)展。程序的界面圖形化，直觀，友好。使用簡單明了，易于操作，自動(dòng)化程度較高。完全能夠滿足相關(guān)國軍標(biāo)和修理廠、*測試要求。