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)斗機的性能，而且對相應(yīng)檢測設(shè)備也提出了更高要求。先進測試技術(shù)的應(yīng)用是戰(zhàn)斗機維護修理的發(fā)展方向，是減少維修時間、提高裝備完好率的重要手段。本文所設(shè)計的檢測設(shè)備的技術(shù)高低對高度表的日常維護、檢測起了決定性的作用。

本文對高度表的組成和工作原理進行分析，確定被測試項目。重點對被測參數(shù)進行分析，采用并行的開發(fā)模式。選擇適合的工控機，設(shè)計相應(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，它實時測量導(dǎo)彈相對陸地(或海面)的真實高度，并給出與高度成正比的高度脈沖信號送給綜合控制計算機，以協(xié)助控制導(dǎo)彈在預(yù)定的高度上穩(wěn)定飛行。

對于LFMCW高度表，其測高原理主要有差頻法和調(diào)制信號周期法。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)。

對于確定的高度表，Tm與H成正比。當(dāng)保持高度脈沖信號與調(diào)制周期Tm同步時，就可實現(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，通常對其高頻輻射信號和信號處理電路輸出的控制信號或狀態(tài)信號進行檢測，檢查其是否滿足輻射設(shè)計指標(biāo)要求、工作時序與工作狀態(tài)要求。對該型高度表，需要檢查輻射信號頻率、帶寬、功率和整機靈敏度;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，高度表輸出控制信號的正確性;還要監(jiān)測整機工作電流。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)計思路

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

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、功能模板、適配器、程控高度模擬器和測試與管理軟件5個子系統(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)所涉及的各個子硬件功能介紹

3.1.1 工控機

工控機是整個測試系統(tǒng)操作、測控程序、管理程序的基本平臺，實現(xiàn)測試自動運行與管理。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產(chǎn)品作為整個測試系統(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)，以便裝載在工控機內(nèi)。

3.1.3 適配器

適配器的作用是對被測信號進行調(diào)理、分類，使得測試資源與被測信號適配，在模擬被測對象和數(shù)字測試資源之間建立一個測試接口。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調(diào)理和分類，使得較大幅值電壓信號按比例調(diào)整到數(shù)據(jù)采集卡測試范圍內(nèi)，并將同類模擬信號集中送至繼電器矩陣，以便測試選擇。

光隔離模塊主要對Pc、Pn信號進行隔離與電平轉(zhuǎn)換處理，以適應(yīng)計數(shù)卡輸入計數(shù)信號電平需要。同時，對微波開關(guān)驅(qū)動信號進行隔離，以減小微波信號干擾。

因為微波開關(guān)數(shù)量較多，設(shè)計開關(guān)邏輯組合，用四位信號控制16路開關(guān)。

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

電源模塊為整個測試系統(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，完成射頻信號經(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)(或濾波器)三部分組成。根據(jù)測試要求，需要模擬7個不同的導(dǎo)彈飛行高度，因此需要7個延遲組件。每個延遲組件延遲時間是固定的，根據(jù)模擬的高度不同，確定每個延遲組件的延遲時間。在每個模擬高度上，程控高度模擬器總的延遲時間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)生的延遲時間均應(yīng)考慮在內(nèi)。

微波開關(guān)用來作為天線信號通道控制器件，選擇射頻信號經(jīng)過的延遲組件，每一時刻只打開一個通道。通道選擇由微波開關(guān)控制電路實現(xiàn)，在進行通道轉(zhuǎn)換時，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)在射頻信號回路中，用于模擬射頻信號傳播不同路徑時產(chǎn)生的能量衰減。衰減值大小由施加的控制信號控制，當(dāng)控制電壓為O 時衰減最小。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而定。

無延遲組件射頻信號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。發(fā)射信號經(jīng)過固定衰減器與本振信號(頻率固定)混頻(下變頻)，經(jīng)過一個濾波器濾波后進行正交變換，將該信號送至數(shù)據(jù)采集卡進行采樣，通過數(shù)據(jù)處理，計算射頻信號發(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、微波功率計等市售儀器組成射頻參數(shù)測試子系統(tǒng)。其優(yōu)點是便于維修調(diào)試，缺點是費用高。

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)動程序、開發(fā)平臺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，可以編譯生成獨立運行的測試程序。LabWindows/CVI采用C語言編程，與儀器驅(qū)動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之上完成，利用軟件平臺提供的用戶開發(fā)接口開發(fā)測試程序，而不通過設(shè)備驅(qū)動程序等低層軟件對具體的儀器設(shè)備編程。軟件平臺驅(qū)動包括硬件接口、儀器驅(qū)動程序等與測試資源相關(guān)的所有軟件驅(qū)動，完成軟件平臺與硬件之間接口驅(qū)動。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，由測控計算機提供PCI總線控制和GPIB總線控制轉(zhuǎn)接接口，軟件是計算機的驅(qū)動程序，提供對控制卡的I/O操作。該層提供測控計算機與儀器間物理連接。

(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)動程序，該驅(qū)動程序按儀器驅(qū)動程序的標(biāo)準(zhǔn)要求來編寫，儀器驅(qū)動程序的功能函數(shù)則完成對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，是軟件平臺設(shè)計的重要組成部分，也是軟件對資源高度集中管理的體現(xiàn)。通過測試功能組件對資源進行控制，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運行環(huán)境，對各種測試程序統(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。圖6內(nèi)所有選項均可以在主程序界面進行選擇。

3.2.2 管理及維護程序

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

3.2.3 測試項目

測試項目主要包含高度表測試系統(tǒng)自檢、自動測試、單步測試和計量校驗。系統(tǒng)自檢主要指工控機部分，再開機時自動完成。

4 結(jié)束語

測試系統(tǒng)采用自下而上的設(shè)計思想，設(shè)備硬件系統(tǒng)采用了基于PCI的西門子公司的工控機作為核心，采集、檢測、控制、調(diào)理和輔助電路配置在一臺機箱中，具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、抗干擾性能良好的優(yōu)點。軟件系統(tǒng)采用開發(fā)效率高、應(yīng)用功能強大的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。程序結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強，易于功能擴展。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。