基于虛擬儀器的雷達(dá)導(dǎo)引頭通用自動測試系統(tǒng)

龔 明, 馮 云

(上海無線電設(shè)備研究所,上海200090)

0 引言

導(dǎo)彈導(dǎo)引頭是導(dǎo)彈的核心部件,其性能直接決定導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo),因此對導(dǎo)引頭的準(zhǔn)確快速測試至關(guān)重要。雷達(dá)導(dǎo)引頭的測試除了通常電子設(shè)備的測控,還需要測試系統(tǒng)按照空間目標(biāo)模擬理論模擬各種空間環(huán)境和目標(biāo)特性。以往的雷達(dá)導(dǎo)引頭自動測試系統(tǒng)基本為專用測試設(shè)備,隨著研制的武器系統(tǒng)數(shù)量不斷增加和導(dǎo)彈導(dǎo)引頭性能、復(fù)雜度大幅提高,需要測試的主要技術(shù)指標(biāo)也越來越多,對測試系統(tǒng)的模塊化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的要求越加迫切,研發(fā)雷達(dá)導(dǎo)引頭通用自動測試系統(tǒng)(General Purpose ATS,以下簡稱通用測試系統(tǒng))已是當(dāng)務(wù)之急[1]。

本測試系統(tǒng)采用虛擬儀器(Virtual Instruments,簡稱VI)技術(shù),利用計算機(jī)軟件的強(qiáng)大功能結(jié)合相應(yīng)的硬件,完成不同型號導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭測試,實現(xiàn)了多功能微波信號源、儀器級互換等難點。該通用測試系統(tǒng)容易擴(kuò)展,不同用戶可根據(jù)各自的測試需求,在硬件平臺上完成測試資源配置、接口測試適配器(Interface Test Adapter,簡稱ITA)設(shè)計,在軟件平臺上完成測試程序開發(fā),這樣通用測試系統(tǒng)的研制人員不必掌握過多的專業(yè)測試技術(shù),就可以方便、快速地開發(fā)出不同需求的自動測試系統(tǒng)。

1 通用自動測試系統(tǒng)發(fā)展趨勢

隨著測試儀器和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,自動測試系統(tǒng)技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。從上世紀(jì)80年代開始,以美國為代表的西方主要發(fā)達(dá)國家投入了可觀的人力、物力致力于ATS的通用化工作,成功的推出了不少系統(tǒng)投入使用[2]。早期的通用測試系統(tǒng)雖然已采用了通用的軟、硬件平臺及核心測試結(jié)構(gòu)的研制策略,仍不能適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭多兵種聯(lián)合作戰(zhàn)對多武器系統(tǒng)、多級維護(hù)的需要。為了進(jìn)一步降低軍用自動測試系統(tǒng)的總成本,并通過實現(xiàn)自動測試系統(tǒng)的互操作功能來改進(jìn)后勤維修靈活性,美國國防部自動測試系統(tǒng)研究、開發(fā)和集成工作組(API)開展了下一代自動測試系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)NxTestATS的研究工作,以達(dá)到改善測試系統(tǒng)儀器互換性,實現(xiàn)測試程序集(TPS)可移植和互操作,擴(kuò)大自動測試系統(tǒng)應(yīng)用范圍,降低系統(tǒng)全生命周期費用等目標(biāo)。

在國內(nèi),由于眾多的需求推動,自動測試系統(tǒng)技術(shù)也有極大發(fā)展,目前正處于從專用自動測試系統(tǒng)向通用自動測試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變過程中。在通用測試系統(tǒng)技術(shù)方面,按照模塊化、系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的要求,在一定范圍通用的各類自動測試系統(tǒng)正陸續(xù)推出,但儀器互換性等關(guān)鍵技術(shù)的研究還不夠完善。

2 通用測試系統(tǒng)設(shè)計

通用測試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)采用開放的模塊化結(jié)構(gòu),并遵循通用化、系列化和組合化的原則,充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。圖1所示為通用測試系統(tǒng)的組成框圖。

圖1 通用測試系統(tǒng)組成框圖

通用測試系統(tǒng)由通用自動測試設(shè)備(以下簡稱通用測試設(shè)備)和測試程序集組成,測試程序集包括測試程序(TP)、ITA和測試程序集文檔。通用測試系統(tǒng)采用PXI(PCI ex tension for Instrumentation)總線的虛擬儀器平臺,包括激勵模塊、信號采集模塊、數(shù)字邏輯模塊、開關(guān)矩陣模塊、萬用表模塊以及儀器控制模塊等,可以根據(jù)裝備中不同的雷達(dá)導(dǎo)引頭各類待測信號特點增減PXI模塊和相應(yīng)的通用接口(General Purpose Interface,簡稱GPI)模塊,設(shè)計專用的ITA,對ITA中的信號調(diào)理模塊進(jìn)行系列化設(shè)計,實現(xiàn)測試信號的轉(zhuǎn)接,以完成不同雷達(dá)導(dǎo)引頭的性能檢測,提高系統(tǒng)的通用性和可擴(kuò)展性。

2.1 通用測試設(shè)備硬件平臺

通用測試設(shè)備的硬件組成框圖,如圖2所示。

圖2 通用測試系統(tǒng)硬件組成框圖

圖2中,通用測試設(shè)備由PXI測試系統(tǒng)、GPI、ITA、路由器、程控電源和雷達(dá)導(dǎo)引頭模擬信號源組成。通用測試系統(tǒng)采用 PXI總線和LXI(LAN extension for Instrument)總線融合的混合系統(tǒng),充分發(fā)揮各總線和平臺的優(yōu)勢,透明地識別并利用一個開放的、多廠商支持的計算機(jī)平臺來實現(xiàn)I/O的連接。整套系統(tǒng)由兩個減震便攜機(jī)柜組成,雷達(dá)導(dǎo)引頭模擬信號源裝于一個機(jī)柜,其余設(shè)備裝于另一個機(jī)柜,方便設(shè)備機(jī)動轉(zhuǎn)場、運輸。

2.2 PXI測試系統(tǒng)

PXI總線為PCI總線在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展,是美國NI公司于1997年發(fā)布的一種新的開放式、模塊化儀器總線規(guī)范,其核心是 CompactPCI結(jié)構(gòu)和M icrosoftW indow s軟件。PXI是在PCI內(nèi)核技術(shù)上增加了成熟的技術(shù)規(guī)范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的觸發(fā)總線和參考時鐘、用于精確定時的星形觸發(fā)總線、以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等,來滿足試驗和測量用戶的要求。

PXI兼容CompactPCI機(jī)械規(guī)范,并增加了主動冷卻、環(huán)境測試(溫度、濕度、振動和沖擊試驗)等要求,提高系統(tǒng)可靠性。對PXI測試系統(tǒng),最具優(yōu)勢的是由超過800個供應(yīng)商供應(yīng)的PCI占主導(dǎo)的臺式 PC市場,從而產(chǎn)生大量的基于PCI的硬件驅(qū)動程序操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序,所有這些都可以有效的應(yīng)用在PXI系統(tǒng)中,并且相對于PCI,極大的提高了系統(tǒng)可靠性。

由于被測的雷達(dá)導(dǎo)引頭具有系統(tǒng)復(fù)雜、需同時檢測的模擬信號多、輸出多為漸變信號的特點,考慮效費比,PXI測試系統(tǒng)沒有采用矩陣加同步采集模式,而是采用了多路數(shù)據(jù)采集加萬用表掃描的方式。

PXI測試系統(tǒng)中,PXI控制器選用NI公司最新的嵌入式控制器PXI-8108,使用Core 2Duo 2.53GHz雙核處理器,搭配NI的PXI-1044機(jī)箱,均選用寬溫型號,提高系統(tǒng)可靠性。數(shù)據(jù)采集卡選用NI的PXI-6255,具有80通道、16位分辨率、最高1.25 M采樣率模擬輸入,10MHz高速數(shù)字IO,雙通道、2.8 M 速率模擬輸出。開關(guān)卡選用NI的 PXI-2575,為 100 VDC/AC,1 A 容量,196x1、1線或98x1、2線多路復(fù)用,140 Hz/s最大切換速度的多路復(fù)用器,搭配N I的6位半精度PXI-4070萬用表卡。PXI測試系統(tǒng)采用DAQ(Data AcQuisition)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和萬用表與多路復(fù)用器的組合,更加充分地利用計算機(jī)的資源,可方便快速的組建基于計算機(jī)的虛擬儀器,大大增加了測試系統(tǒng)的靈活性和擴(kuò)展性,實現(xiàn)“一機(jī)多型”和“一機(jī)多用”。

2.3 通用測試系統(tǒng)軟件平臺

通用測試系統(tǒng)選用的是基于虛擬儀器的DAQ系統(tǒng),虛擬儀器系統(tǒng)核心是軟件技術(shù),應(yīng)用軟件開發(fā)環(huán)境選擇是否恰當(dāng)與虛擬儀器系統(tǒng)的功能是否容易實現(xiàn)有密切的關(guān)系。系統(tǒng)采用N I公司推出的主要面向計算機(jī)測控領(lǐng)域的圖形化虛擬儀器軟件開發(fā)平臺LabVIEW,該軟件具有界面設(shè)計直觀、靈活,各種函數(shù)、驅(qū)動豐富,便于快速構(gòu)建,數(shù)據(jù)庫方面操作簡單等特點[3]。

通用測試系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用自頂向下的程序設(shè)計方法,符合通用化、系列化、模塊化的設(shè)計原則,滿足軟件可重用性、儀器可互換性、功能擴(kuò)展性等要求。圖3所示為系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖[4]。

測試軟件結(jié)構(gòu)采用分層、模塊化結(jié)構(gòu),通過對測試需求的分析,將軟件分為主控層和測試功能層。主控層由主控軟件模塊作為構(gòu)件元素,測試功能層由測試功能軟件模塊作為構(gòu)件元素,主控層與測試功能層模塊間通過通信接口實現(xiàn)交互。主控模塊調(diào)用測試功能模塊進(jìn)行測試,測試功能模塊測試任務(wù)完成后通知主控模塊接收測試結(jié)果數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)包含本數(shù)據(jù)的屬性信息,主控模塊根據(jù)數(shù)據(jù)的屬性信息查詢測試對象信息數(shù)據(jù)庫,然后將測試結(jié)果整理、判斷后存入測試結(jié)果信息庫。這種軟件結(jié)構(gòu)有利于開發(fā)工作的分工協(xié)作,同時易于軟件維護(hù)和系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級。

由于采用了LabV IEW作為軟件開發(fā)平臺,利用內(nèi)置的豐富工具包,如數(shù)據(jù)庫工具、IVI驅(qū)動庫、微軟文檔報告生成器和網(wǎng)絡(luò)工具等,可以方便快速的編寫好數(shù)據(jù)庫、報告輸出、LXI總線TCP/IP協(xié)議和儀器驅(qū)動等程序集,提高編程人員的效率,便于工程技術(shù)人員將更多的精力關(guān)注在測試方案的解決上,而忽略軟件技術(shù)的細(xì)節(jié)實現(xiàn)。

3 系統(tǒng)通用性研究

3.1 雷達(dá)導(dǎo)引頭模擬信號源

通用測試系統(tǒng)中的雷達(dá)導(dǎo)引頭模擬信號源能模擬直波和回波能量大小、回波多普勒特性,并具有模擬復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境干擾能力,用于檢驗導(dǎo)彈中雷達(dá)導(dǎo)引頭的作戰(zhàn)能力及相關(guān)重要指標(biāo)。不同的雷達(dá)導(dǎo)引頭需要不同頻率、不同性能的導(dǎo)引頭模擬信號源,而且通常導(dǎo)引頭模擬信號源需要模擬高質(zhì)量的微波信號。通用測試系統(tǒng)使用合成儀器(Synthetic Instruments)的技術(shù)來設(shè)計雷達(dá)導(dǎo)引頭模擬信號源,用較小的成本實現(xiàn)了高性能的模擬信號源。

合成儀器就是一個可重復(fù)配置的系統(tǒng),能夠通過標(biāo)準(zhǔn)接口連接一系列硬件單元和軟件組件,使用各種數(shù)字處理技術(shù)進(jìn)行信號生成或測量工作[5]。合成儀器是基于軟件的系統(tǒng),是虛擬儀器的一個子集。圖4為雷達(dá)導(dǎo)引頭模擬信號源的組成框圖。

圖4 雷達(dá)導(dǎo)引頭模擬信號源組成框圖

圖4中,中頻信號源為一個2GHz帶寬的高質(zhì)量通用信號源,干擾調(diào)制器中的控制器可以將通過LXI總線傳送過來的數(shù)據(jù)送入調(diào)制信號源中,生成各種模擬的干擾調(diào)制信號。通過軟件重置調(diào)制信號源或者更換相應(yīng)干擾調(diào)制器與上變頻模塊,導(dǎo)引頭模擬信號源即能滿足不同型號導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭測試需要。通過合成儀器在導(dǎo)引頭模擬信號源中的應(yīng)用,有效的增加了測試系統(tǒng)的功能和靈活性,降低了開發(fā)成本,延長產(chǎn)品生命周期,滿足通用化設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 LXI總線

通用測試系統(tǒng)中的程控電源和雷達(dá)導(dǎo)引頭模擬信號源需要PXI測試系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制,考慮幾種不同程控總線特點,選擇LX I總線作為系統(tǒng)的程控總線。

LX I總線是LAN局域網(wǎng)技術(shù)在儀器領(lǐng)域的擴(kuò)展,融合了以太網(wǎng)的高速吞吐率,在獨立LAN儀器中加入了一些附加特性,比如標(biāo)準(zhǔn)HTM L配置頁面和多種實現(xiàn)LAN儀器的最佳實例,比之GPIB總線的低速和USB總線的短距傳輸有著極大的優(yōu)勢。LXI總線特別適用于分布式應(yīng)用,可借助于現(xiàn)有的LAN網(wǎng)絡(luò)將多個處理單元完美地相連,并對等的進(jìn)行通信,較好的實現(xiàn)了程控設(shè)備的模塊化和通用化。LXI分為三類:

a)類別C:具有通過LAN的編程控制能力,能夠與其他廠家的儀器協(xié)同工作;

b)類別B:擁有C類的一切能力,并支持IEEE1588精確時間協(xié)議同步;

c)類別A:擁有B類的一切能力,同時具備觸發(fā)總線硬件觸發(fā)機(jī)制。

由于導(dǎo)彈導(dǎo)引頭測試對程控電源和雷達(dá)導(dǎo)引頭模擬信號源的觸發(fā)和時間控制要求不高,另外考慮市場產(chǎn)品豐富程度和成本因素,通用測試系統(tǒng)選用了LXI總線C類標(biāo)準(zhǔn),即通用LAN總線的編程控制能力。針對已有的不同導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭測試中需要更換的電源和信號源模塊其它程控接口,選擇LXI總線C類標(biāo)準(zhǔn)也可以用較小的成本直接利用市場中資源較多的以太網(wǎng)接口轉(zhuǎn)換器或者自己開發(fā),較好的滿足測試系統(tǒng)的通用性。

3.3 通用測試接口

通用測試接口GPI實現(xiàn)測試儀器與 UUT(Unit Under Test)的電氣、機(jī)械連接,集中管理全系統(tǒng)的測試信號的輸入和輸出,對外連接采用接口測試適配器ITA結(jié)構(gòu)形式。GPI應(yīng)具有良好的電磁兼容、抗干擾、阻抗匹配和信號傳輸能力,能提供ITA連接緊固、裝卸方便的能力。應(yīng)根據(jù)應(yīng)用環(huán)境和使用要求選擇具有較高接觸性能和可靠性的GPI結(jié)構(gòu)部件和連接器,并根據(jù)測量對象的不同,設(shè)計不同的ITA。

為了實現(xiàn)測試系統(tǒng)的通用化,GPI需要遵循一定的標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)通用的接口連接規(guī)范。通用測試系統(tǒng)采用了VPC公司的90系列接口連接器,并制定了詳細(xì)的工程規(guī)范。根據(jù)通用系統(tǒng)硬件資源定義小功率低頻信號模塊、大功率電源模塊、數(shù)字邏輯模塊、開關(guān)模塊等在連接器中的位置和每一個模塊上插釘?shù)男盘?并預(yù)留了一定可以擴(kuò)充的模塊位置,因此可以覆蓋不同型號導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭測試的信號接口類型,滿足通用性要求[6]。由于通用測試設(shè)備中的導(dǎo)引頭模擬信號源和GPI不在同一個測試機(jī)柜,考慮系統(tǒng)可靠性,通用測試系統(tǒng)中的導(dǎo)引頭模擬信號源微波電纜是直接連接UUT的,并不通過GPI。

3.4 IVI驅(qū)動

為了實現(xiàn)通用測試系統(tǒng)中儀器的互換性、互操作性以及軟件的可移植性,系統(tǒng)中各程控儀器驅(qū)動都依據(jù)IVI體系結(jié)構(gòu)制作。每次替換儀器,只需要在IVI配置文件中指明新的驅(qū)動程序即可,原系統(tǒng)測試軟件不需作任何改動。

IVI驅(qū)動程序規(guī)范由IVI基金會制定。IVI規(guī)范詳細(xì)定義了儀器驅(qū)動程序的內(nèi)部設(shè)計模型與外部接口模型,規(guī)定了虛擬儀器驅(qū)動程序的設(shè)計要求及與系統(tǒng)中其他程序模塊之間的相互關(guān)系、儀器的可互換性、仿真和狀態(tài)緩存等。IVI規(guī)范對儀器進(jìn)行了分類,每一類儀器具有統(tǒng)一的基本功能,同時定義了擴(kuò)展功能,并支持儀器特定的功能調(diào)用,應(yīng)用程序中對儀器的控制操作調(diào)用類驅(qū)動程序,類驅(qū)動程序通過IV I引擎和配置信息調(diào)用具體儀器驅(qū)動程序來控制實際的儀器。因此,測試系統(tǒng)的具體儀器改變,只需要改變配置信息,不用修改應(yīng)用程序。

按照提供給用戶的接口形式的不同,IVI驅(qū)動程序分為:C語言驅(qū)動程序和COM驅(qū)動程序。目前最普遍使用的是C語言驅(qū)動程序,其最方便、快捷的開發(fā)環(huán)境是NI公司的LabW indow s/CV I,因為它包含了許多創(chuàng)建儀器驅(qū)動程序的開發(fā)、測試工具,如 IV I儀器驅(qū)動程序開發(fā)向?qū)У萚7]。通過 LabWindow s/CVI開發(fā)的 IVI儀器驅(qū)動程序可以很方便地被LabVIEW程序調(diào)用,保證了測試設(shè)備的通用性要求。

4 結(jié)束語

該通用測試系統(tǒng)滿足了一定范圍的通用性,

系統(tǒng)的TP開發(fā)技術(shù)、信息融合技術(shù)等還需要進(jìn)一步的深入研究。為滿足更多電子裝備測試保障的新需求,制定相關(guān)通用ATS技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,

大力開發(fā)可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)的通用自動測試系統(tǒng)勢在必行。

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