基于PXI總線的引信低頻半實物仿真系統(tǒng)

鄭晨皓，王學(xué)敏，楊 波，權(quán)建峰

（西安機電信息技術(shù)研究所，陜西 西安710065）

0 引言

無線電引信的作用是在距目標(biāo)預(yù)定角度和距離引爆戰(zhàn)斗部，對于地面目標(biāo)預(yù)定距離體現(xiàn)為炸高，該參數(shù)決定戰(zhàn)斗部的殺傷效能，因此在引信的生產(chǎn)中須嚴(yán)格控制。針對榴彈對地?zé)o線電引信，信號處理電路是引信近炸正常作用的關(guān)重件，其性能測試是測試的關(guān)鍵過程，對控制榴彈引信質(zhì)量有著決定作用。一般采取通用儀器搭建的平臺對引信炸高進(jìn)行測試［1］，這種系統(tǒng)體積大、系統(tǒng)一致性和可維護(hù)性差，不便工程化應(yīng)用。針對以上問題，本文提出基于模塊化PXI總線技術(shù)的引信低頻半實物仿真系統(tǒng)。

1 通用儀器測試平臺和PXI總線

近二十年來隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對自動測試技術(shù)提出了通用性、智能性、高速性和高精度等［1］越來越高的要求。接口總線是自動測試技術(shù)的重要組成部分，通過接口總線和軟件編程連接并控制儀器。儀器控制是通過PC上軟件遠(yuǎn)程控制儀器控制總線上的儀器，儀器本身一般支持一種或多種總線選擇，PC也提供多種用于儀器控制的總線選擇?？捎糜趦x器控制的總線分為獨立總線和模塊化總線兩大類，獨立總線包括T＆M 專用總線（如GPIB）和PC標(biāo)準(zhǔn)總線（如RS-232、LAN、USB、IEEE1394），模塊化總線包括PCI、PCI Express、VXI和PXI。引信測試系統(tǒng)總線分類也是這樣。

引信測試一般使用通用儀器測試平臺獨立總線方式對引信參數(shù)進(jìn)行測試。目前我們無線電引信生產(chǎn)低頻電路測試采用混合儀器平臺獨立總線GPIB、RS-232和USB等方式對炸高等參數(shù)進(jìn)行測試。通過計算機控制直流電源給產(chǎn)品供電，數(shù)字電流表檢測電流，任意波信號發(fā)生器生成多普勒模擬信號，加在被測產(chǎn)品上，數(shù)字示波器顯示和采集產(chǎn)品點火端輸出的點火脈沖信號，最后計算出低頻部件炸高等主要性能參數(shù)。具體結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 引信獨立總線測試原理圖Fig.1 Schematic diagram of the independent bus of radio fuse

相比較獨立總線測試技術(shù)，PXI屬于將接口總線合并到儀器中的模塊化總線技術(shù)，隨著總線技術(shù)的發(fā)展，PXI 總線是工業(yè)總線VME 和Compact PCI在儀器領(lǐng)域的擴展。開放式工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)PXI構(gòu)架（PCI extensions for Instrumentation）的模塊化儀器能提供高性能的，基于PC的測量和自動化系統(tǒng)，結(jié) 合 了PCI（Peripheral Component Interconnection）的電氣總線特性與Compact PCI的堅固性、模塊化及Eurocard機械封裝的特性，增加了專門的同步總線和主要軟件特性，使它成為測量和自動化系統(tǒng)的高性能、低成本運載平臺，可用于諸如制造測試、軍事和航空等領(lǐng)域［1-4］。在PXI總線系統(tǒng)中，儀器硬件不再是分立的儀器，而是制成儀器插卡，將有關(guān)插卡插入計算機擴展槽或?qū)Ｓ脵C箱，并編制相應(yīng)的控制程序，就可構(gòu)成所謂虛擬儀器系統(tǒng)。系統(tǒng)中儀器硬件與計算機緊密結(jié)合，共享資源的程度高，它們具有開放式的體系結(jié)構(gòu)及模塊化、系列化、通用化、可互換性等特點。以PXI總線為基礎(chǔ)的虛擬儀器體系結(jié)構(gòu)已被人們普遍接受，并成為儀器系統(tǒng)的主流。

2 基于PXI總線的低頻半實物仿真系統(tǒng)

采用PXI總線，測試引信低頻參數(shù)是通過PXI模塊化儀器來完成。

2.1 硬件組成

該測試是通過嵌入式實時控制計算機建立多普勒信號數(shù)學(xué)模型，通過PXI任意波發(fā)生器產(chǎn)生多普勒信號，輸入到測試產(chǎn)品，通過PXI示波器讀取點火信號，經(jīng)過算法處理，輸出測試結(jié)果，根據(jù)指標(biāo)參數(shù)判斷產(chǎn)品合格性能，測試結(jié)果進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，其原理框圖見圖2。與圖1不同，圖2采用一種PXI模塊化儀器替換幾種通用儀器。

圖2 PXI總線測試原理圖Fig.2 Schematic diagram of the PXI-bus test system

測試無線電榴彈引信信號處理器參數(shù)的PXI測試系統(tǒng)，由PXI機箱、嵌入式實時PXI控制器模塊、PXI任意波產(chǎn)生器模塊、PXI示波器模塊、PXI程控電源模塊、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)等組成。PXI控制器模塊是PXI測試系統(tǒng)的核心，用于執(zhí)行測控軟件指令，控制PXI任意波產(chǎn)生器模塊產(chǎn)生多普勒信號，讀取PXI示波器模塊采集的點火信號并顯示其波形，控制PXI程控電源模塊給被測產(chǎn)品供電并讀取產(chǎn)品工作電流。PXI任意波產(chǎn)生器模塊、PXI示波器模塊及PXI程控電源模塊均為卡式結(jié)構(gòu)。測試設(shè)備由PXI總線連接，采用模塊化卡式儀器，用雙核PXI控制器控制模塊化卡式PXI儀器，組建成虛擬儀器PXI測試系統(tǒng)。系統(tǒng)可自動完成引信低頻電路測試，并將結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。

2.2 軟件組成

軟件構(gòu)建方式是在Windows Vista操作系統(tǒng)管理下，操作軟件利用編程工具Visual Studio.NET 2008，編程語言使用Visual C＃，通過VISA 驅(qū)動程序和SCPI命令集，實現(xiàn)控制PXI設(shè)備及通訊，見圖3。為提高編程效率，在軟件設(shè)計中使用模塊化結(jié)構(gòu)。

圖3 測控軟件構(gòu)成Fig.3 The constitution of the ultrascope

在使用Visual C＃2009語言編程時，考慮模塊化設(shè)計，各模塊分別編寫、編譯和調(diào)試，最后一起連接、定位。嵌入式實時控制器模塊先建立與各儀器間的I／O 通訊；再設(shè)置各儀器工作參數(shù)狀態(tài)；如果某一操作出現(xiàn)問題，給出錯誤提示，退出程序；儀器設(shè)置完成后，進(jìn)入人機交互界面，操作者輸入引信產(chǎn)品參數(shù)，并啟動測試；PXI系統(tǒng)在控制器控制下，測試產(chǎn)品炸高等各項參數(shù)；待測產(chǎn)品出現(xiàn)故障時，給出提示信息，返回人機界面，由測試者更換產(chǎn)品；對性能正常的產(chǎn)品，控制器按照給定的作戰(zhàn)指標(biāo)對測試結(jié)果進(jìn)行分析，確定該產(chǎn)品是否合格，根據(jù)ADO.NET 和DataGridView 控件將數(shù)據(jù)源綁定錄入數(shù)據(jù)庫鏈接；最后模塊測試者選擇繼續(xù)測試或結(jié)束工作模式。

數(shù)據(jù)庫管理采用Access軟件，Access數(shù)據(jù)庫是一種關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫設(shè)計時，對有關(guān)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，并按類型分別存放在多個較小的表中，這樣大量減少重復(fù)信息，節(jié)約存儲空間，同時便于更新測試數(shù)據(jù)和修改表的結(jié)構(gòu)。

2.3 連續(xù)波多普勒信號模型

3 實測驗證

3.1 系統(tǒng)性能對比

本系統(tǒng)的測試基本原理與通用儀器集成測試系統(tǒng)大致相同，但在整體性能上有了較大的提高。本系統(tǒng)與原引信仿真測試系統(tǒng)性能對比見表1。

表1 新舊測試系統(tǒng)性能對比表Tab.1 The performance comparison between the new test system and the old one

采用了插卡式模塊化儀器和PXI總線結(jié)構(gòu)的PXI系統(tǒng)與原通用儀器集成系統(tǒng)相比，傳輸速度提高130倍、控制計算機主頻速度提高75倍、內(nèi)部緩存擴大4倍、模擬信號等效幅度精度提高2倍，PXI仿真源模塊幅度分辨率為14bit而原系統(tǒng)為8bit。如果原系統(tǒng)按引信頻率300MHz、交會速度1 000m／s計算，引信正碰多普勒頻率為2kHz，仿真源的記錄長度為8KB，按20KB／s的采樣速率計算，可產(chǎn)生0.4s的信號。PXI系統(tǒng)按引信頻率3 GHz、交會速度1 000m／s計算，可產(chǎn)生40s的信號。此外，在編程軟件上也由16位軟件升級到主頻3GHz的P4計算機級為32位軟件，并用圖形用戶界面代替原系統(tǒng)的文本對話式界面。我們可以看出PXI測試系統(tǒng)性能大幅度提高了。

3.2 測試結(jié)果分析

根據(jù)圖4PXI測試系統(tǒng)測得數(shù)據(jù)，設(shè)測量信號處理電路的數(shù)據(jù)電流I，穩(wěn)壓輸出UO，10°炸高HZ1，自炸時間tZ和輸出幅度UO，將產(chǎn)品測量5次，Xb是相應(yīng)Y 的原始數(shù)據(jù)，分別求其σY相對標(biāo)準(zhǔn)差，參照GJB引信環(huán)境與性能試驗方法測試系統(tǒng)允許誤差［6］，根據(jù)公式計算數(shù)據(jù)見表2。

圖4 PXI測試系統(tǒng)實物圖Fig.4 The real diagram of the PXI-test system

表2 測試數(shù)據(jù)Tab.2 The test data

從表中可以看出，PXI系統(tǒng)滿足相對均方差最大小于1.006 5%，通用儀器集成系統(tǒng)滿足相對均方差最大小于6.422 9%。分析測試結(jié)果可以看出測試誤差數(shù)據(jù)均滿足使用要求，但PXI系統(tǒng)比通用儀器集成系統(tǒng)誤差小。PXI系統(tǒng)測完數(shù)據(jù)一個周期時間1.02s，通用儀器集成系統(tǒng)測完數(shù)據(jù)一個周期時間3.12s，手動通用儀器集成系統(tǒng)測完數(shù)據(jù)一個周期時間14min，可見PXI系統(tǒng)測試時間更快。

3.3 PXI系統(tǒng)測試擴展

PXI系統(tǒng)具有強大的擴展空間，利用“軟件就是儀器”的概念，在LabVIEW 軟件平臺上開發(fā)的軟件操作系統(tǒng)，更便于測試人員的操作，與硬件操作系統(tǒng)相比，測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，而且便于維護(hù)。如果用通用軟件編程平臺Visual Studio.NET 2008，Visual C＃2009語言編程也可實現(xiàn)此功能，可以完成PXI測試功能擴展。我們已經(jīng)在一套PXI系統(tǒng)上實現(xiàn)了兩種以上的引信炸高的測試，性能穩(wěn)定。

4 結(jié)論

本文提出基于模塊化PXI總線技術(shù)的引信低頻半實物仿真測試系統(tǒng)。系統(tǒng)由嵌入式實時PXI控制器模塊、PXI任意波產(chǎn)生器模塊、PXI示波器模塊、PXI程控電源模塊等組成，使用通用軟件編程平臺Visual Studio.NET，Visual C＃語言編輯測控軟件，將PXI任意波發(fā)生器產(chǎn)生的多普勒信號輸入到引信低頻，由PXI示波器讀取點火信號，最后輸出測試結(jié)果。實驗表明，與通用儀器集成測試系統(tǒng)相比，整體性能有較大幅度的提高，系統(tǒng)誤差小，測試時間更短，功能擴展性強。PXI總線炸高測試系統(tǒng)已經(jīng)在部分引信產(chǎn)品測試中得到應(yīng)用，效果良好，值得推廣使用。

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