基于PXI總線的導(dǎo)彈引控自動測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姜景偉+李國林+路翠華

摘 要： 針對某型導(dǎo)彈引控系統(tǒng)現(xiàn)有測試設(shè)備測試儀器分散、連接復(fù)雜、自動化程度低、耗費(fèi)高等問題，提出一種基于PXI總線技術(shù)的自動測試系統(tǒng)（ATS）設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的自動化、模塊化及通用化，降低測試系統(tǒng)的規(guī)模，節(jié)約研發(fā)成本。描述了測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成，給出了測試系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)。重點(diǎn)介紹模塊化儀器的選擇、電源模塊的設(shè)計(jì)及軟件的測試流程。經(jīng)論證，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理、測試準(zhǔn)確、自動化程度高，滿足測試需求。

關(guān)鍵詞： PXI總線； 自動測試系統(tǒng)； 虛擬儀器； 電源模塊

中圖分類號： TN911?34； TP336 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）20?0087?04

Design of automatic test system for missile detonating control system based on PXI bus

JIANG Jing?wei， LI Guo?lin， LU Cui?hua

（Navel Aeronautical and Astronautical University， Yantai 264001， China）

Abstract： Aiming at the problems of scattered test equipment， complex connection， low?level automation and high cost of the existing test equipment for a certain type of missile， an automatic test system （ATS） based on PXI bus technology was designed to achieve the test system automation， modularity and general utilization， which reduced the size of the test system and saved development cost. The structure， composition， hardware design and software design of the test system are described in this paper. The selection of modular instruments， the design of power module and the testing process of software are introduced. The system demonstration indicates that the design of the developed ATS is reasonable， and its testing accuracy and automation level are high， which can meet the test requirements.

Keywords： PXI bus； automatic testing system； virtual instrument； power module

0 引 言

科學(xué)技術(shù)在不斷發(fā)展并應(yīng)用于現(xiàn)代導(dǎo)彈中，使現(xiàn)代導(dǎo)彈的組成、結(jié)構(gòu)及內(nèi)部組件越來越復(fù)雜，特別是導(dǎo)彈引控系統(tǒng)，給導(dǎo)彈引控系統(tǒng)的測試帶來一定的難度，具體表現(xiàn)在測試信號種類多、測試量大，被測信號有模擬量信號、串口信號、時(shí)序信號、脈沖信號、開關(guān)量信號、射頻信號。現(xiàn)有的測試設(shè)備自動化程度低，測試步驟繁瑣，測試儀器分散，連接復(fù)雜，耗費(fèi)資源高，不利于保障部隊(duì)官兵作戰(zhàn)及日常訓(xùn)練。實(shí)戰(zhàn)訓(xùn)練中，測試時(shí)間緊、戰(zhàn)場環(huán)境復(fù)雜，這就要求測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動化、快速化，有一定的抗干擾能力，能在復(fù)雜環(huán)境下工作[1]。因此，研制人員需求少、工作強(qiáng)度低、測試時(shí)間短、信息化程度高的自動化測試設(shè)備，具有重要的軍事、經(jīng)濟(jì)意義。

PXI測試系統(tǒng)規(guī)范由美國國家儀器公司（NI）在1997年推出[2] ， PXI總線技術(shù)綜合了PCI、CompactPCI堅(jiān)固的插卡結(jié)構(gòu)、VME總線、VXI總線和GPIB總線的優(yōu)點(diǎn)，與其他總線技術(shù)相比，特點(diǎn)是模塊化、小型化、高性能和高集成化，正是這些特點(diǎn)使PXI總線技術(shù)迅速在各個(gè)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展成為應(yīng)用最廣泛的測試平臺[3]。本文以虛擬儀器技術(shù)及PXI總線技術(shù)為技術(shù)支持，完成某型導(dǎo)彈引控系統(tǒng)自動測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1 測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

自動測試系統(tǒng)（ATS）包含人機(jī)接口單元、測試資源、相應(yīng)的接口設(shè)備、開關(guān)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)5部分。人機(jī)接口單元主要包括程序開發(fā)環(huán)境、測試程序軟件、主控制器、顯示器、打印設(shè)備等，測試資源部分包括測試激勵設(shè)備、測試量采集設(shè)備等，接口設(shè)備包括測試接口適配器、被測件專用適配器等[4]。其硬件組成主要由5部分構(gòu)成：激勵設(shè)備、主控制器、檢測設(shè)備、測試信號接口裝置和開關(guān)裝置[5]。把激勵設(shè)備、檢測設(shè)備及主控制器歸為測試設(shè)備硬件部分，把信號接口裝置和開關(guān)裝置歸為接口適配器部分。

1.1 自動測試設(shè)備硬件部分設(shè)計(jì)

自動測試設(shè)備部分設(shè)計(jì)的主要工作是提供各被測件（UUT）測試需求的測試資源以及系統(tǒng)自身運(yùn)行測試所需的資源。在本系統(tǒng)中，選擇基于PXI總線技術(shù)生產(chǎn)的貨架產(chǎn)品，組建自動測試系統(tǒng)。被測信號有模擬量信號、串口信號、時(shí)序信號、脈沖信號、開關(guān)量信號、射頻信號，可采用的PXI模塊有：射頻（RF）信號發(fā)生器、高速A/D卡、繼電器陣列、數(shù)字I/O卡、D/A轉(zhuǎn)換卡（任意波形發(fā)生器）、485通信卡、數(shù)字萬用表等，這些模塊插在PXI機(jī)箱內(nèi)的安裝槽內(nèi)，通過PXI總線與PXI控制器連接，同時(shí)，各個(gè)模塊通過適配器與被測對象相連接，在PXI控制器的管理下，多個(gè)模塊可共同完成對某一個(gè)被測對象的測試，而每個(gè)模塊又可參與多個(gè)測試項(xiàng)目，系統(tǒng)的組成非常靈活，設(shè)備利用率和集成度很高，其硬件組成如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)測試信號參數(shù)特性選擇相應(yīng)規(guī)格的PXI模塊。選擇型號為PXI?1065的機(jī)箱，其主要參數(shù)為18槽交流3U PXI Express，包含9個(gè)PXI插槽，4個(gè)PXIe插槽，5個(gè)混合插槽，帶寬高達(dá)3 GB/s；選擇PXIe?8133為嵌入式控制器，處理器為四核、1.73 GHz，運(yùn)行Windows XP系統(tǒng)；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀型號為PXIe?5665，主頻高達(dá)14 GHz；RF信號發(fā)生器選擇PXIe?5673E，其主頻率3.3 GHz；高速AD卡選擇14位、傳輸速率為100 MB/s的PXI?5412；選擇16通道、可通過最大電流值為5 A的繼電器陣列；數(shù)字I/O選擇160通道DIO的PXI?7813R；485通信卡選擇4端口、數(shù)字隔離的串行接口的PXI?8433/4；選擇主頻8 GHz，型號PXI?5695的可編程衰減器，擁有達(dá)+24 dBm最大輸出功率和； 60 dB總增益矩；陣開關(guān)選擇PXI?2529，擁有128交叉點(diǎn)，可以進(jìn)行1 A切換2 A傳輸；選擇分辨率為6.5位的PXI?4065數(shù)字萬用表?，F(xiàn)有測試設(shè)備的過載測試臺由于需要手動操作，不能實(shí)現(xiàn)自動化操作，需要重新設(shè)計(jì)，以完成自動調(diào)平、校準(zhǔn)以及同時(shí)測試4個(gè)過載開關(guān)的功能。沖擊器平臺亦需重新設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)自動完成沖擊、復(fù)位功能。此外，還需設(shè)計(jì)電源模塊，實(shí)現(xiàn)在測試過程中對各UUT進(jìn)行供電。

1.2 接口適配器部分設(shè)計(jì)

接口適配器（TUA）是自動測試設(shè)備（ATE）與被測單元（UUT）之間的信號傳輸中心[6]。接口適配器是自動測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)中非常重要的一部分，也是自動測試系統(tǒng)硬件部分需要設(shè)計(jì)人員人工設(shè)計(jì)的那部分，很多激勵信號、控制信號還有被測信號在此匯集。接口適配器主要有兩個(gè)作用，一是對信號進(jìn)行機(jī)械連接，二是對信號進(jìn)行電氣連接。在機(jī)械連接方面，適配器接口分別與UUT測試接口及PXI儀器接口通過測試電纜相連，大量線路都置于適配器內(nèi)，增加了系統(tǒng)的集成度，縮短了系統(tǒng)的展開及撤收時(shí)間，提高測試效率；在電氣連接方面，測試系統(tǒng)產(chǎn)生的激勵信號、控制信號和UUT產(chǎn)生的被測信號要經(jīng)過適配器內(nèi)部的根據(jù)需要設(shè)計(jì)的電路來傳輸和濾波、限幅等信號處理。此外適配器箱內(nèi)還集成了電源模塊，向適配器和UUT系統(tǒng)供電。

1.3 電源模塊部分設(shè)計(jì)

經(jīng)過對測試系統(tǒng)中各UUT的分析，需要以下8個(gè)獨(dú)立電壓的供電，分別是+5 V，-5 V，+3.3 V，+1.2 V，

+2.5 V，+15 V，+50 V。購置AC?DC電源模塊將輸入的220 V/50 Hz市電轉(zhuǎn)換為直流±5 V，-15 V和有電流過流保護(hù)電路的+15 V的輸出，然后通過電源電路將±5 V、±15 V電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)需要的電壓。下面以+50 V和+3.3 V為例，介紹詳細(xì)的電路設(shè)計(jì)。

1.3.1 50 V電源電路設(shè)計(jì)

50 V電路由MC34063A系列DC?DC變換器及部分外圍電路構(gòu)成。MC34063AD內(nèi)部集成溫度自動補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)電壓發(fā)生器、比較器、占空比可控限流回路振蕩器、RS觸發(fā)器和大電流開關(guān)電路等。其輸入電壓范圍為2.5～40 V，本電路中選用15 V電壓作為輸入，而輸出電壓根據(jù)外圍電路的器件選擇而有所不同，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路在20～60 V可調(diào)，如圖2所示。MC34063AD的FB腳為比較器反相輸入端，也是輸出電壓取樣端，所以調(diào)節(jié)外部電阻比值，可調(diào)節(jié)輸出電壓，輸出電壓計(jì)算式如下：

[Vout=1.25×（1+RadjR4）]

BUV26為NPN型開關(guān)功率管，開關(guān)動作時(shí)間短，可工作在高率轉(zhuǎn)換狀態(tài)，這樣滿足MC34063A的工作頻率，BA159為快速恢復(fù)整流管，使開關(guān)電壓穩(wěn)定在所需的電壓上。

圖2 50 V供電電路

1.3.2 3.3 V電源電路

3.3 V電源分模擬3.3 V和數(shù)字3.3 V，采用的供電芯片為美國線性技術(shù)（Linear Technology Corporation）公司生產(chǎn)的3.3 V穩(wěn)定電壓輸出芯片LT1086?3.3 V，輸入電壓為5 V，輸出最大電流可達(dá)1.5 A。LT1086?3.3 V對外圍電路要求簡單，甚至可以不需要任何外部元件即可輸出既定電壓。圖3為3.3 V供電電路，在整個(gè)硬件設(shè)計(jì)中模擬地與數(shù)字地通過一個(gè)0 Ω電阻GND_R1單點(diǎn)連接在一起。

圖3 3.3 V供電電路

2 測試軟件設(shè)計(jì)

軟件在很大程度上決定自動測試系統(tǒng)的測試流程，所以軟件決定了測試系統(tǒng)測試性能的高低。NI公司開發(fā)的LabVIEW開發(fā)環(huán)境是一個(gè)圖形化的編程語言[7]， LabVIEW是實(shí)驗(yàn)室虛擬儀器集成環(huán)境的簡稱[8]， 它基于虛擬儀器技術(shù)，可以靈活地增加和修改自動測試系統(tǒng)的測試功能，可以很方便地調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)[9]，這樣測試系統(tǒng)的硬件規(guī)模將大大降低，測試成本也隨之降低，而且圖形化的開發(fā)環(huán)境使開發(fā)人員不必將精力放在軟件的細(xì)節(jié)上，沒有經(jīng)過計(jì)算機(jī)專業(yè)學(xué)習(xí)的人員也可以便捷的搭建自己的測試系統(tǒng)。目前LabVIEW開發(fā)環(huán)境主要應(yīng)用在數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)表達(dá)、測試測量及監(jiān)控等領(lǐng)域[10]。

2.1 測試軟件的功能與結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)采用自頂向下的程序設(shè)計(jì)方法，因?yàn)樽皂斚蛳隆⒅饘臃纸獾乃枷肟梢杂行У乜刂栖浖?shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，并通過逐級抽象、簡化每層與較低層次之間的關(guān)系，使得每次分解都比較容易理解，并容易確定分解后各成分的功能及相互關(guān)系。根據(jù)測試需求，為實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的測試功能，測試軟件可分為儀器驅(qū)動模塊、測試流程模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)管理模塊和故障診斷模塊這5個(gè)功能模塊。其中儀器驅(qū)動模塊由硬件接口庫和硬件設(shè)備驅(qū)動組成，測試流程模塊由儀器類、解釋器和測試序列組成，數(shù)據(jù)管理模塊由結(jié)果顯示、結(jié)果記錄、結(jié)果輸出、結(jié)果比較和結(jié)果查詢組成，數(shù)據(jù)處理模塊由通用數(shù)據(jù)處理和專用數(shù)據(jù)處理組成，故障診斷模塊由診斷模型和診斷過程組成。如圖4所示。

圖4 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件測試流程

用戶進(jìn)入測試系統(tǒng)后首先進(jìn)行登錄系統(tǒng)，登陸成功后進(jìn)入測試主界面，進(jìn)行適配器識別，識別成功系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備自檢，自檢不通過將退出測試系統(tǒng)，自檢通過后根據(jù)測試需要手動選擇進(jìn)行自動測試或進(jìn)行分步測試，自動測試識別被檢對象后自動施加激勵、采集測試數(shù)據(jù)、顯示測試結(jié)果并判斷是否正常，如測試數(shù)據(jù)不正常則根據(jù)測試結(jié)果與正常值作比較來判斷故障部位，測試結(jié)果分別顯示在測試結(jié)果表和故障診斷結(jié)果表中，最后自動保存測試結(jié)果。分步測試根據(jù)需要選擇測試項(xiàng)目后根據(jù)界面提示進(jìn)行相應(yīng)操作，開始單個(gè)項(xiàng)目的測試，顯示測試結(jié)果完成故障定位，最后保存測試結(jié)果，結(jié)束測試。如圖5所示。

3 結(jié) 語

PXI總線技術(shù)綜合了以往5種測試總線的優(yōu)點(diǎn)，包括PCI、CompactPCI堅(jiān)固的插卡結(jié)構(gòu)、VME總線、VXI總線和GPIB總線，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)與測控技術(shù)的完美結(jié)合。

該測試系統(tǒng)以PXI總線技術(shù)為核心技術(shù)，應(yīng)用成熟的硬件和軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號處理的準(zhǔn)確性及硬件擴(kuò)展的便利性，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的原則，各層和各模塊之問相對獨(dú)立，使得系統(tǒng)在進(jìn)行擴(kuò)展和維護(hù)時(shí)，無需對所有模塊進(jìn)行修改。

圖5 軟件測試流程圖

測試系統(tǒng)人員需求少、工作強(qiáng)度低、測試時(shí)間短、信息化程度高，將提高部隊(duì)裝備自動化、信息化水平，提高測試精度和可靠性，減少人力資源需求，降低工作強(qiáng)度，有利于提高部隊(duì)的保障能力及作戰(zhàn)能力。按照本方案設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)可以滿足測試需求。

參考文獻(xiàn)

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圖4 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件測試流程

用戶進(jìn)入測試系統(tǒng)后首先進(jìn)行登錄系統(tǒng)，登陸成功后進(jìn)入測試主界面，進(jìn)行適配器識別，識別成功系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備自檢，自檢不通過將退出測試系統(tǒng)，自檢通過后根據(jù)測試需要手動選擇進(jìn)行自動測試或進(jìn)行分步測試，自動測試識別被檢對象后自動施加激勵、采集測試數(shù)據(jù)、顯示測試結(jié)果并判斷是否正常，如測試數(shù)據(jù)不正常則根據(jù)測試結(jié)果與正常值作比較來判斷故障部位，測試結(jié)果分別顯示在測試結(jié)果表和故障診斷結(jié)果表中，最后自動保存測試結(jié)果。分步測試根據(jù)需要選擇測試項(xiàng)目后根據(jù)界面提示進(jìn)行相應(yīng)操作，開始單個(gè)項(xiàng)目的測試，顯示測試結(jié)果完成故障定位，最后保存測試結(jié)果，結(jié)束測試。如圖5所示。

3 結(jié) 語

PXI總線技術(shù)綜合了以往5種測試總線的優(yōu)點(diǎn)，包括PCI、CompactPCI堅(jiān)固的插卡結(jié)構(gòu)、VME總線、VXI總線和GPIB總線，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)與測控技術(shù)的完美結(jié)合。

該測試系統(tǒng)以PXI總線技術(shù)為核心技術(shù)，應(yīng)用成熟的硬件和軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號處理的準(zhǔn)確性及硬件擴(kuò)展的便利性，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的原則，各層和各模塊之問相對獨(dú)立，使得系統(tǒng)在進(jìn)行擴(kuò)展和維護(hù)時(shí)，無需對所有模塊進(jìn)行修改。

圖5 軟件測試流程圖

測試系統(tǒng)人員需求少、工作強(qiáng)度低、測試時(shí)間短、信息化程度高，將提高部隊(duì)裝備自動化、信息化水平，提高測試精度和可靠性，減少人力資源需求，降低工作強(qiáng)度，有利于提高部隊(duì)的保障能力及作戰(zhàn)能力。按照本方案設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)可以滿足測試需求。

參考文獻(xiàn)

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[10] 陳錫輝，張銀鴻.LabVIEW 8.2程序設(shè)計(jì)從入門到精通[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.

圖4 軟件功能結(jié)構(gòu)圖

2.2 軟件測試流程

用戶進(jìn)入測試系統(tǒng)后首先進(jìn)行登錄系統(tǒng)，登陸成功后進(jìn)入測試主界面，進(jìn)行適配器識別，識別成功系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)備自檢，自檢不通過將退出測試系統(tǒng)，自檢通過后根據(jù)測試需要手動選擇進(jìn)行自動測試或進(jìn)行分步測試，自動測試識別被檢對象后自動施加激勵、采集測試數(shù)據(jù)、顯示測試結(jié)果并判斷是否正常，如測試數(shù)據(jù)不正常則根據(jù)測試結(jié)果與正常值作比較來判斷故障部位，測試結(jié)果分別顯示在測試結(jié)果表和故障診斷結(jié)果表中，最后自動保存測試結(jié)果。分步測試根據(jù)需要選擇測試項(xiàng)目后根據(jù)界面提示進(jìn)行相應(yīng)操作，開始單個(gè)項(xiàng)目的測試，顯示測試結(jié)果完成故障定位，最后保存測試結(jié)果，結(jié)束測試。如圖5所示。

3 結(jié) 語

PXI總線技術(shù)綜合了以往5種測試總線的優(yōu)點(diǎn)，包括PCI、CompactPCI堅(jiān)固的插卡結(jié)構(gòu)、VME總線、VXI總線和GPIB總線，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)技術(shù)與測控技術(shù)的完美結(jié)合。

該測試系統(tǒng)以PXI總線技術(shù)為核心技術(shù)，應(yīng)用成熟的硬件和軟件技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號處理的準(zhǔn)確性及硬件擴(kuò)展的便利性，系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中依據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的原則，各層和各模塊之問相對獨(dú)立，使得系統(tǒng)在進(jìn)行擴(kuò)展和維護(hù)時(shí)，無需對所有模塊進(jìn)行修改。

圖5 軟件測試流程圖

測試系統(tǒng)人員需求少、工作強(qiáng)度低、測試時(shí)間短、信息化程度高，將提高部隊(duì)裝備自動化、信息化水平，提高測試精度和可靠性，減少人力資源需求，降低工作強(qiáng)度，有利于提高部隊(duì)的保障能力及作戰(zhàn)能力。按照本方案設(shè)計(jì)的測試系統(tǒng)可以滿足測試需求。

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