智能適配技術(shù)的導(dǎo)彈通用測試系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計*

顧彬彬，彭濤，邵云峰，馬曉東

(北京電子工程總體研究所，北京　100854)

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測試、發(fā)控技術(shù)

智能適配技術(shù)的導(dǎo)彈通用測試系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計*

顧彬彬，彭濤，邵云峰，馬曉東

(北京電子工程總體研究所，北京100854)

摘要：針對當(dāng)前導(dǎo)彈通用測試系統(tǒng)在裝備維護(hù)保障過程中出現(xiàn)的一些不足，提出了一種基于智能適配技術(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，采用現(xiàn)場可重構(gòu)技術(shù)實現(xiàn)智能適配器開關(guān)網(wǎng)絡(luò)及調(diào)理模塊設(shè)計，并進(jìn)行了測試系統(tǒng)安全性設(shè)計，大幅提高了導(dǎo)彈測試系統(tǒng)的通用化水平及測試效率。

關(guān)鍵詞：智能適配器；通用測試系統(tǒng)；優(yōu)化；可重構(gòu)；裝備保障；開關(guān)網(wǎng)絡(luò)

0引言

隨著導(dǎo)彈武器裝備在未來實戰(zhàn)中的地位日益突出，裝備導(dǎo)彈的型號越來越多，為保證武器裝備的戰(zhàn)斗力，通用測試系統(tǒng)已逐漸成為部隊導(dǎo)彈測試維護(hù)的重要工具，部隊對裝備維護(hù)保障特別是快速保障的需求也越來越強(qiáng)烈，對測試系統(tǒng)的設(shè)計和測試方法的實現(xiàn)提出了更高的要求。對于導(dǎo)彈測試裝備，不僅要求能夠安全、可靠、精確地對各種參數(shù)進(jìn)行測試，而且還要求實時、快速、方便地完成不同導(dǎo)彈的測試維護(hù)。

1測試系統(tǒng)現(xiàn)狀

接口適配器是導(dǎo)彈通用測試系統(tǒng)的重要組成單元，目前，成熟應(yīng)用的導(dǎo)彈通用測試系統(tǒng)均采用通用接口+專用適配器形式[1-2]，對于不同型號的導(dǎo)彈，采用各自不同的專用適配器及測試電纜，實現(xiàn)對導(dǎo)彈的各項測試，其體系架構(gòu)如圖1所示。接口適配器作為被測對象與通用測試系統(tǒng)的接口設(shè)備，是被測信號到測量儀器的中轉(zhuǎn)樞紐，承擔(dān)被測信號的調(diào)理、控制、通道分配等功能，能夠滿足通用測試系統(tǒng)測量多型號、多系列導(dǎo)彈時的大容量測試信號的接口需求。接口適配器由連接在通用測試系統(tǒng)的通用接口及與被測對象連接的專用適配器等組成，如圖2所示。

針對多型號導(dǎo)彈的測試需求，現(xiàn)役導(dǎo)彈通用測試設(shè)備均配備了相對應(yīng)各型導(dǎo)彈的專用適配器，此工作模式存在以下不足：

(1) 接口適配器與儀器資源之間線纜繁多，被測信號傳輸途徑復(fù)雜，易受干擾。

(2) 隨著裝備導(dǎo)彈型號的增加，專用適配器數(shù)量也會相應(yīng)增加，給部隊的使用維護(hù)及裝備成本帶來較大壓力。

(3) 在變更導(dǎo)彈型號測試任務(wù)時，需要人工更換專用適配器，該現(xiàn)象會在導(dǎo)彈裝備數(shù)量增多時更加明顯，不符合實際作戰(zhàn)時多型號導(dǎo)彈快速維護(hù)保障的需要。

(4) 導(dǎo)彈的主要測試流程分為火工品測試、無源導(dǎo)通測試、加電測試這3個步驟，出于對被測導(dǎo)彈安全性考慮，這3個步驟工作均采用獨立的測試設(shè)備和測試電纜完成，每一步操作之間均需要人工更換電纜連接導(dǎo)彈與不同的測試設(shè)備，給日常的使用操作，特別是裝備部隊后的戰(zhàn)勤維護(hù)帶來一定的困難。

在現(xiàn)有通用測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，研究了一種基于智能適配技術(shù)的導(dǎo)彈通用測試系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，有效地解決了以上問題。

2智能適配技術(shù)

智能適配技術(shù)是基于FPGA(fieldprogrammablegatearray)可重構(gòu)技術(shù)[2-4]基礎(chǔ)上的一種接口適配技術(shù)，在成熟的通用接口適配技術(shù)基礎(chǔ)上，將兩者相結(jié)合，應(yīng)用于導(dǎo)彈測試，能夠進(jìn)一步提高導(dǎo)彈測試的通用化和智能化水平。

圖1　現(xiàn)有通用測試系統(tǒng)體系架構(gòu)Fig.1　Architecture of universal automatic test system

圖2　接收器及專用適配器Fig.2　Receiver and special adapter

FPGA可重構(gòu)技術(shù)可分為靜態(tài)可重構(gòu)和動態(tài)可重構(gòu)[5]2種。基于SRAM(StaticRAM)結(jié)構(gòu)的常規(guī)FPGA僅能支持靜態(tài)重構(gòu)功能，重構(gòu)必須在中斷程序運行的情況下進(jìn)行。目前，工程應(yīng)用中常用的基本上都是這類FPGA。FPGA動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)是指基于特殊結(jié)構(gòu)FPGA，在一定條件下，不但能夠?qū)嵤┫到y(tǒng)重新配置，而且能夠在系統(tǒng)層面動態(tài)重構(gòu)電路邏輯，即在FPGA運行過程中，將其內(nèi)部的全部或部分邏輯資源進(jìn)行重新配置進(jìn)而實現(xiàn)FPGA邏輯功能的動態(tài)切換和時分復(fù)用，而不終止器件的運行，具有較高的利用效率，另外，在FPGA運行的過程中，可關(guān)閉無關(guān)邏輯功能區(qū)域，降低能耗。目前，該技術(shù)還僅處于實驗室研究階段，未進(jìn)入工程應(yīng)用。因此，在智能適配器中現(xiàn)在可優(yōu)先應(yīng)用的是靜態(tài)可重構(gòu)方式，當(dāng)測試與故障診斷等功能進(jìn)一步結(jié)合發(fā)展后，將需要動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)的加入。

采用FPGA重構(gòu)方式，設(shè)計開關(guān)網(wǎng)絡(luò)[2,6-7]，根據(jù)需要確定合適的信號通道，并實施冗余及容錯設(shè)計，確保在某個通道出現(xiàn)故障時，不需要更換硬件，只需要現(xiàn)場重新配置即可。

在導(dǎo)彈測試時，不同型號導(dǎo)彈信號需要的調(diào)理方式會有差異，通過加載不同的配置文件對調(diào)理電路進(jìn)行重新配置，進(jìn)而實現(xiàn)調(diào)理功能重構(gòu)，使智能適配器具備不同的信號調(diào)理功能。

智能適配器體系框圖見圖3。

智能適配器覆蓋現(xiàn)有接口適配器的全部信號類型，并具備相應(yīng)的信號通道管理及信號調(diào)理功能。能夠?qū)?dǎo)彈測試需要的低頻模擬信號、數(shù)字通訊信號、輸入輸出開關(guān)量信號、大功率信號等類型的信號進(jìn)行分類管理[8]，根據(jù)不同的測試需求，通過相應(yīng)的開關(guān)通道接入多用表、示波器、AD轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字通訊模塊、電源等測試儀器設(shè)備，或先接入相應(yīng)的調(diào)理模塊，再接入對應(yīng)的測試儀器。信號調(diào)理功能主要包括信號幅值變換、信號隔離、信號匹配、開關(guān)量輸入輸出等。

圖3　智能適配器架構(gòu)Fig.3　Architecture of intelligent adapter

3智能適配器設(shè)計

3.1開關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

開關(guān)網(wǎng)絡(luò)是實現(xiàn)測試資源配置的重要手段，構(gòu)建測試點與測試儀器之間的信號通道[9]。智能適配器中開關(guān)網(wǎng)絡(luò)在重構(gòu)后可分成固定通道和可切換通道，固定通道是在測試過程中狀態(tài)保持不變的開關(guān)通道，可切換通道是在測試過程中可根據(jù)指令進(jìn)行通斷切換的開關(guān)通道，兩者功能在重構(gòu)時可相互轉(zhuǎn)換。通過開關(guān)通道的分層映射，如圖4所示，實現(xiàn)了面向信號的測試配置方法。

圖中，對于測試點，首先根據(jù)信號功能，如幅值變換、隔離、阻抗匹配或不需要變換等，進(jìn)行一次映射，分別進(jìn)入不同的功能電路接口；信號經(jīng)過功能電路處理后，再根據(jù)信號特性，如電壓、電流、阻抗、時序等，進(jìn)行二次映射，并與儀器功能匹配，進(jìn)入相應(yīng)的儀器端口。示例如表1。

該映射關(guān)系表是實施開關(guān)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的唯一依據(jù)。

圖4　開關(guān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架Fig.4　Architecture of switch network

序號測試點測試點描述中間接口信號描述儀器接口1A1穩(wěn)態(tài)電壓,增益為10[Bi3,Bo3]穩(wěn)態(tài)電壓,幅值5VC102A2驅(qū)動電流8～10mA[Bi1,Bo1]0～5V跳變C43A3電阻,不處理[Bi6,Bo6]電阻C10……

3.2彈型識別實現(xiàn)

被測導(dǎo)彈的彈型自動識別是實現(xiàn)智能適配的重要前提，現(xiàn)在有3種實現(xiàn)途徑：

(1) 人工輸入

現(xiàn)在導(dǎo)彈測試時使用的手段，由操作人員確定導(dǎo)彈型號并輸入。該信息在現(xiàn)在導(dǎo)彈測試時不作為任何判別依據(jù)，僅作為測試輔助數(shù)據(jù)信息，所有操作由人來控制執(zhí)行。在使用智能適配器時，可以將此信息作為依據(jù)指導(dǎo)智能適配器的配置更新。

(2) 在電纜內(nèi)設(shè)置特征電阻

在使用專用適配器時，其內(nèi)部根據(jù)彈型設(shè)置相應(yīng)的特征電阻[10-11]。導(dǎo)彈測試時，首先對特征電阻進(jìn)行檢查，如與型號設(shè)定值不符，則給出錯誤提示。使用智能適配器時，可在測試電纜中設(shè)置特征電阻，在導(dǎo)彈測試過程中進(jìn)行檢查，但該方法對于系列型號導(dǎo)彈共用測試電纜時無法適用。

(3) 導(dǎo)彈設(shè)置電子標(biāo)簽(radiofrequencyidentification，RFID)

在導(dǎo)彈外部設(shè)置電子標(biāo)簽(RFID)，導(dǎo)彈測試前，測試系統(tǒng)利用射頻非接觸方式讀取電子標(biāo)簽內(nèi)容，自動獲取導(dǎo)彈型號。與傳統(tǒng)的識別技術(shù)相比，電子標(biāo)簽具有讀取速度快、無接觸交換數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)可加密、存儲容量大、可修改存儲信息等優(yōu)點[12-14]，已廣泛應(yīng)用于民用市場，并可作為導(dǎo)彈電子履歷使用。測試系統(tǒng)自動獲取的導(dǎo)彈信息，可直接用于指導(dǎo)智能適配器的配置更新。

最適合智能適配器發(fā)揮效能的是第3種方式，但由于導(dǎo)彈現(xiàn)狀的限制，在不具備電子標(biāo)簽功能的情況下，可先采用第1種方式進(jìn)行。

3.3軟件設(shè)計

將智能適配器的自動重構(gòu)功能與綜合測試軟件平臺分層設(shè)計，智能適配器軟件安裝于控制器中，執(zhí)行彈型識別、匹配、重構(gòu)及自檢，直接對FPGA等硬件操作，在測試過程中執(zhí)行信號通道切換，并與測試軟件平臺進(jìn)行信息交換，測試平臺對智能適配器重構(gòu)過程進(jìn)行控制決策，對測試過程的信號通道進(jìn)行控制。整個軟件體系結(jié)構(gòu)如圖5。

圖5　軟件體系Fig.5　Architecture of software

圖中，測試軟件平臺是通過TCP/IP協(xié)議與適配器軟件進(jìn)行信息交互的，根據(jù)測試流程的執(zhí)行狀態(tài)及智能適配器的反饋信息，測試軟件平臺來確定是否需要對適配器功能進(jìn)行重構(gòu)，如果需要進(jìn)行重構(gòu)，就將新的配置文件發(fā)送給智能適配器，由其控制器通過編程接口直接對FPGA等固件外圍電路進(jìn)行功能重構(gòu)，同時，測試過程中，適配器軟件也可根據(jù)測試軟件平臺的指令對相應(yīng)信號與儀器資源之間的通道進(jìn)行切換。

3.4安全性設(shè)計

智能適配器中設(shè)計了狀態(tài)監(jiān)控功能，通過相關(guān)檢測電路，由控制器對配置完畢的適配器進(jìn)行功能自檢，并對開關(guān)網(wǎng)絡(luò)的切換狀態(tài)、調(diào)理電路的運行狀態(tài)及相關(guān)信號的安全狀態(tài)等均進(jìn)行實時監(jiān)控，對異常狀態(tài)設(shè)定不同的處理措施，如供電異常等緊急情況直接采取自動斷電措施，對一般異?，F(xiàn)象則可反饋至主控計算機(jī)進(jìn)行綜合判斷處理，另外，對適配器內(nèi)部運行狀態(tài)進(jìn)行實時記錄。

通過網(wǎng)絡(luò)接口，能夠?qū)崿F(xiàn)主控計算機(jī)或遠(yuǎn)程對智能適配器運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，并根據(jù)現(xiàn)場狀態(tài)開展相應(yīng)的解決措施。

4測試系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

4.1系統(tǒng)構(gòu)架優(yōu)化

充分利用智能適配技術(shù)的現(xiàn)場可自動配置、信號通道容量大、轉(zhuǎn)換靈活、狀態(tài)可控、安全性高等特點，設(shè)計了基于智能適配技術(shù)的導(dǎo)彈測試系統(tǒng)，通過智能適配器來對各個型號導(dǎo)彈測試信號進(jìn)行通道管理及信號調(diào)理，如圖6所示。

各型號導(dǎo)彈的輸入輸出信號均統(tǒng)一連接到智能適配器，智能適配器所有的信號通道及調(diào)理方式的選擇可通過主控計算機(jī)加載自動完成。

4.2測試方法優(yōu)化

導(dǎo)彈在技術(shù)陣地的測試一般分為火工品測試、無源導(dǎo)通測試、加電測試這3個步驟。其中，火工品測試由專用的火工品測試儀及火工品測試電纜完成；無源導(dǎo)通測試由專用的無源檢測裝置及導(dǎo)彈測試電纜完成；加電測試由主控計算機(jī)控制各激勵設(shè)備和測試儀器及導(dǎo)彈測試電纜完成。

利用智能適配技術(shù)，對導(dǎo)彈測試方法進(jìn)行優(yōu)化，將導(dǎo)彈測試過程中的這3個獨立步驟，有效地融合成一體化測試流程，見圖7。

該優(yōu)化測試方法不改變導(dǎo)彈現(xiàn)有的測試流程，但在實現(xiàn)方法上進(jìn)行了優(yōu)化升級，主要體現(xiàn)在以下4個方面：

(1) 采用統(tǒng)一的導(dǎo)彈測試電纜，在導(dǎo)彈測試過程中無需更換任何電纜。

(2) 在測試流程開始時，首先通過彈型自動識別，自動判斷智能適配器配置文件版本、測試電纜及被測對象的狀態(tài)吻合情況，如果與當(dāng)前導(dǎo)彈型號不吻合， 則先通過主控計算機(jī)控制智能適配器進(jìn)行配置更新或給出相應(yīng)提示，直到相關(guān)設(shè)備狀態(tài)連接一致，并通過自檢后，才可進(jìn)行后續(xù)測試。

圖6　導(dǎo)彈測試系統(tǒng)優(yōu)化結(jié)構(gòu)Fig.6　Optimized architecture of missile test system

圖7　導(dǎo)彈測試方法優(yōu)化Fig.7　Optimization of missile test method

(3) 取消測試系統(tǒng)中相對比較專用的火工品測試儀和無源檢測裝置，利用測試系統(tǒng)現(xiàn)有的多用表資源開展相關(guān)測試，節(jié)省設(shè)備成本。通過智能適配器中配置的不同測量通道，將導(dǎo)彈火工測試信號、無源檢測信號、加電測試信號分別連接到不同的測試儀器資源，并完成相應(yīng)的信號調(diào)理，實現(xiàn)各步驟無縫對接自動測試。在這過程中，所有的信號通道的選擇均自動完成，不再需要人員介入。

(4) 不再配備各型導(dǎo)彈專用適配器，多型導(dǎo)彈測試時也不需要更換專用適配器。

該測試方法中，采用通用測試資源(數(shù)字多用表及開關(guān)網(wǎng)絡(luò))自動完成導(dǎo)彈火工品測試和無源導(dǎo)通檢查，使得導(dǎo)彈火工品測試、無源導(dǎo)通與加電測試能夠統(tǒng)一實現(xiàn)。

同時，設(shè)計時對測試安全性進(jìn)行了多重考慮，主要在如下方面：

(1) 繼續(xù)采用現(xiàn)有的測試安全策略，按照火工品測試、無源導(dǎo)通測試、加電測試的順序開展導(dǎo)彈測試。

(2) 在開展測試前，首先通過彈型自動識別，自動判斷智能適配器配置文件版本，如不是當(dāng)前型號，則先進(jìn)行配置更新。

(3) 在智能適配器設(shè)計時，重點對火工品等關(guān)鍵信號接點與供電接點及地之間的絕緣檢查設(shè)計，保證供電安全性。

(4) 進(jìn)行火工品及無源導(dǎo)通測試時，確保工作電壓電流均處于要求的安全范圍，同時從火工品測試安全性考慮，在火工品測量通道中采用安全保證措施，保證任何情況下火工品兩端的電壓及電流均處于安全狀態(tài)，另外，在火工品測試完成后，由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)切斷導(dǎo)彈火工品接點與測試系統(tǒng)的連接。

(5) 在測試過程中對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并綜合各設(shè)備狀態(tài)特別是智能適配器狀態(tài)進(jìn)行統(tǒng)一分析管理，采取相應(yīng)措施。

5結(jié)束語

目前，導(dǎo)彈測試時需要配備多型號專用適配器，且人工參與操作較多，給裝備保障帶來不便，針對以上不足，基于智能適配技術(shù)，對測試系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，取消了專用適配器，進(jìn)一步提高了導(dǎo)彈測試系統(tǒng)的通用化程度，并大幅提高了導(dǎo)彈測試保障效率。

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Optimization Design of Missile Universal Automatic Test SystemBasedonIntelligentTestUnitAdapter

GU Bin-bin, PENG Tao, SHAO Yun-feng, MA Xiao-dong

(Beijing Institute of Electronic System Engineering, Beijing 100854,China)

Abstract:Aiming at disadvantages of missile universal automatic test system (ATS) during equipment support, an optimization design method based on intelligent adapter is formed. The reconfigurable technology is applied to the switch network and modulates circuit in intelligent adapter, and system security is also mentioned, the research can be helpful for improving the universalization level and test efficiency of ATS.

Key words:intelligent adapter; universal test system; optimization; reconfiguration; equipment support; switch network

*收稿日期：2015-08-18；修回日期：2015-10-08

基金項目：有

作者簡介：顧彬彬(1981-)，男，江蘇南通人。高工，碩士，研究方向為導(dǎo)彈通用測試系統(tǒng)設(shè)計。

通信地址：100854北京142信箱30分箱E-mail：gubinbin116@126.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.03.027

中圖分類號：TJ768.3；TB114.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2016)-03-0171-08