基于虛擬儀器的裝備ATS系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計與實現(xiàn)

湯宮民，劉福軍，湯瀟奕，梁清果，喬晉崴

（1.中國人民解放軍72465部隊，濟(jì)南　250022；2.華中師范大學(xué)，武漢　430079）

基于虛擬儀器的裝備ATS系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計與實現(xiàn)

湯宮民1，劉福軍1，湯瀟奕2，梁清果1，喬晉崴1

（1.中國人民解放軍72465部隊，濟(jì)南250022；2.華中師范大學(xué)，武漢430079）

在對現(xiàn)有維修檢測設(shè)備存在不足分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合武器裝備的維修技術(shù)保障需求，利用分塊設(shè)計思想，采用虛擬儀器、人工智能、計算機通訊與控制等技術(shù)，搭建了基于虛擬儀器的裝備自動測試系統(tǒng)硬件平臺整體架構(gòu)，在對系統(tǒng)各功能模塊原理進(jìn)行分析之后，對系統(tǒng)主控電路、電磁兼容性進(jìn)行了設(shè)計；采用虛擬儀器的裝備自動測試系統(tǒng)硬件平臺，具有智能化、通用化、可視化的特點，通過試驗結(jié)果分析，測試系統(tǒng)硬件平臺能夠?qū)崿F(xiàn)裝備的性能檢測和故障診斷，測試數(shù)據(jù)符合任務(wù)要求，能滿足各級修理機構(gòu)維修測試需求。

虛擬儀器；自動測試系統(tǒng)；硬件平臺；模塊化設(shè)計；人工智能

0　引言

隨著新型武器裝備陸續(xù)裝備部隊，其技術(shù)越來越先進(jìn)，具有的功能越來越強，系統(tǒng)構(gòu)成的復(fù)雜性和集成度越來越高，大大增加了武器裝備的技術(shù)保障難度。早期開發(fā)的裝備維修檢測設(shè)備由于受歷史條件的限制，存在著設(shè)備分散、功能單一、智能化程度低、通用性、實用性不高等問題，不能滿足對新型武器裝備保障的需要，尤其不能適應(yīng)武器裝備的系統(tǒng)性、通用性和快速維修保障的要求，影響部隊?wèi)?zhàn)斗力的形成。

結(jié)合裝備性能檢測和故障診斷的特點，采用了虛擬儀器［1］、計算機通訊及控制、人工智能［2］、智能并口擴(kuò)展［3］、模塊設(shè)計［4］、多口RAM［5］等多種先進(jìn)技術(shù)。該系統(tǒng)涵蓋了部隊武器裝備修理技術(shù)規(guī)程的內(nèi)容要求，可以完成現(xiàn)行維修體制中的主要修理任務(wù)。

1　系統(tǒng)架構(gòu)與原理

基于虛擬儀器的裝備ATS硬件平臺整體架構(gòu)如圖1所示，主要有自動量程多用表、16路數(shù)據(jù)采集分析儀、100 M采樣雙蹤示波器/100 M采樣雙蹤頻譜分析儀、1 G頻率計/1 G計數(shù)器、函數(shù)信號源和實驗穩(wěn)壓電源組成。

1.1自動量程多用表

自動量程多用表電路由電壓/電流/電阻的輸入衰減電路、自動量程電路、交直流轉(zhuǎn)換電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路組成。在CPU的控制下，將交流信號經(jīng)交直流轉(zhuǎn)換電路變?yōu)橹绷餍盘枺瑢⑤斎氲碾妷?電流/電阻的信號經(jīng)自動量程電路變成模數(shù)轉(zhuǎn)換電路所需的電平，從雙積分電路輸出的數(shù)據(jù)直接送主板的雙口RAM電路，在軟件的支持下實現(xiàn)與系統(tǒng)計算機的通訊。其工作原理如圖2所示。

圖1　基于虛擬儀器的ATS硬件平臺架構(gòu)

圖2　自動量程多用表電路工作原理圖

工作時輸入的直流電壓、直流電流、交流電壓、交流電流和電阻值的模擬量經(jīng)過CPU控制的自動量程電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓，再經(jīng)過AC/DC電路轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的直流電壓，在CPU的控制下送入15位二進(jìn)制位精度的雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)后再送入雙口RAM，等候系統(tǒng)計算機的調(diào)用。

1.2數(shù)據(jù)采集分析儀

16路數(shù)據(jù)采集分析儀由外接電壓適配器、一次矩陣電路、整形電路、交流/直流轉(zhuǎn)換電路、脈沖/直流轉(zhuǎn)換電路、二次矩陣電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和單片機控制電路組成。

外接適配器將輸入的直流/交流/正脈沖/負(fù)脈沖信號變至+2 V的標(biāo)準(zhǔn)電平，經(jīng)整形和一次矩陣分配后進(jìn)入AC/DC或正負(fù)脈沖/直流轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)二次矩陣整合在一起，以直流電壓方式送模數(shù)轉(zhuǎn)換器，從雙積分模數(shù)電路輸出的數(shù)據(jù)直接送主板的雙口RAM電路，在軟件的支持下實現(xiàn)與系統(tǒng)計算機的通訊。工作原理如圖3所示。

在CPU的控制下，一次矩陣可以將輸入置于單16路輸入或雙8路差分狀態(tài)下。輸入一次矩陣的信號可以是+2 V以下的直流電壓、交流電壓、正向脈沖、負(fù)向脈沖，最窄捕捉寬度大于10ns。對于±2 V以上的電壓，由適配器予以衰減，衰減量在-20～-60 dB之間，適配器還可將小信號放大到要求的電平，增益在20～60 dB之間。

圖3　虛擬數(shù)據(jù)采集分析儀工作原理圖

對具體裝備確定的檢測點一次不超過16路，經(jīng)專用適配器過濾后送入一次矩陣電路，經(jīng)一次矩陣電路的甄別后確定信號性質(zhì)，分別送入AC/DC和脈沖轉(zhuǎn)換電路，再經(jīng)二次矩陣電路整合，整形送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器形成數(shù)據(jù)，在CPU的控制下送入雙口RAM，等候系統(tǒng)計算機的調(diào)用。

1.3100 M采樣雙蹤示波器電路/100 M采樣雙蹤頻譜分析儀

示波器由A、B兩路輸入端口電路、信號前置處理電路、程控增益控制電路、高速模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、CPU控制電路、雙口RAM電路、單片機控制電路等組成。在軟件的支持下實現(xiàn)與系統(tǒng)計算機的通訊。工作原理框圖如圖4所示。

工作時信號由A/B通道同時或分時采入，經(jīng)前置處理電路和程控增益放大器后再送入高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器量化為數(shù)字信號，兩路的CPU獲取數(shù)據(jù)后送入雙口RAM數(shù)據(jù)存儲器，并發(fā)出指令讓系統(tǒng)計算機讀取。系統(tǒng)計算機從并行口分時取得的數(shù)據(jù)經(jīng)過計算就可在LCD上顯示虛擬波形和數(shù)字。

為了提高交換速度，系統(tǒng)的并行口必須設(shè)置為EPP方式［6］。EPP口與負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的CPU之間通訊是通過雙口RAM進(jìn)行的，這個雙口RAM具有兩組數(shù)據(jù)線，地址和讀寫控制線，一組指向主板CPU，另一組指向系統(tǒng)計算機EPP口，這使得系統(tǒng)計算機/主板CPU之間的通訊速度大大提高，為示波器顯示高頻波形提供了必要條件。

圖4　虛擬示波器工作原理框圖

EPP雙通道虛擬示波器在CPU的控制下將兩路數(shù)據(jù)綜合處理，可以形成李沙育圖形，邏輯分析儀、頻譜分析儀，在相應(yīng)的界面上顯示，成為有效的分析工具。

1.4頻率計/計數(shù)器

1 G頻率計/計數(shù)器主要由高阻抗輸入電路、A通道10分頻電路、B通道256分頻電路、整形電路、高速計數(shù)模塊和單片機控制電路組成。在CPU控制下，將輸入的信號進(jìn)行整形成標(biāo)準(zhǔn)脈沖，時鐘控制高速計數(shù)器工作。由計數(shù)器的時鐘與總個數(shù)的關(guān)系，即可計算出信號頻率。在軟件的支持下實現(xiàn)與系統(tǒng)計算機的通訊。工作原理框圖見圖5。

圖5　1G頻率計/計數(shù)器工作原理框圖

由A/B傳感器采入的正弦和脈沖信號分別經(jīng)各自的分頻器和整形電路送入高速計數(shù)模塊產(chǎn)生數(shù)據(jù)，在CPU的控制下送入雙口RAM，等候系統(tǒng)計算機的調(diào)用。

1.5DDS函數(shù)信號源［7］

函數(shù)信號源由輸出電路、幅度調(diào)節(jié)電路、濾波電路、DDS模塊、雙口RAM及單片機控制電路等組成。其中DDS模塊有3個組成部分：第一部分是一個32位的相位累加器，一個余弦/正弦表，一個D/A轉(zhuǎn)換器，一個相位和兩個幅度寄存器組成的可編程數(shù)字合成系統(tǒng)；第二部分是用于設(shè)置工作模式的一個命令寄存器和幅度調(diào)制單元；第三部分是串行/并行接口及控制電路，用來對寄存器進(jìn)行寫入修改。

DDS芯片的內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能10位DAC、與CPU并行口通訊的電路，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時鐘發(fā)生器，外接精密時鐘即可產(chǎn)生頻率、相位、幅度均可調(diào)的正弦波。獲取了命令的DDS模塊輸出的正弦波經(jīng)濾波后一路直接輸出，另一路經(jīng)高速比較器產(chǎn)生方波輸出。函數(shù)信號源工作原理框圖如圖6所示。

圖6　工作原理框圖

由系統(tǒng)計算機控制將余弦/正弦表中的數(shù)據(jù)經(jīng)過可編程數(shù)字合成系統(tǒng)和幅度調(diào)制單元，實現(xiàn)信號的相位、幅度、頻率等參數(shù)的程序控制。D/A轉(zhuǎn)換器將信號的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成實際模擬信號，通過串行/并行接口及控制電路輸入到測試要求的響應(yīng)激勵接口。

1.6實驗穩(wěn)壓電源

實驗穩(wěn)壓電源由調(diào)整模塊、濾波電路和D/A轉(zhuǎn)換電路組成，由CPU控制輸出電壓幅度，通過濾波和D/A轉(zhuǎn)換獲得± 2.5～±12.5之間幅度任意調(diào)整的直流電壓。在軟件的支持下實現(xiàn)與系統(tǒng)計算機的通訊。工作原理框圖如圖7所示。

圖7　實驗電源工作原理框圖

來自系統(tǒng)計算機的指令，經(jīng)過兩個D/A轉(zhuǎn)換器，分別送入正負(fù)幅度調(diào)節(jié)電路，并對來自系統(tǒng)計算機的指令鎖存，保持上次輸出值直到再次讀入系統(tǒng)計算機的指令，才刷新輸出。

2　系統(tǒng)設(shè)計

2.1虛擬儀器結(jié)構(gòu)

目前應(yīng)用廣泛的虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)VISA［8］，是一種用于虛擬儀器的標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出應(yīng)用編程技術(shù)，它是一種調(diào)用低級驅(qū)動程序的高級應(yīng)用編程接口，本身不提供儀器的程控能力。

VISA技術(shù)常用的接口方式有以下幾種：ISA，PAR，VXI，GPIB，PXI，USB，1394和BLU。其中GPIB，VXI，PXI方式適合大型高精度集成系統(tǒng)，而ISA，USB，PAR，1394方式適合于小型綜合檢測系統(tǒng)。

虛擬儀器關(guān)鍵技術(shù)在于VISA控制技術(shù)，其分層結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8　VISA技術(shù)的分層結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)前基于VXI總線開發(fā)的檢測診斷系統(tǒng)，主要應(yīng)用于大型高精度集成系統(tǒng)，而基于PCI總線開發(fā)的檢測診斷系統(tǒng)的應(yīng)用對象是雷達(dá)整機，以在線檢測方式實現(xiàn)故障診斷。我們通過對國內(nèi)外測試儀器發(fā)展趨勢及軍用測試設(shè)備開發(fā)情況的深入研究，選用數(shù)據(jù)吞吐能力強、連接方便的并行口作為主選接口，采用智能并口擴(kuò)展方式連接虛擬儀器群，構(gòu)成硬件開發(fā)平臺。這種系統(tǒng)構(gòu)成模式不受系統(tǒng)計算機設(shè)備限制，通過軍網(wǎng)可實現(xiàn)遠(yuǎn)程維修技術(shù)支援，且可以方便的和已推廣的其他檢測診斷系統(tǒng)兼容，構(gòu)成功能更為強大的系統(tǒng)。

2.2主控制電路

主控制電路設(shè)計在一塊電路板上，主要由并口擴(kuò)展管理CPU、數(shù)據(jù)處理CPU及其外圍電路組成，具有良好的溫度一致性和合理的電磁分布。其作用是將虛擬儀器檢測平臺及程控激勵平臺必需的硬件電路與系統(tǒng)計算機連接，實現(xiàn)全數(shù)字化信息交換。主板CPU還擔(dān)負(fù)著對量化后數(shù)據(jù)進(jìn)行分類、排序、計算、存貯的功能。

另外，主板產(chǎn)生+12 V、+5 V兩組直流穩(wěn)壓電源供各功能電路使用，紋波抑制比高達(dá)60 d B，儲備功率充足，允許整機連續(xù)工作。多片CPU和大量的數(shù)據(jù)使原來就擁擠的并行口無法進(jìn)行正常通訊，經(jīng)過大量實驗，本系統(tǒng)采用了多口RAM處理技術(shù)和軟件數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)，使得擴(kuò)展并行口通訊順暢，整個儀器的實時性得到較好的保證。其框圖如圖9所示。

圖9　主控電路工作原理框圖

2.3電磁兼容性設(shè)計

系統(tǒng)針對武器裝備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，頻率高、發(fā)射功率大，容易產(chǎn)生干擾的特點，在硬件設(shè)計中，應(yīng)用渦流效應(yīng)的電磁屏蔽機理［9］，采用良導(dǎo)體金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁兼容性設(shè)計，有效地屏蔽了雷達(dá)、導(dǎo)彈等復(fù)雜電子武器裝備產(chǎn)生的高頻電磁場對系統(tǒng)工作的干擾。針對被測信號類型的多樣性、信號間產(chǎn)生的串?dāng)_、信號與公共地線阻抗形成的干擾，系統(tǒng)分別采用隔離、濾波、地線分組敷設(shè)技術(shù)，抑制了共地產(chǎn)生的干擾，提高了系統(tǒng)的屏蔽效能。

3　試驗結(jié)果與分析

本系統(tǒng)硬件平臺已經(jīng)成功應(yīng)用于裝備維修測試中，可完成軍械電子裝備分系統(tǒng)（組合）的維修檢測與故障診斷。根據(jù)系統(tǒng)整體架構(gòu)連接好的硬件系統(tǒng)，本文研究的硬件平臺主要包括多用表、數(shù)采分析儀、采樣頻譜分析儀、頻率計/計數(shù)器、函數(shù)信號源和實驗穩(wěn)壓電源，數(shù)字多用表測量直流電壓量程從5～750 V，數(shù)采分析儀適配器放大2 V小信號的增益為34.6 dB，雙蹤示波器帶寬滿足測量要求，實驗穩(wěn)壓電源可輸出-2.5～-12.5 V的負(fù)電壓和+2.5～+12.5的正電壓。

從運行試驗結(jié)果可見，平臺各功能模塊能夠滿足裝備測試和維修要求，并提供裝備維修檢測所需的激勵信號。系統(tǒng)平臺運行穩(wěn)定、良好，滿足設(shè)計要求，目前已成功于軍械裝備分機（組合）的維修檢測、故障診斷，

4　結(jié)束語

本文根據(jù)裝備特點和發(fā)展趨勢，著眼裝備維修保障需求，利用虛擬儀器技術(shù)、計算機技術(shù)，采用模塊化設(shè)計［10］思想，設(shè)計了一種基于虛擬儀器的裝備自動測試系統(tǒng)硬件平臺，并用以實現(xiàn)對裝備的性能檢測和故障診斷，滿足各級修理機構(gòu)維修設(shè)備需求。

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Design and Implementation of Equipment ATS Hardware Platform Based on VI

Tang Gongmin1，Liu Fujun1，Tang Xiaoyi2，Liang Qingguo1，Qiao jinwei1
（1.72465 Unit of the PLA，Jinan250022，China；2.Central China Normal University，Wuhan430079，China）

Combining with the security requirements of equipment maintenance tecnoiogy，using modular design thought，the article employed the technology of virtual instrument，artificial intelligence and computer communication and control，designed the hardware platform architecture of equipment automatic test system based on virtual instrument.After analyzing each function module principles，the paper designs the system main controled circuit and electromagnetic compatibility.The results indicate the system platform realizes the equipment performance test and fault diagnosis，and the test datas conform to the task requirments.The platform can satisfy the maintenance requirements for all levels repair departments.

virtual instrument（VI）；automatic test system（ATS）；hardware platform；modular design；artificial intelligence

1671-4598（2016）05-0005-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.05.002

TP274

A

2015-09-27；

2015-12-07。

湯宮民（1968-），男，山東萊陽人，碩士，工程師，主要從事復(fù)雜裝備陽的測試性、維修性與故障診斷、測試計量等方向的研究。