基于混合總線的裝甲車輛實車綜合測試系統(tǒng)設計

楊 誠，宋 萍，彭文家，金昊龍，潘志強

(1.北京理工大學 仿生機器人與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京 100081；2.中國北方車輛研究所，北京 100072；3.中國儀器進出口(集團)公司，北京 100041 )

0 引 言

當前，用于裝甲車輛試驗的測試系統(tǒng)已經(jīng)有了較快的發(fā)展，西北工業(yè)大學設計了針對導彈裝甲車輛行駛平順性的測試系統(tǒng)[1];華南理工大學設計了針對車輛輪荷的測試系統(tǒng)[2]；湖南大學研究了針對混合動力客車的測試系統(tǒng)[3]；裝甲兵工程學院設計了針對柴油機狀態(tài)評估、蓄電池特性、駕駛員操作穩(wěn)定性等多種測試系統(tǒng)[4-6]。但是這些系統(tǒng)對于整車的動態(tài)測試仍然存在局限性：一方面，在系統(tǒng)設計上，這些測試系統(tǒng)主要是針對車輛的單個系統(tǒng)或部件進行設計，且大多應用于整車、分系統(tǒng)或部件樣機的臺架試驗中，因此試驗測試結果往往無法真實、全面反映出裝甲車輛整車野外復雜惡劣工況下的實際情況，難以為車輛設計人員提供全面、可靠的設計依據(jù)；另一方面，在數(shù)據(jù)采集方式上，這些系統(tǒng)大部分采用有線采集方式，但是有線采集方式在車輛底盤扭桿、車輪等環(huán)境惡劣、空間狹小的部件上存在安裝、接線、維護等方面的困難，因此限制了測試系統(tǒng)的能力。

隨著無線技術的發(fā)展，基于無線傳感器網(wǎng)絡的分布式測試系統(tǒng)有效彌補了有線測試的不足，為車輛測試提供了一種新的手段[7-9]。通過使用有線和無線相混合的測試方法[10，11]能夠最大程度地結合兩者的優(yōu)勢，既能滿足裝甲車輛整車測試對于大數(shù)據(jù)量實時傳輸?shù)囊螅帜軡M足對某些特殊部件測試的靈活性要求。基于此，本文提出了一種基于混合總線的裝甲車輛網(wǎng)絡化實車綜合測試系統(tǒng)。整個系統(tǒng)以NI CompactRIO為基礎平臺，通過有線、無線、CAN總線3種測試方法對整車進行全參數(shù)數(shù)據(jù)采集，并針對測試參數(shù)多、測試數(shù)據(jù)采樣率不一致、數(shù)據(jù)量大等問題，提出了基于自適應數(shù)據(jù)緩存控制和基于最大采樣率的偽均勻采樣的數(shù)據(jù)流控制策略，從而使得系統(tǒng)能夠根據(jù)測試任務的配置要求，自動調(diào)整數(shù)據(jù)流處理方式，提高了系統(tǒng)資源利用率和處理速度，最終實現(xiàn)了測試數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、存儲和顯示。

1 測試需求分析與系統(tǒng)硬件設計

1.1 測試需求分析

本文設計的網(wǎng)絡化綜合測試系統(tǒng)是以裝甲車輛整車為測試對象，不僅待測參數(shù)超過220路，涉及車輛動力、傳動等多個分系統(tǒng)，而且由于待測信號類型的不同，采樣頻率也不一致，例如，對于加速度、振動、轉(zhuǎn)速等瞬變信號而言，采樣頻率一般在2.5 kHz，相比之下對于溫度、氣壓、流速等緩變信號的采樣頻率則通常不超過100 Hz?；谏鲜龇治觯Y合現(xiàn)有車輛的內(nèi)部構造，本文提出的綜合測試系統(tǒng)結合了有線、無線、CAN總線3種測試方法。其中，有線測試用于高頻信號的采集，無線測試用來解決線纜布設困難處的部件測試問題，CAN總線則是以現(xiàn)有車載CAN總線為基礎，不僅可以實現(xiàn)低頻信號的采集，還能有效降低研發(fā)成本，提高與車輛現(xiàn)有系統(tǒng)的結合，在綜合考慮了測試需求和系統(tǒng)實際布設情況后，整車測試參數(shù)信息如表1所示。

1.2 系統(tǒng)硬件設計

1.2.1 測試系統(tǒng)總體硬件架構

基于裝甲車輛的測試需求分析，設計了基于混合總線的綜合測試系統(tǒng)，系統(tǒng)架構如圖1所示。整個系統(tǒng)為3層架構，位于上層的是車載上位機，其作為整個測試系統(tǒng)的測控終端負責試驗測試任務管理、測試流程監(jiān)控、待測信號的實時觀測以及測試數(shù)據(jù)管理；位于中間層的是測試系統(tǒng)主機，其既需要與頂層的車載上位機之間進行通信，又需要控制底層信號調(diào)理節(jié)點的工作，完成數(shù)據(jù)的交互、解析、傳輸與存儲，是整個測試系統(tǒng)的核心；位于系統(tǒng)架構底層是分布于車輛各處，面向具體待測對象的采集調(diào)理節(jié)點，根據(jù)所采用的測試方法共分為有線信號調(diào)理節(jié)點、CAN采集節(jié)點、無線測試節(jié)點3類。

圖1 裝甲車輛實車綜合測試系統(tǒng)架構Fig.1 Architecture of armored vehicle test system

1.2.2 測試系統(tǒng)主機設計

從裝甲車輛綜合測試系統(tǒng)的架構可以看出：測試系統(tǒng)主機處于整個系統(tǒng)的核心位置，系統(tǒng)主機的可靠與否直接決定了底層信號調(diào)理節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)是否能夠完整且實時地進行存儲，同時也決定了上層測控終端是否能夠?qū)崟r、有效地對測試系統(tǒng)的運行進行控制。此外，裝甲車輛內(nèi)部結構復雜、空間狹小，除了行車過程中伴隨著振動和沖擊外，根據(jù)野外試驗測試環(huán)境的不同還存在熱區(qū)高溫或寒區(qū)零下溫度的工作環(huán)境?；谏鲜鎏攸c，本文設計了基于CompactRIO嵌入式采集平臺的測試系統(tǒng)主機，主機結構圖如圖2所示。

圖2 測試系統(tǒng)主機結構圖Fig.2 Structure of test system host

CompactRIO嵌入式采集平臺是NI公司生產(chǎn)的一款可重新配置的嵌入式開發(fā)平臺，相比于傳統(tǒng)的PXI和CPCI總線的測試平臺，具有體積小、寬溫、抗震性高的特點，能夠滿足裝甲車輛在各種惡劣條件下的測試要求。本系統(tǒng)在選型上配置了采用堅固型設計的cRIO 9025控制器和具備8槽可配置的cRIO 9118機箱。采集平臺配置了5個NI 9220和1個NI 9223共6個模擬量采集板卡，其與底層的有線信號調(diào)理節(jié)點相連，最大可實現(xiàn)84路有線信號的同步采集；1個NI 9853雙CAN口采集板卡，分別與CAN1和CAN2測試網(wǎng)絡的信號調(diào)理節(jié)點相連，分別接收CAN1和CAN2測試網(wǎng)絡中的信號采樣數(shù)據(jù)包。

如圖2所示，測試系統(tǒng)主機除CompactRIO嵌入式采集平臺外，還設計了無線網(wǎng)關模塊，其主要負責無線測試網(wǎng)絡與cRIO控制器之間的通信，包括組建無線測試網(wǎng)絡，下發(fā)控制指令給網(wǎng)絡內(nèi)各個無線測試節(jié)點，以及上傳無線測試節(jié)點采集的數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡交換機的主要功能是建立車載測控終端、cRIO控制器、無線網(wǎng)關之間的物理通信鏈路，實現(xiàn)命令的傳輸和數(shù)據(jù)的交換；而電源模塊的主要功能則是解決裝甲車輛車載電源質(zhì)量不高的問題，通過對電源的穩(wěn)壓、濾波處理，使其符合機箱內(nèi)部各個模塊的供電要求，進而保護各個模塊。

1.2.3 無線測試節(jié)點的設計

利用無線測試節(jié)點在裝甲車輛上進行數(shù)據(jù)采集需要重點解決兩個問題：一是小型化，由于車輛內(nèi)部空間狹小，所以節(jié)點體積必須能滿足待測部件所在環(huán)境的要求；二是數(shù)據(jù)傳輸速率需要滿足實車測試實時觀測以及離線數(shù)據(jù)深度分析的要求。

對于小型化問題，本文從硬件模塊選型、PCB布局、節(jié)點防護外殼結構等多個方面進行了綜合設計與集成，使得節(jié)點的體積控制在7.5 cm×5.5 cm×3 cm，能夠滿足底盤內(nèi)多種待測部件的環(huán)境要求。節(jié)點實物如圖3所示。

圖3 無線測試節(jié)點實物圖Fig.3 Picture of wireless sensor network test node

節(jié)點硬件模塊主要包括A/D模塊、FPGA主控制器、SDRAM、EPCS配置芯片、SD卡和無線模塊。其中FPGA為核心模塊，通過內(nèi)部采樣控制器控制A/D模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)經(jīng)FIFO緩存送到NIOS II軟核。NIOS II軟核借助SDRAM提供的運行空間和數(shù)據(jù)緩存空間，一方面將數(shù)據(jù)寫入SD卡；另一方面將數(shù)據(jù)發(fā)送至無線模塊。由于整個無線測試網(wǎng)絡是以Zigbee網(wǎng)絡協(xié)議為基礎構建的樹型拓撲結構，因此通過無線模塊可實現(xiàn)無線測試節(jié)點和網(wǎng)關間的組網(wǎng)、通信，進而完成測試數(shù)據(jù)的上傳和控制命令的接受。

數(shù)據(jù)傳輸速率問題一直是無線測試的短板，目前的商用無線測試節(jié)點通常僅用于溫度、壓力等低頻信號的采集，而對于加速度、力等高頻信號而言，受無線模塊傳輸帶寬影響，難以滿足實時傳輸?shù)囊?。而裝甲車輛底盤內(nèi)許多引線困難的部件都需要對高頻振動特性進行事后分析，為了解決該問題，本文為無線測試節(jié)點設計了一種基于雙緩存重采樣的傳輸策略，即，通過控制待測信號數(shù)據(jù)流的方式，一方面將完整信號數(shù)據(jù)存入SD卡內(nèi)進行本地存儲；另一方面則將重采樣的數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)關。無線測試節(jié)點數(shù)據(jù)流如圖4所示。

圖4 無線測試節(jié)點數(shù)據(jù)流Fig.4 Data flow of wireless sensor network test node

在該傳輸策略的控制下，節(jié)點通過FIFO和SDRAM組成的雙緩存，既可以實現(xiàn)對裝甲車輛底盤高頻信號的采樣和本地存儲，又可以充分利用無線模塊的帶寬，將等間隔取點后的降頻數(shù)據(jù)實時上傳。從而既滿足了頻域分析等需要高采樣率的要求，又滿足了測試人員實時觀測信號變化的要求。此外，為了提高SD卡的存儲速率，本節(jié)點使用VHDL語言設計了基于硬件模式的SD卡控制器來完成測試數(shù)據(jù)的存儲，使得SD卡的存儲速率達到2 Mbit/s，比傳統(tǒng)的基于軟件控制的方法有了很大提高。最終無線節(jié)點的最高采樣率可以達到1 Mbit/s。

2 測試系統(tǒng)的軟件設計

2.1 測控終端功能設計

測控終端作為裝甲車輛綜合測試系統(tǒng)的總控，需要對車輛試驗過程中待測信號的參數(shù)配置、待測信號的實時觀測、試驗數(shù)據(jù)的管理等進行實時控制。結合車輛測試的具體需求，本文對測控終端進行了如下4個功能界面的設計：試驗任務配置界面、信號實時觀測界面、試驗數(shù)據(jù)回放界面、試驗數(shù)據(jù)管理功能界面，界面具體設計如圖5所示。

圖5中，試驗任務配置界面主要用于信道參數(shù)的設置，提高了整個系統(tǒng)的任務適應性；信號實時觀測界面則可以提供待測信號波形的實時監(jiān)控；而試驗數(shù)據(jù)回放界面和試驗數(shù)據(jù)管理界面，主要用于試驗數(shù)據(jù)的處理。

2.2 CompactRIO的軟件設計

CompactRIO嵌入式采集平臺主要包括實時處理器和FPGA兩個部分，為上下兩層架構，具體如圖6所示。其中FPGA位于底層，主要負責各個I/O模塊的控制，包括有線測試網(wǎng)路中模擬量采集板卡的采樣頻率配置、CAN總線的波特率配置、CAN總線測試網(wǎng)絡中測試數(shù)據(jù)包的解析等。而實時處理器位于上層，是整個CompactRIO嵌入式采集平臺的核心，不僅需要控制底層FPGA的工作，還需要處理FPGA獲取的有線測試網(wǎng)絡與CAN總線測試網(wǎng)絡的采樣值，以及無線網(wǎng)關上傳的無線測試網(wǎng)絡的采樣值。此外，實時處理器還需保證試驗采樣數(shù)據(jù)的實時存儲，同時通過TCP/IP協(xié)議將各個信道采樣值及時上傳，以滿足測控終端進行信號實時觀測的需求。

圖5測試系統(tǒng)測控終端界面

Fig.5Interfaceofmeasuringandcontrollingterminal

圖6CompactRIO嵌入式采集平臺架構

Fig.6EmbeddedplatformarchitectureofCompactRIO

綜上可知，整個CompactRIO嵌入式采集平臺中實時控制器不僅工作任務繁多，而且數(shù)據(jù)處理量大?；诖耍鶕?jù)試驗測試過程中控制流程與數(shù)據(jù)處理流程，本文在軟件設計過程中采用了模塊化的設計概念，使各個軟件模塊分工明確，既保證了數(shù)據(jù)流得到及時的處理，又保證了實時控制器工作的有效進行。整個嵌入式采集平臺的軟件架構如圖7所示。

圖7 CompactRIO軟件架構Fig.7 Software architecture of CompactRIO

如圖7所示，底層FPAG劃分為有線采集控制模塊和CAN總線采集控制模塊，其中有線采集控制模塊負責配置6個模擬量采集模塊的通道使能情況與采樣頻率；CAN總線采集控制模塊則主要負責CAN數(shù)據(jù)幀的解析與總線波特率的設置。

實時控制器的程序根據(jù)功能共劃分為4個軟件模塊，其中無線模塊主要負責CompactRIO平臺與無線網(wǎng)關的數(shù)據(jù)交互，對來自無線測試網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)包進行解析與再封包，通過隊列發(fā)送給采集模塊；采集模塊是整個系統(tǒng)所采數(shù)據(jù)的集中處理中心，既需要從DMA FIFO中讀取來自FPGA的采樣值，又需要從隊列中提取來自無線模塊的數(shù)據(jù)包，并對所有數(shù)據(jù)進行整理分別發(fā)送至存儲模塊和通信模塊；存儲模塊則主要負責數(shù)據(jù)的實時存儲；通信模塊則主要負責與測控終端的通信工作，通過TCP協(xié)議一方面接受控制指令并下發(fā)至各個模塊，另一方面將經(jīng)采集模塊處理的數(shù)據(jù)上傳至測控終端用于實時顯示。

3 系統(tǒng)自適應數(shù)據(jù)流控制策略

裝甲車輛網(wǎng)絡化綜合測試系統(tǒng)是以整車作為測試對象，通過測試需求分析可知，不僅車輛的待測信號數(shù)多達220路，而且相當一部分信號的采樣頻率高達2.5 kHz，顯然整個測試系統(tǒng)需要具備實時處理如此龐大數(shù)據(jù)量的能力。車輛綜合測試系統(tǒng)運行時的采集數(shù)據(jù)流運行情況如圖8所示。從圖8可看出，有線測試網(wǎng)絡和CAN總線測試網(wǎng)絡的采集數(shù)據(jù)經(jīng)DMA FIFO上傳至實時控制器，無線測試網(wǎng)絡的采集數(shù)據(jù)則經(jīng)網(wǎng)線上傳至實時控制器，實時控制器內(nèi)部需要對來自不同測試網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)分別進行解析、封包、緩存、存儲和上傳。

因此，為了滿足測控終端的信號實時監(jiān)測功能和保證測試數(shù)據(jù)實時存儲的要求，本文制定了基于整個車輛綜合測試系統(tǒng)的自適應數(shù)據(jù)流控制策略，共包括自適應數(shù)據(jù)緩存控制和基于最大采樣率的偽均勻采樣兩個部分。

3.1 自適應數(shù)據(jù)緩存控制

本系統(tǒng)作為一個能滿足各型裝甲車輛的多用途測試系統(tǒng)，其需要滿足不同試驗測試任務的需求，而對于不同的試驗，除了待測信號類型存在差異外，信號數(shù)量也不盡相同。因此，在開展不同的試驗測試時，實時控制器所處理的數(shù)據(jù)總量就存在區(qū)別，而這一數(shù)據(jù)量變化也直接影響了系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和信號監(jiān)測的實時性。對數(shù)據(jù)存儲和信號監(jiān)測而言，其不可能滿足絕對意義上的實時性要求，在實現(xiàn)過程中均需要進行一定的數(shù)據(jù)緩存，將數(shù)據(jù)流按一定時間尺度(T)切割為多個數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊被處理后封裝為一個數(shù)據(jù)包，再用于后續(xù)的存儲與信號顯示。由此，本文提出的自適應數(shù)據(jù)緩存控制策略通過選擇恰當?shù)臅r間尺度和控制數(shù)據(jù)包的緩存來保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲和信號監(jiān)測的實時性要求。

圖8系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)流運行圖

Fig.8Testingdatastreamoftestsystem

3.1.1 時間尺度的確定

時間尺度T為一個預設值，它的選取主要兼顧兩個方面：一方面是對信號監(jiān)測而言，T值不能過大，T太大時，監(jiān)測界面信號更新慢，失去了實時觀測的意義；另一方面則是考慮數(shù)據(jù)存儲，T值不能過小，T太小時，寫入相同數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)時就需要多次打開數(shù)據(jù)文件，進而降低存儲效率，造成數(shù)據(jù)包累積。

結合車輛測試需求，本文在保證測試數(shù)據(jù)能夠可靠存儲的前提下，對不同測試網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流時間尺度T進行了如下選?。簩τ芯€測試網(wǎng)絡而言，其不僅采樣率高而且待測信號多，單位時間數(shù)據(jù)量最大，固將T值設置為0.5 s；而對CAN總線測試網(wǎng)絡而言，雖然通道數(shù)目多達145路，但是信號采樣頻率最高不超過100 Hz，且最低采樣頻率只有5 Hz，為了保證可以觀測出信號的大致趨勢，固將T值設為1 s；而對無線測試網(wǎng)絡，其單位時間數(shù)據(jù)量最小，但考慮其信號采樣率不低，在T值的選取上與有線測試網(wǎng)絡一樣同為0.5 s。

3.1.2 自適應數(shù)據(jù)包緩存控制

由數(shù)據(jù)流運行圖7可知，進行數(shù)據(jù)存儲時需要依次從不同測試網(wǎng)絡的緩存隊列中提取數(shù)據(jù)包進行處理，若按照輪詢存儲模式，那么每次打開文件均只能寫入一個數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)。由于不同測試網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)量存在較大差異，這將增加系統(tǒng)處理相同數(shù)量數(shù)據(jù)包時的文件開啟次數(shù)，降低數(shù)據(jù)存儲效率。因此，本文基于既定時間尺度制定了自適應數(shù)據(jù)包緩存控制策略，進而均衡單次寫入試驗數(shù)據(jù)存儲文件的數(shù)據(jù)量，提高數(shù)據(jù)存儲效率，控制策略如下：首先，根據(jù)式(1)分別計算出不同測試網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量Si(即時間尺度T內(nèi)的采樣值總數(shù))。隨后，以Si中的最大值Smax為基數(shù)由式(2)計算出緩存比例系數(shù)Ki，確定Smax與各S1之間的近似倍數(shù)關系。在確定緩存比例系數(shù)后，存儲軟件模塊從各測試網(wǎng)絡隊列中提取數(shù)據(jù)包時，只對Smax所屬的測試數(shù)據(jù)包進行實時存儲，而其他的測試數(shù)據(jù)包只有當隊列緩存?zhèn)€數(shù)達到對應的比例系數(shù)K時，才一次性進行存儲，從式(4)可以看出,每次寫入文件的數(shù)據(jù)量均近似相等。

(1)

Smax=max{S1,S2,…,Sn}

(2)

(3)

Smax≈Ki·Si

(4)

式中:Ti和Si為第i個測試網(wǎng)絡時間尺度和該尺度下的數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)量；fz為測試網(wǎng)絡中第z個信號的采樣頻率；Ki為第i個測試網(wǎng)絡的緩存比例系數(shù)。

在本文設計的測試系統(tǒng)中共包括有線、CAN總線、無線3個測試網(wǎng)絡，且根據(jù)確定的時間尺度可知，有線測試數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)量最大，進而可以由式(3)計算出有線測試數(shù)據(jù)包與CAN總線測試數(shù)據(jù)包、無線測試數(shù)據(jù)包的緩存比例系數(shù)K1、K2。在系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)存儲時，只有當CAN總線數(shù)據(jù)包緩存隊列中的數(shù)據(jù)包個數(shù)達到K1個，或者無線數(shù)據(jù)包緩存隊列中的數(shù)據(jù)包個數(shù)達到K2個時，才進行相關數(shù)據(jù)包的處理。在本系統(tǒng)中，有線測試數(shù)據(jù)包要遠大于CAN總線和無線測試數(shù)據(jù)包，因此通過該緩存控制策略不僅均衡了單次存儲的數(shù)據(jù)量，而且大大減少了文件的開關次數(shù)，提高了存儲效率。

3.2 基于最大采樣率的偽均勻采樣

在自適應緩存控制的過程中，每一個測試數(shù)據(jù)包中均包含了所屬測試網(wǎng)絡中所有信號的采樣值，但除了無線測試網(wǎng)絡外，無論是有線測試網(wǎng)絡還是CAN總線測試網(wǎng)絡，均存在信號采樣頻率不一致的問題，進而造成時間尺度T內(nèi)不同信號的采樣值數(shù)目不同。從圖8中可以看出，有線采集模塊和CAN采集模塊獲取的信號采樣值均通過DMA FIFO上傳至實時控制器。因此，實時控制器面臨如何快速地從順序排列的采樣數(shù)據(jù)流中解析出不同信號采樣值的問題。

針對上述問題，本文提出了基于最大采樣頻率的偽均勻采樣策略，即通過補充無效采樣值的方式，使得同一測試網(wǎng)絡中的所有信號在時間尺度內(nèi)的采樣值總數(shù)相同，就好像所有信號均是以相同的采樣頻率進行采樣一樣。策略的具體步驟實現(xiàn)如下：首先，根據(jù)式(5)得出測試網(wǎng)絡中最大的信號采樣頻率fmax；然后由式(6)和選定的時間尺度T可以確定補值基數(shù)N；再根據(jù)式(7)分別求出測試網(wǎng)絡內(nèi)各個信號的無效采樣值個數(shù)。

fmax=max{f1,f2，…，fn}

(5)

N=fmax·T

(6)

Di=(fmax-fi)·T

(7)

式中:fi為測試網(wǎng)絡中第i個待測信號的采樣頻率;N為補值基數(shù);Di為第i個待測信號一個時間尺度T內(nèi)需要補充的無效采樣值個數(shù)。

確定參數(shù)后，本文通過二級緩存的方式實現(xiàn)偽均勻采樣策略，將時間尺度內(nèi)各個信號采樣值有序?qū)懭隓MA FIFO中，為形象表示策略流程，本文通過一個包含3個信號的測試網(wǎng)絡示例進行說明。設測試網(wǎng)絡中3個信號通道的名稱分別CH1、CH2、CH3，對應采樣頻率分別為2、3、1 Hz，時間尺度T設為1 s，無效采樣值取0，由此可以算出N為3，策略流程示意圖如圖9所示。經(jīng)I/O口的數(shù)據(jù)先按信號采樣率分別緩存至對應的FIFO中，然后按照信號順序依次從各FIFO中提取數(shù)據(jù)寫入DMA FIFO，即按順序從圖9中的FIFO CH1～CH3中讀取采樣值，一次一個，當CH1～CH3中的有效值讀取完后，為使其采樣值數(shù)等于N，故用無效采樣值0補齊。由此，一個時間尺度內(nèi)的采樣值序列如圖9中DMA FIFO所示，實時控制器從DMA FIFO中讀取這9個采樣值后，僅需要進行一維數(shù)組重排轉(zhuǎn)換就可以形成圖中右下方顯示的二維數(shù)組，它的每一列就代表一個信號的采樣值且時序正確，而無效采樣值0均位于列尾，易于剔除。

圖9 策略流程示意圖Fig.9 Strategy process diagram

4 試驗驗證

4.1 試驗室試驗

4.1.1 驗證平臺的搭建

為了對車輛綜合測試系統(tǒng)進行功能性驗證，搭建了基于實驗室環(huán)境的試驗驗證平臺，試驗驗證平臺實物圖如圖10所示。位于圖10中間位置的是測試系統(tǒng)的主機和無線測試節(jié)點，測試系統(tǒng)主機外部為防護機箱，內(nèi)部有CompactRIO平臺、無線網(wǎng)關、電源模塊以及網(wǎng)絡交換機等組成部件；圖10右側為系統(tǒng)測控終端；圖10左側為基于PXI搭建的信號仿真平臺，其主體為PXIe-8135控制器和PXIe-1062Q八槽機箱。機箱共插有4塊板卡，其中兩塊PXIe-6358模擬量采集板卡作為有線測試網(wǎng)絡的信號源，而另外兩塊PXI-8512雙口高速CAN通信板卡，作為模擬的車載CAN節(jié)點為CAN測試網(wǎng)絡提供信號。對于無線測試網(wǎng)絡而言，采用信號發(fā)生器作為無線測試節(jié)點的信號源。

圖10 綜合測試系統(tǒng)試驗驗證平臺Fig.10 Test platform of integrated test system

4.1.2 信號源設計

在充分驗證車輛綜合測試系統(tǒng)功能的前提下，本文針對整個測試系統(tǒng)中的有線、CAN總線、無線測試網(wǎng)絡分別進行了信號源的設計。

其中，有線測試網(wǎng)絡的信號源由PXIe-6358模擬量采集板卡提供，通過分線盒將72路信號線均分為4組，分別與4個板卡I/O口相連，為了區(qū)分，板卡輸出信號分別采用2、4、8、10 V的正弦信號。而對于無線測試網(wǎng)絡而言，由于信號數(shù)目少，因此通過信號發(fā)生器單獨提供正弦信號。

CAN總線測試網(wǎng)絡包括CAN1和CAN2兩個測試網(wǎng)絡，其網(wǎng)絡拓撲結構如圖11所示。PXI平臺上的兩塊PXI-8512 CAN通信板卡共包含4個獨立的CAN通信I/O口，分別模擬4個車載節(jié)點，可以完全模擬車載環(huán)境下的CAN總線測試網(wǎng)絡工作狀態(tài)。

圖11 CAN總線拓撲結構Fig.11 Topological structure of CAN bus

由于CAN總線測試網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸需要滿足CAN通信協(xié)議才能實現(xiàn)，因此本文基于標準CAN2.0短幀格式，對用于傳遞信號采樣值的數(shù)據(jù)幀11位標識符和64位數(shù)據(jù)域進行了定義，如圖12所示。其中，11位標識符劃分為包類型號、數(shù)據(jù)包編號、節(jié)點號3個部分，用于區(qū)分數(shù)據(jù)包的源節(jié)點和所包含采樣值的信號名稱；而64位數(shù)據(jù)域的8個字節(jié)，按兩個字節(jié)一組進行劃分，用來存儲4個不同信號的采樣值。

圖12CAN數(shù)據(jù)幀的格式定義

Fig.12FormatdefinitionofCANdataframe

綜上所述，基于PXI的仿真平臺的信號控制界面如圖13所示。

圖13 仿真平臺控制界面Fig.13 Control interface of simulation platform

4.1.3 試驗驗證結果

本文在車輛綜合測試系統(tǒng)的試驗驗證過程中采用全網(wǎng)絡同步采集試驗，即同時開啟3個測試網(wǎng)絡對信號進行采集，試驗結果如圖14所示。在有線測試網(wǎng)絡的采集過程中，分別從4個信號I/O口對應的信號中各選取1路信號，所選實時信號的監(jiān)測結果如圖14(a)所示，可見有線測試網(wǎng)絡能夠如實反映出4個幅值不同的正弦信號；而對CAN總線測試網(wǎng)絡而言， CAN1采集網(wǎng)絡與CAN2采集網(wǎng)絡中4個模擬車載節(jié)點均以最小公倍時間200 ms為周期、常量數(shù)據(jù)包的形式發(fā)送信號采樣值, 其試驗驗證測試數(shù)據(jù)包的定義如表2

圖14 試驗結果Fig.14 Test results表2 CAN總線輸入信號Table 2 Input signalfrom CAN bus

節(jié)點信號頻率發(fā)送順序號D7～D0綜合信號采集節(jié)點ID:1546(50Hz)1～4,6～9010101015030303031004040404ID:1554～1570(20Hz)1,302020202203030303404040404ID:1578～1762(5Hz)104040404動力信號采集節(jié)點ID:1604(100Hz)1～4,6～9,11～14,16～1903030303030303035,10,15,2004040404ID:1612(20Hz)1～404040404空氣濾采集節(jié)點 ID:1621(20Hz)1～305050505206060606ID:1629(5Hz)106060606傳動信號采集節(jié)點ID:1547～1555(100Hz)1～4,6～9,11～14,16～1901010101010101015,10,15,2002020202ID:1563～1595(20Hz)1～402020202

所示，其中發(fā)送順序號為200 ms內(nèi)的測試數(shù)據(jù)包發(fā)送順序。隨機在CAN1和CAN2測試網(wǎng)絡中各選擇兩個信號，實時監(jiān)測結果如圖14(b)(c)所示，以圖14(c)為例，ch1和ch12均為傳動信號采集節(jié)點的通道，分別是采樣率為100 Hz和20 Hz的信號。其中，ch1通道采集的數(shù)據(jù)為數(shù)值1、2循環(huán)；ch2通道為數(shù)值常量2，波形輸出內(nèi)容與輸入信號表中定義的內(nèi)容一致，證明采集有效。圖14(d)所示的無線測試網(wǎng)絡中隨機選擇的一個信號的波形，同樣也如實反映出了信號發(fā)生器輸出的正弦信號波形。

4.2 實車試驗

為了驗證綜合測試系統(tǒng)在實車條件下的工作狀態(tài)，在北京郊區(qū)坨里試驗場進行了實車數(shù)據(jù)采集試驗。試驗通過獲取某型裝甲車輛油氣彈簧的油溫、車速以及駕駛員位置處的振動加速度來驗證系統(tǒng)功能。其中，油氣彈簧油溫和角位移由車載已有的CAN總線采集節(jié)點獲取，通過CAN1網(wǎng)絡傳輸給綜合測試系統(tǒng)，加速度傳感器數(shù)據(jù)由綜合測試系統(tǒng)有線采集模塊直接采集。其中，油溫和車速的采樣頻率為10 Hz，加速度采樣頻率為10 kHz。采集的數(shù)據(jù)由綜合測試系統(tǒng)進行本地存儲，并同時傳輸給車載上位機進行實時顯示。試驗現(xiàn)場圖和試驗組成框圖如圖15所示。

試驗過程中，駕駛員以25 km/h左右車速在道路上行駛，此過程中部分采集的數(shù)據(jù)如圖16所示，CAN1網(wǎng)絡獲取的油溫數(shù)據(jù)和車速數(shù)據(jù)如圖16(a)和(b)所示，車速采集最大值為31 km/h，最小值為12 km/h，平均車速在25 km/h上下浮動，符合實際結果。溫度數(shù)據(jù)從74 ℃開始逐漸上升。有線采集網(wǎng)絡獲取的振動加速度數(shù)據(jù)為±0.2g

圖15實車試驗現(xiàn)場圖和試驗設備組成圖

Fig.15Actualvehicletestsiteandtestequipmentdiagram

(g=9.8 m2/s)，如圖16(c)所示。通過實車試驗表明，本文所設計的網(wǎng)絡化綜合測試系統(tǒng)能夠在實車環(huán)境下可靠運行。

圖16 實車試驗結果Fig.16 Actual vehicle test results

5 結束語

本文以裝甲車輛野外整車動態(tài)試驗測試為背景，在充分進行測試需求分析的基礎上，設計了基于混合總線的裝甲車輛綜合測試系統(tǒng)。整個系統(tǒng)通過有線、CAN總線、無線3種方式獲取裝甲車輛的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，主要由測控終端、測試系統(tǒng)主機以及車載信號調(diào)理節(jié)點構成，并針對測點環(huán)境進行了無線測試節(jié)點和無線網(wǎng)關的設計。針對整車試驗測試中存在的信號數(shù)目多、采樣率不一致、傳輸數(shù)據(jù)量大的特點，制定了自適應數(shù)據(jù)流控制策略。最后，基于PXI搭建了系統(tǒng)試驗驗證平臺，進行了信號源設計。試驗證明，裝甲車輛綜合測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)整車全信號參數(shù)的采集、傳輸、存儲與顯示，系統(tǒng)功能齊全，運行可靠，為裝甲車輛的試驗測試提供很好的支撐。

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