基于1553B總線的多通道測控系統(tǒng)的開發(fā)

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(北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所，北京 100076)

0 引言

目前，我單位對控制器產(chǎn)品需求的數(shù)量增多，外協(xié)單位研制的產(chǎn)品交付我單位前，需要對產(chǎn)品進(jìn)行驗收試驗，主要測試產(chǎn)品三大性能，即通信功能、AD性能和DA性能，其中DA輸出值是經(jīng)過功率放大器放大后的模擬電壓。

被測控制器為三冗余結(jié)構(gòu)，由3個相同的子控制器組成，其通過1553B總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。采用1553B通信總線的BC-RT模式，其中上位機(jī)配置為BC，被測產(chǎn)品配置為RT。

按照驗收要求，驗收試驗?zāi)軌驕y試整機(jī)以及每臺子控制器的三大性能。傳統(tǒng)的驗收試驗通過以下方法測試。在控制器內(nèi)固化單機(jī)測試軟件，控制器的連接器上插入堵頭，堵頭的主要作用為將DA與AD短接，單機(jī)測試軟件的主要功能是通過DA輸出恒定電壓或周期性的正弦波，并通過AD進(jìn)行采集，最后將采集結(jié)果和接收到的指令信號通過1553B總線發(fā)送給BC,供BC進(jìn)行數(shù)據(jù)比對與分析。傳統(tǒng)驗收試驗的試驗步驟為，連接單機(jī)測試儀，將指令通過1553B發(fā)送給被測產(chǎn)品，被測產(chǎn)品將接收到的指令直接通過1553B返回給BC，BC比對發(fā)送指令與接收指令從而測試通信功能；外接信號源向被測產(chǎn)品AD接口注入電壓，通過1553B總線返回給單機(jī)測試儀，從而測試AD性能；單機(jī)測試儀通過1553B總線發(fā)送控制命令，被測產(chǎn)品將控制命令通過DA輸出，并采用示波器進(jìn)行采集，從而測試DA性能。將單機(jī)測試儀收到的數(shù)據(jù)和示波器收到的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到計算機(jī)，采用OriginLab分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結(jié)果確定產(chǎn)品的單板是否合格。在確定被測產(chǎn)品的單板均正常后，將堵頭連接到控制器進(jìn)行整機(jī)試驗，測試被測產(chǎn)品的整機(jī)性能傳統(tǒng)的測試方法進(jìn)行驗收試驗時，只能單臺測試，且須具備單機(jī)測試儀、供電電源、信號發(fā)生器、示波器共4大試驗設(shè)備，操作人員完成試驗后須將測試數(shù)據(jù)交給設(shè)計人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后，確定產(chǎn)品的合格性。試驗過程繁瑣，效率低，無法滿足我單位需求遞增的現(xiàn)狀。為提高測試效率，本文提出了一種基于1553B總線的多通道測控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

根據(jù)測試需求，測控系統(tǒng)需具備1553B通信、模擬輸出、模擬采集、數(shù)據(jù)存儲及其數(shù)據(jù)分析功能，具體功能如下：根據(jù)用戶需求選擇性的與某臺產(chǎn)品的某個子控制器進(jìn)行通信，通過1553B總線發(fā)送控制信號和接收遙測數(shù)據(jù)，通過DAQ板卡采集產(chǎn)品DA信號，并向產(chǎn)品AD發(fā)送DA信號[1]，然后將發(fā)送的數(shù)據(jù)與接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)比對。

原測試系統(tǒng)耗時環(huán)節(jié)主要為數(shù)據(jù)導(dǎo)出，主要成本支出為環(huán)境試驗場地累計占用時長。為縮短批量產(chǎn)品試驗的總時長、降低試驗成本，本文設(shè)計了四通道測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。通過此種設(shè)計結(jié)構(gòu)可以取代信號發(fā)生器和示波器，具備模擬輸出和模擬采集功能，采用分時復(fù)用技術(shù)同時測試4臺控制器，從而節(jié)省掉數(shù)據(jù)導(dǎo)出時間，縮短4臺控制器累計測試占用時長，預(yù)計將試驗時長縮短至原時長的1/4，將試驗成本降低至原成本的1/4。

圖1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

測控系統(tǒng)最多可支持4臺被測產(chǎn)品同時測試。安裝在工控機(jī)內(nèi)的1553B板卡和I/O板卡通過一條二合一的電纜B5連接至測控箱；測控箱通過供電電纜E1-E4分別為被測產(chǎn)品供電，通過B1-B4實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與被測產(chǎn)品的數(shù)字通信；工控機(jī)的DAQ板卡可通過一分四模擬電纜M1，實(shí)現(xiàn)與4臺被測產(chǎn)品的模擬信號通信。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 數(shù)字通信

測控系統(tǒng)基于MIL-STD-1553數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)，采用BC-RT的通信模式設(shè)計[2]。1553B板卡選用與被測產(chǎn)品相匹配的1Mbit/s的Exc-1553/PCI板卡。數(shù)字I/O板卡需具有豐富的I/O接口，本文選用板卡型號為AECCAN-PCI-2。

1553B總線為BUSA/BUSB互為備份的總線通信方式，因此為實(shí)現(xiàn)BC與某RT的通信，需要4根電纜連接，分別為BUSAH、BUSAL、BUSBH、BUSBL。被測產(chǎn)品采用三余度設(shè)計，單臺產(chǎn)品由3個子控制器組成，具有獨(dú)立的RT編號，分別為RTx,RTy,RTz.因此為實(shí)現(xiàn)單臺產(chǎn)品的單子控制器的獨(dú)立通信，測控箱中設(shè)計了信號隔離調(diào)理單元，原理如圖2所示。工控機(jī)通過I/0板卡控制繼電器的開關(guān)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)子控制器的1553B總線電纜的選通[3]。

圖2 數(shù)字通信原理圖

2.2 模擬通信

測試系統(tǒng)通過DAQ板卡實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與被測產(chǎn)品的模擬通信，模擬板卡選用型號為神州飛航的BST33102。原理如圖3所示。被測產(chǎn)品的DA、+9 V、+15 V與模擬板卡的AI連接，供板卡采集。由于板卡的采集范圍為±10 V，因此須對被采集電壓15 V進(jìn)行分壓，本文采用兩個50 K的電阻進(jìn)行平均分壓[4]。

圖3 模擬通信原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 軟件架構(gòu)

測控軟件以 VisualStudio為開發(fā)環(huán)境，采用C#語言進(jìn)行開發(fā)。根據(jù)產(chǎn)品測試需求，測控軟件主要具備三大功能，首先可根據(jù)用戶設(shè)定實(shí)現(xiàn)與選定產(chǎn)品的1553B通信，包含同步、自檢、發(fā)送指令、接收遙測數(shù)據(jù)；其次可根據(jù)用戶選定實(shí)現(xiàn)與選定產(chǎn)品的模擬通信，即通過模擬板卡向被測產(chǎn)品發(fā)送指令，同時采集模擬數(shù)據(jù)；最后，可將接收到的模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行濾波、擬合、零偏、線性度等數(shù)據(jù)處理。測控軟件架構(gòu)分為人機(jī)交互界面，后臺軟件和數(shù)據(jù)庫[5]。其中人機(jī)交互界面為用戶提供試驗要求設(shè)定入口，以及直觀的數(shù)據(jù)顯示出口，其分為數(shù)據(jù)波形顯示區(qū)、要求設(shè)定區(qū)、啟動按鈕區(qū)和進(jìn)程提示區(qū)共4個區(qū)域；后臺軟件按照功能分為3大模塊，分別為1553B發(fā)送和接收數(shù)據(jù)模塊，AD采集和DA輸出模塊，數(shù)據(jù)處理、顯示和保存模塊。每個模塊都應(yīng)包含相應(yīng)板卡的Lib文件以及自主開發(fā)的功能函數(shù)。由于板卡廠家提供的Lib文件均為標(biāo)準(zhǔn)C語言，因此，在調(diào)用相應(yīng)板卡Lib文件時，需要按照C#標(biāo)準(zhǔn)修改后調(diào)用[6]； 數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存的輸入文件，為用戶提供數(shù)據(jù)處理通道、系數(shù)、方法以及數(shù)據(jù)保存格式、路徑的入口。

由于測控系統(tǒng)設(shè)計了模擬電纜，模擬信號在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時很容易受到包含供電電源在內(nèi)的測試環(huán)境的干擾，為了使測控系統(tǒng)采集到的模擬信號能夠更真實(shí)的反應(yīng)控制器的性能，本文采用三點(diǎn)加權(quán)滑動平均濾波方法[7]，濾波公式如公式(1)所示，邊界點(diǎn)的計算方法如公式(2)和公式(3)所示：

y(i)=(x(i-1)+3.3x(i)+x(i+1))/5.3

(1)

y(0)=(39x(0)+x(1))/40

(2)

y(n-1)=(39x(n-1)+x(n-2))/40

(3)

其中:n為數(shù)據(jù)處理點(diǎn)數(shù)，x(i)為采集到的模擬數(shù)據(jù)，y(i)為濾波后的模擬數(shù)據(jù)。

由于單次濾波效果不明顯，需要多次濾波才能有明顯效果。對于伺服測試數(shù)據(jù)處理，濾波次數(shù)推薦值為80，本文采用了推薦值。

3.2 設(shè)計原理

為實(shí)現(xiàn)四臺產(chǎn)品同時試驗，分時測量[7]，本文采用分時測試技術(shù)。啟動測試前，用戶須設(shè)定被測通道，以及相應(yīng)通道連接的產(chǎn)品編號，同時通過Acess數(shù)據(jù)庫設(shè)置采集通道的數(shù)據(jù)處理系數(shù)和方法，為保證產(chǎn)品的一致性，數(shù)據(jù)處理系數(shù)和方法須適用于被測的所有產(chǎn)品。啟動測試后，按照用戶選擇的通道順序測試。

被測產(chǎn)品具有如下設(shè)計特點(diǎn)，其將接收到的1553B指令通過DA通道輸出，其通過AD采集到的模擬量通過1553B返回。測控系統(tǒng)根據(jù)以上設(shè)計特點(diǎn)設(shè)計測控軟件，首先用戶通過數(shù)據(jù)庫文件輸入指令信號，為便于考核被測產(chǎn)品DAQ性能，測控系統(tǒng)采用的1553B指令信號和DAQ板卡采用的指令信號須保持一致，均采用用戶的設(shè)定值。測控系統(tǒng)通過1553B發(fā)送的指令信號可通過DAQ板卡采集，用于測試被測產(chǎn)品的AD性能，測控系統(tǒng)通過DAQ板卡輸出的指令信號可通過1553B返回，用于測試被測產(chǎn)品的DA性能。由于測控系統(tǒng)中設(shè)計使用了模擬電纜，用于連接DAQ板卡與被測產(chǎn)品，而模擬信號的傳輸在復(fù)雜的測試環(huán)境下十分容易收到干擾，因此被測系統(tǒng)收集到的所有數(shù)據(jù)均需進(jìn)行濾波擬合，并將擬合后的數(shù)據(jù)顯示的界面上。以用戶設(shè)定的控制指令為基準(zhǔn)，以數(shù)據(jù)庫設(shè)定的通道、系數(shù)和方法為輸入，對濾波擬合后的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，并將處理結(jié)果生成測試報告保存在數(shù)據(jù)庫設(shè)定的路徑下作為產(chǎn)品驗收的依據(jù)文件。

3.3 突破的關(guān)鍵技術(shù)

DAQ板卡的AD/DA通道數(shù)量有限，由于多臺產(chǎn)品同測的需求，對AD/DA通道數(shù)量要求較多，因此須選擇多塊DAQ板卡。工控機(jī)中的多塊DAQ板卡和1553B板卡硬件上無法實(shí)現(xiàn)時鐘的同步，而且軟件編程所使用的工控機(jī)的定時器誤差較大。因此，如何保證人機(jī)交互界面的數(shù)據(jù)顯示區(qū)中，1553B數(shù)據(jù)和DAQ數(shù)據(jù)同步顯示成為亟待解決的問題。

表1 測控軟件重要參數(shù)設(shè)置

本文首先通過設(shè)置板卡工作模式以及對應(yīng)參數(shù)，來縮小硬件采集誤差，如表1所示。被測產(chǎn)品的1553B的通信頻率f為用戶固定需求。測試系統(tǒng)板卡頻率均根據(jù)f進(jìn)行設(shè)置。由于基于1553B協(xié)議的BC-RT模式為主從結(jié)構(gòu)，無論發(fā)送和接收均須由BC發(fā)起，因此1553B的通信頻率設(shè)定為f。由于1553B通信與DA輸出指令相同，因此DA輸出須保持與1553B板卡的一致，設(shè)置為中斷連續(xù)輸出，頻率為f。1553B發(fā)送指令與收到的數(shù)據(jù)個數(shù)相同，為保持AD采集數(shù)據(jù)個數(shù)與1553B收到數(shù)據(jù)個數(shù)的一致性，AD采集設(shè)置為采樣頻率為f的定時采集。考慮到多線程的C#程序其軟件定時中斷誤差較大的缺點(diǎn)，為防止板卡緩沖區(qū)溢出的發(fā)生，將軟件定時中斷設(shè)置為4f。在軟件定時中斷中，讀取1553B板卡接收到的數(shù)據(jù)以及所有DAQ板卡采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)原始數(shù)據(jù)暫存到內(nèi)存中，取所有板卡緩沖數(shù)量最小值作為界面曲線更新個數(shù)，濾波擬合后輸出到界面[8]。

4 試驗結(jié)果與分析

為驗證本文所設(shè)計的基于1553B總線的多通道測控系統(tǒng)能夠取代傳統(tǒng)的測試方法，真實(shí)反應(yīng)被測產(chǎn)品的性能指標(biāo)。我們分別采用本文研制的測控系統(tǒng)和傳統(tǒng)測試方法對某典試產(chǎn)品進(jìn)行測試，試驗中設(shè)定指令信號是幅值為10 V的正弦信號。

4.1 試驗過程

首先采用傳統(tǒng)方法對典試控制器的AD性能和DA性能進(jìn)行測試。測試前，更改控制器嵌入式軟件，使被測DA輸出幅值為10 V，頻率為50 Hz的正弦波。軟件燒寫完成后，將單機(jī)測試儀與控制器通過1553B總線連接，并將控制器的AD的輸出端和模擬地分別接入示波器的信號端和地端，將控制器的DA輸入端和模擬地分別接入信號發(fā)生器的電源正和電源負(fù)。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出電壓恒為+10 V或幅值為10 V，頻率為50 Hz的正弦波。進(jìn)行DA性能測試時，為獲得基準(zhǔn)電壓可將信號發(fā)生器的輸出端同時接入示波器。系統(tǒng)上電后，通過單機(jī)測試儀發(fā)送返回遙測數(shù)據(jù)指令，發(fā)送頻率為100 Hz,連續(xù)發(fā)送1 min，并進(jìn)行記錄。同時觀測示波器波形，調(diào)節(jié)示波器頻率為100 Hz，截取1 min的波形進(jìn)行分析。

其次采用基于1553B總線的多通道測控系統(tǒng)對典試控制器的AD性能和DA性能進(jìn)行測試。系統(tǒng)上電后，調(diào)節(jié)測控設(shè)備的AD和DA測試頻率均為100 Hz,測試時長為1 min，點(diǎn)擊開始測試，觀測波形進(jìn)行分析。

4.2 試驗數(shù)據(jù)

由于傳統(tǒng)方法DA輸出結(jié)果顯示在示波器上，為便于數(shù)據(jù)分析，在一個周期的nT/20 s處進(jìn)行采樣，其中n為0,1…,20,T為1 s。將取到的數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)理論值放在Origin中進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。測試結(jié)果如圖8(a)所示。為直觀對比理論值與實(shí)際值的差值，在實(shí)際值的波形上疊加了基準(zhǔn)值，從圖形分析，基準(zhǔn)值與實(shí)際值差值很小。采用基于1553B總線的多通道測控系統(tǒng)取得的DA輸出值和基準(zhǔn)值均存儲在二進(jìn)制文件中，可直接從二進(jìn)制文件獲取采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)放在Origin軟件中進(jìn)行分析，如圖9(a)所示，從波形分析，實(shí)際值的波形畸變很小。同理，無論是傳統(tǒng)AD測試，還是多通道測控系統(tǒng)的AD測試，其基準(zhǔn)值和測試值均存儲在二進(jìn)制文件中，可直接通過Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖4、圖5、圖6(a)、圖7(a)所示。從圖中分析，恒定工況下，兩種方法測試的AD性能均存在一定幅度的波動，正弦工況下，兩種方法測試的AD性能與基準(zhǔn)值基本重合。為了更進(jìn)一步分析兩種方法的測試精度和測試有效性，本文針對不同的測試項目分別提出了多個衡量指標(biāo)進(jìn)行進(jìn)一步的分析[9-10]。

圖4 采用傳統(tǒng)方法測試恒定電壓工況下的AD性能

圖5 采用多通道測試儀測試恒定工況下的AD性能

圖6 采用傳統(tǒng)方法測試正弦波工況下的AD性能

圖7 采用多通道測控系統(tǒng)測試正弦波工況下的AD性能

圖8 采用傳統(tǒng)方法測試正弦波工況下的DA性能

圖9 采用多通道測試儀測試正弦波工況下的DA性能

對于恒定電壓工況，本文采用3種指標(biāo)進(jìn)行衡量，分別為最大值、最小值和平均值。對于正弦波工況，本文采用兩種指標(biāo)進(jìn)行衡量，分別為零偏和線性度。

假設(shè)采用頻率為f(Hz)，采用周期為T(s)，那么最大值Ymax、最小值Ymin、平均值Yave的計算公式分別為公式(4)、公式(5)和公式(6)：

Ymax=Max(Y1，Y2，…Yn)

(4)

Ymin=Min(Y1，Y2，…Yn)

(5)

Yave=Average(Y1，Y2，…Yn)

(6)

其中:n=f×T，Yi為第i個點(diǎn)的測量值，i為1～n的自然數(shù)。

圖10 零偏和線性度的定義

零偏Yzero-offset和線性度Ylinear的定義[8]如圖10所示，首先要以基準(zhǔn)點(diǎn)作為輸入信號，以測量值作為輸出信號，畫出名義位置曲線，由于電信號的位置回環(huán)很小，因此在畫名義位置曲線時可通過直連的方法；然后采用最小二乘法畫出名義位置基準(zhǔn)線，對于位置回環(huán)小到可忽略不計的電信號，本文將落在所有象限的點(diǎn)統(tǒng)一進(jìn)行擬合，擬合公式如公式(7)所示：

y=b0+bx

(7)

其中:x為基準(zhǔn)值，系數(shù)b0、b的最佳估計值如公式(8)和公式(9)所示：

(8)

(9)

其中:xi 、yi分別為第i個擬合點(diǎn)的輸入和輸出。

正弦工況下，AD和DA的擬合曲線及其擬合公式如圖6(b)、圖7(b)、圖8(b)、圖9(b)所示。

零偏[9]為擬合曲線與x軸的交點(diǎn)，計算公式如公式(10)所示，顯然零偏越接近0，說明被測產(chǎn)品的特性越好。線性度為基準(zhǔn)值與測量值的最大差值占基準(zhǔn)值域的百分比，計算公式如公式(11)所示，顯然線性度越小，說明被測產(chǎn)品的線性度越好。

(10)

(11)

ΔImax=MAX(ΔI1,ΔI2......ΔIn)

(12)

ΔIi=xi-yi

(13)

其中:xi為第i個點(diǎn)的基準(zhǔn)值，yi為第i個點(diǎn)的測量值，i為1至n的自然數(shù)。

所有測試結(jié)果的計算指標(biāo)值如表2所示。

表2 某典試產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)

從表2可以看出，通過傳統(tǒng)測試方法證明被測典試產(chǎn)品性能符合合格判據(jù)要求，通過基于1553B總線的多通道測控系統(tǒng)系統(tǒng)測試結(jié)果顯示，被測典型產(chǎn)品性能指標(biāo)同樣滿足合格判據(jù)要求.對比兩種測試方法的測試結(jié)果誤差很十分小，因此以上測試證明了基于1553B總線的多通道測控系統(tǒng)的有效性，完全可以取代傳統(tǒng)的測試方法。

4.3 耗時與成本計算

以下分析假設(shè)采用不同的測試方法進(jìn)行相同步驟時耗時相同。采用傳統(tǒng)方法進(jìn)行測試，單臺控制器單板測試步驟包含測試環(huán)境搭建、單板性能測試、數(shù)據(jù)導(dǎo)出、數(shù)據(jù)分析，單臺控制器整機(jī)測試步驟包含測試環(huán)境搭建、整機(jī)性能測試、數(shù)據(jù)分析；采用基于1553B總線的多通道測控系統(tǒng)進(jìn)行測試，4臺控制器可同時測試，單板測試步驟包含測試環(huán)境搭建、單板測試、數(shù)據(jù)分析，整機(jī)測試步驟包含測試環(huán)境搭建、整機(jī)性能測試、數(shù)據(jù)分析。其中整機(jī)測試包含高溫環(huán)境測試、低溫環(huán)境試驗和濕熱環(huán)境試驗。假設(shè)測試環(huán)境搭建時長、單板性能測試時長、數(shù)據(jù)導(dǎo)出時長、數(shù)據(jù)分析時長、高溫環(huán)境整機(jī)性能測試時長、低溫環(huán)境整機(jī)性能測試時長、濕熱環(huán)境整機(jī)性能測試時長分別為t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7，單位為小時，表3分別計算采用兩種方法的單板測試時長和整機(jī)測試時長。試驗成本主要為環(huán)境試驗場地費(fèi)，假設(shè)環(huán)境試驗場地費(fèi)用為m元/小時，表4分別計算采用兩種方法的環(huán)境試驗場地費(fèi)用。

表3 測試時長計算

表4 試驗成本計算

從表中可以看出，相對于傳統(tǒng)方法，采用基于1553B總線的多通道測控系統(tǒng)可以將測試時長縮短為原來的1/4，同時將測試成本降低至原來的1/4。

5 結(jié)論

本文研制的基于1553B總線的多通道測控系統(tǒng)可以取代傳統(tǒng)的測試方法，用于產(chǎn)品的驗收工作，可大大縮減產(chǎn)品驗收時間，其多通道設(shè)計可成倍縮短環(huán)境試驗時長，有效提高試驗效率，降低人工成本和環(huán)境試驗臺的占用成本。由于此方法的諸多優(yōu)點(diǎn)，可以將測試儀推廣到CAN、RS422等其他總線的測試儀的研制。研發(fā)過程中發(fā)現(xiàn)，模擬電纜的抗干擾能力太差，測試儀獲取的模擬數(shù)據(jù)失真較大，必須通過大量濾波進(jìn)行處理，為了使測試儀測量結(jié)果更能真實(shí)反映被測產(chǎn)品的特性，提高模擬電纜的抗干擾能力是亟待解決的問題。