基于同步調(diào)理編碼的復(fù)雜信號(hào)組合測(cè)量機(jī)制研究與實(shí)現(xiàn)

梁嘉倩，魯文帥，孟升衛(wèi)，付 平

(1. 中國電子科學(xué)研究院，北京 100041；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化測(cè)試與控制研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引 言

隨著軍事裝備的現(xiàn)代化發(fā)展，以火箭測(cè)試為典型應(yīng)用的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)也面臨著日趨升級(jí)的挑戰(zhàn)，特別是被測(cè)信號(hào)的數(shù)量、密度、種類等日益復(fù)雜。如何在裝備使用前快速、全面、準(zhǔn)確、機(jī)動(dòng)的完成整套復(fù)雜測(cè)量任務(wù)，是裝備性能保障的關(guān)鍵。在火箭發(fā)射前，需要在地面上對(duì)箭上各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試檢查，由測(cè)試結(jié)果判斷導(dǎo)彈是否具備發(fā)射條件[1-2]。對(duì)火箭及其控制系統(tǒng)的測(cè)試，是檢驗(yàn)裝備工作狀態(tài)和保證裝備處于良好技戰(zhàn)術(shù)水平的必不可少的環(huán)節(jié)[3-4]。在綜合測(cè)試中，被測(cè)對(duì)象數(shù)量龐大，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代化的支持保障需求。隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)測(cè)試技術(shù)慢慢進(jìn)入了軍用領(lǐng)域，成為了軍用裝備可靠運(yùn)行的必要保證[5]。

對(duì)于任何一個(gè)型號(hào)的武器裝備，都有數(shù)量龐大的組件需要測(cè)量，待測(cè)信號(hào)種類和路數(shù)更是繁多。為滿足對(duì)特定裝備型號(hào)的針對(duì)性可靠測(cè)試，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)一方面需要具備充分的專用性，以保障專項(xiàng)專用[6]；另一方面為滿足現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)于訓(xùn)練和實(shí)戰(zhàn)的機(jī)動(dòng)性要求，測(cè)試系統(tǒng)載荷需要受到限定，為特定型號(hào)配備的測(cè)試系統(tǒng)要盡可能小型化和高集成度，盡可能減少測(cè)試設(shè)備種類和儀器數(shù)量[7]，因此要求研制的專用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)能夠配套于系統(tǒng)中不同待測(cè)對(duì)象的不同信號(hào)組合。通常，對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)而言，信號(hào)調(diào)理和信號(hào)測(cè)量在同一塊模塊上完成，以追求面積最小化[8]；但當(dāng)被測(cè)信號(hào)變得復(fù)雜且多樣時(shí)，這樣的設(shè)計(jì)思想難以保證靈活性和專用性的兼顧。

本論文在對(duì)箭上被測(cè)信號(hào)進(jìn)行全面梳理分析的基礎(chǔ)上，對(duì)信號(hào)的特征進(jìn)行了分類，并基于此將原始被測(cè)信號(hào)分為直流、交流、時(shí)變?nèi)N，設(shè)計(jì)專用的調(diào)理模塊，將被測(cè)信號(hào)調(diào)理為共性的測(cè)壓和測(cè)頻信號(hào)，再進(jìn)入集中復(fù)用的測(cè)量模塊。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)理電路、測(cè)量電路和被測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)適配，設(shè)計(jì)了同步調(diào)理編碼，并基于FPGA予以編碼分析和調(diào)理控制的實(shí)現(xiàn)，最后通過測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性和優(yōu)越性。

1 被測(cè)信號(hào)分析

本論文以火箭測(cè)試中的兩個(gè)特定場(chǎng)景的被測(cè)信號(hào)組合(以下稱被測(cè)信號(hào)組合I和被測(cè)信號(hào)組合II)為例分析常見的箭上被測(cè)信號(hào)。表1是對(duì)應(yīng)兩個(gè)組合的待測(cè)信號(hào)詳細(xì)屬性描述。由表1可見，待測(cè)信號(hào)從交直流變化(直流、交流、時(shí)變)、被測(cè)物理量(電壓、頻率)、測(cè)量范圍(小電壓、低壓、高壓、低頻、高頻)等維度劃分有多種類型，每種類型分布在多個(gè)通道，共計(jì)160路。對(duì)被測(cè)信號(hào)提取共性屬性，如圖1所示。

表1 被測(cè)信號(hào)組合I和II的待測(cè)信號(hào)描述表

圖1 被測(cè)信號(hào)組合分類示意圖

由表1和圖1，對(duì)測(cè)量需求分解：從測(cè)量物理量上，包括測(cè)壓和測(cè)頻；從被測(cè)信號(hào)的電流方向，包括固定直流、固定交流和母線時(shí)變；從測(cè)量的工作模式，包括單次測(cè)量和循環(huán)測(cè)量；從被測(cè)信號(hào)范圍，包括小電壓、低壓、高壓、低頻、高頻。

在此基礎(chǔ)上分析測(cè)試需求：當(dāng)不考慮被測(cè)信號(hào)范圍時(shí)，測(cè)試需求包括單通道直流電壓測(cè)量、單通道交流有效值測(cè)量、單通道頻率測(cè)量以及多通道循環(huán)電壓測(cè)量；當(dāng)不考慮測(cè)量范圍和交直流時(shí)，測(cè)試需求只包括電壓測(cè)量和頻率測(cè)量，這為復(fù)用測(cè)量功能提供了設(shè)計(jì)依據(jù)；當(dāng)不考慮被測(cè)范圍和測(cè)量功能時(shí)，測(cè)試對(duì)象只包括固定參數(shù)直流信號(hào)、固定參數(shù)交流信號(hào)、時(shí)變參數(shù)母線信號(hào)，這為專用調(diào)理功能提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

2 組合測(cè)量設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)量機(jī)制設(shè)計(jì)

一般而言，數(shù)據(jù)采集模塊的常規(guī)設(shè)計(jì)思路是信號(hào)調(diào)理與數(shù)據(jù)采集功能電路集成化設(shè)計(jì)。而本文中被測(cè)信號(hào)數(shù)量多、差異大，采用統(tǒng)一的電路難以完成對(duì)不同通道的調(diào)理，因此對(duì)不同通道需要設(shè)計(jì)不同的調(diào)理電路；而調(diào)理之后的信號(hào)可以統(tǒng)一采用通用的數(shù)據(jù)采集電路采集電壓量或頻率量。因此，為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)并提高系統(tǒng)的靈活性，本文設(shè)計(jì)將調(diào)理與數(shù)據(jù)采集兩部分功能分解為兩個(gè)去耦合的環(huán)節(jié)：調(diào)理環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)信號(hào)的接入、隔離與調(diào)理，設(shè)計(jì)為針對(duì)特定類型被測(cè)信號(hào)的專用模塊，而數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)負(fù)責(zé)電壓與頻率的測(cè)量，設(shè)計(jì)為不同被測(cè)信號(hào)可以分時(shí)復(fù)用的通用模塊。去耦合的測(cè)試機(jī)制如圖2所示。

圖2 調(diào)理與測(cè)量環(huán)節(jié)去耦合的組合測(cè)試機(jī)制示意圖

圖2所示的組合測(cè)試機(jī)制中，由分時(shí)復(fù)用的數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)、互相獨(dú)立的信號(hào)調(diào)理專用環(huán)節(jié)、被測(cè)組合信號(hào)選通環(huán)節(jié)組成。信號(hào)調(diào)理模塊可進(jìn)一步分類成三種不同模塊，直流調(diào)理模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)直流信號(hào)的衰減或放大，使被測(cè)信號(hào)滿足AD的測(cè)量范圍要求；交流調(diào)理模塊能夠衰減或放大交流信號(hào)的幅值，完成交流信號(hào)的電壓有效值轉(zhuǎn)換，并將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號(hào)；母線調(diào)理模塊專門用來調(diào)理母線信號(hào)，該模塊根據(jù)數(shù)據(jù)采集模塊上FPGA發(fā)送的控制指令，來切換電路，從而改變測(cè)量?jī)?nèi)容與測(cè)量方式。

調(diào)理模塊通過外部走線連接被測(cè)信號(hào)，調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)采集模塊之間通過內(nèi)部走線互連。針對(duì)不同被測(cè)對(duì)象組合，系統(tǒng)中主控模塊和數(shù)據(jù)采集模塊可固定不變，只需要根據(jù)被測(cè)信號(hào)的測(cè)試需求選擇相應(yīng)數(shù)量與種類的調(diào)理模塊。這樣的設(shè)計(jì)可以靈活調(diào)理復(fù)雜信號(hào)，又有效復(fù)用測(cè)量資源。

2.2 調(diào)理編碼設(shè)計(jì)

組合測(cè)試系統(tǒng)的靈魂在于被測(cè)信號(hào)和調(diào)理測(cè)量的同步執(zhí)行，以及調(diào)理測(cè)量電路的軟件在線實(shí)時(shí)可編程，即軟件定義硬件，以確保針對(duì)被測(cè)對(duì)象和主機(jī)用戶所需的不同信號(hào)組合進(jìn)行信號(hào)選通和調(diào)理配置。為了使主控模塊能夠同步且方便的控制被測(cè)對(duì)象給出待測(cè)信號(hào)，控制調(diào)理電路選通配置通道，控制數(shù)采模塊控制測(cè)量模式，本課題為系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一套調(diào)理編碼，主控模塊根據(jù)應(yīng)用發(fā)出調(diào)理編碼，數(shù)據(jù)采集模塊通過解析調(diào)理編碼明確用戶的控制命令，控制調(diào)理模塊切換通道，改變量程、配置測(cè)壓和測(cè)頻電路，并最終完成測(cè)量任務(wù)，返回測(cè)量數(shù)據(jù)。這里的調(diào)理編碼，指隨著主機(jī)指令傳輸?shù)膮?shù)化編碼，編碼涵蓋了被測(cè)通道、測(cè)試類型、測(cè)量范圍等。

如圖3所示，調(diào)理編碼設(shè)計(jì)為12位二進(jìn)制數(shù)。調(diào)理編碼高6位表示測(cè)量通道，中間3位表示測(cè)量操作的模式類型，其中第5位區(qū)分交流還是直流信號(hào)，其余2位表示小電壓信號(hào)(00)、低壓信號(hào)(01)、高壓信號(hào)(10)、測(cè)頻信號(hào)(11)。對(duì)于母線信號(hào)，調(diào)理編碼低3位表示信號(hào)的衰減放大比例參數(shù)(對(duì)于測(cè)壓操作)或被測(cè)信號(hào)的頻率參數(shù)范圍(對(duì)于測(cè)頻操作)，而對(duì)于其他信號(hào)低3位無意義，均為0。

圖3 用于參數(shù)化測(cè)試的同步調(diào)理編碼格式字段圖

3 組合測(cè)量的硬件和邏輯實(shí)現(xiàn)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

以CPCI自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，以被測(cè)對(duì)象的時(shí)變參數(shù)母線信號(hào)及其母線調(diào)理模塊為例，闡述軟件可定義的母線信號(hào)調(diào)理硬件設(shè)計(jì)?；诳删幊痰睦^電器組合開關(guān)設(shè)計(jì)的可編程母線專用調(diào)理模塊如圖4所示。

圖4 母線專用調(diào)理模塊的硬件設(shè)計(jì)框圖

如圖4，母線專用調(diào)理模塊的硬件工作機(jī)制為：根據(jù)不同的調(diào)理編碼，數(shù)據(jù)采集模塊通過J2/P2的E列給出繼電器切換控制信號(hào)。

當(dāng)被測(cè)信號(hào)為需要衰減的高壓信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA發(fā)送的開關(guān)量信號(hào)將控制繼電器K1(或K2)開通接入分壓電路，并根據(jù)被測(cè)信號(hào)的電壓值不同，選擇開通K1或K2繼電器，從而選取相應(yīng)阻值組合的分壓電路，實(shí)現(xiàn)不同比例的分壓。當(dāng)被測(cè)信號(hào)為需要放大的小電壓信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA發(fā)送的開關(guān)量信號(hào)將控制繼電器K1和K2都關(guān)斷，不進(jìn)行分壓衰減，并開通繼電器K3，使被測(cè)信號(hào)接入單運(yùn)放的放大電路。

當(dāng)母線通道信號(hào)為交流信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA發(fā)送的開關(guān)量信號(hào)控制繼電器K4接通有效值測(cè)量電路，測(cè)得的交流信號(hào)有效值經(jīng)過隔離運(yùn)放后輸出。另外交流信號(hào)還需要由比較器變換為同頻率的方波信號(hào)，經(jīng)過光耦后作為數(shù)字量(頻率量)輸出。當(dāng)母線信號(hào)為直流信號(hào)時(shí)，F(xiàn)PGA發(fā)送的開關(guān)量信號(hào)控制繼電器K4切換為輸出原信號(hào)通道，信號(hào)不用測(cè)量有效值，將原信號(hào)直接經(jīng)過一個(gè)隔離運(yùn)放后輸出。

繼電器K5選擇被測(cè)對(duì)象或板載自檢基準(zhǔn)源LM136，繼電器K6選擇板載自檢基準(zhǔn)源LM136的電源或地，繼電器K3選擇是否接通交流衰減放大濾波運(yùn)放OP27，繼電器K1和K2選擇是否接通直流衰減電阻網(wǎng)絡(luò)及衰減系數(shù)，繼電器K4選擇直流測(cè)壓通道或交流有效值測(cè)壓通道接通隔離運(yùn)放AD202，繼電器K7選擇交流衰減放大濾波運(yùn)放的配置電阻。直流調(diào)理、交流調(diào)理、通用測(cè)量模塊的硬件設(shè)計(jì)參考我們以往的論文[9]。

3.2 邏輯設(shè)計(jì)

采用FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)理編碼的解析和對(duì)調(diào)理電路的控制。調(diào)理編碼邏輯從本地總線的寫空間寄存器獲取主機(jī)發(fā)來的調(diào)理編碼，并根據(jù)預(yù)定的含義解析編碼內(nèi)容，為測(cè)壓邏輯或測(cè)頻邏輯配置參數(shù)，并為直流調(diào)理模塊或交流調(diào)理模塊硬件提供多路選擇器的選通控制信號(hào)，為母線調(diào)理模塊硬件提供繼電器組控制信號(hào)。調(diào)理解析控制邏輯框圖設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 調(diào)理編碼解析邏輯框圖

FPGA調(diào)理編碼邏輯總體上分成字段解析部分、模式綜合部分、邏輯配置部分、電路控制部分。其中字段解析部分包括將編碼拆分成功能字段和信號(hào)字段，功能字段用來判別測(cè)量單次或循環(huán)、電壓或頻率，信號(hào)字段判別交流、直流、母線。模式綜合部分在字段解析部分基礎(chǔ)上對(duì)調(diào)理編碼的各個(gè)字段含義進(jìn)行綜合，得到配置控制策略。邏輯配置部分是面向本地邏輯，根據(jù)模式綜合部分的策略，配置測(cè)壓邏輯的范圍、通道、次數(shù)等，或配置測(cè)頻邏輯的基準(zhǔn)、閘門等。電路控制部分是面向CPCI系統(tǒng)三個(gè)信號(hào)調(diào)理模塊，給出直流模塊2個(gè)多路選擇器或交流模塊1個(gè)多路選擇器的選通信號(hào)，或給出母線模塊的交直流選擇、增益選擇等。

調(diào)理編碼的指令解析是測(cè)量設(shè)備理解主機(jī)測(cè)試指令的關(guān)鍵。定義12位邏輯緩存器Code[11:0]接收調(diào)理編碼。根據(jù)前文所述調(diào)理指令方案的編碼格式，Code[11:6]為信號(hào)通道指示碼，Code[5:3]指示測(cè)頻或測(cè)壓需求，Code[2:0]指示測(cè)量的具體參數(shù)。

圖6 測(cè)試系統(tǒng)直流信號(hào)測(cè)壓曲線

特別的，當(dāng)通道指示碼Code[11:6]為1時(shí)，固定表示為母線被測(cè)信號(hào)，此時(shí)Code[5]用于區(qū)分直流輸入或交流輸入，Code[2:0]用于指示期望對(duì)母線信號(hào)采取的衰減放大倍數(shù)。

當(dāng)Code[11:6]為0(非法)或1(母線通道)以外的其他合法參數(shù)時(shí)，分別對(duì)應(yīng)了信號(hào)組合I或II的非母線信號(hào)的不同通道。這時(shí)進(jìn)一步，當(dāng)Code[5:3]指示此時(shí)需要測(cè)頻時(shí)，Code[2:0]給出被測(cè)頻信號(hào)的組合參數(shù)，包括頻率范圍(如177 Hz，200 Hz，500 Hz，1000 Hz，8000 Hz等幾個(gè)檔位)，電壓范圍(如4～6 V，6～12 V，12～22 V，22～35 V，35～41 V等幾個(gè)檔位)和信號(hào)類型(正弦、方波)。當(dāng)Code[5:3]指示此時(shí)需要測(cè)壓時(shí)，Code[2:0]給出被測(cè)電壓信號(hào)的電壓范圍，測(cè)壓配置邏輯向ADC測(cè)壓控制邏輯發(fā)出ADC通道選擇指令和測(cè)量次數(shù)指令，指定8通道ADC的具體輸入通道和需要模數(shù)轉(zhuǎn)換的次數(shù)。

3.3 測(cè)試驗(yàn)證

用可編程校準(zhǔn)源模擬被測(cè)信號(hào)先驗(yàn)電壓范圍的輸入信號(hào)，利用實(shí)現(xiàn)的組合測(cè)量系統(tǒng)對(duì)電壓范圍(小電壓、低壓、高壓)和信號(hào)類型(直流固定、交流的固定、母線時(shí)變)不同的分類信號(hào)做組合測(cè)試，記錄信號(hào)通過專用測(cè)試系統(tǒng)后的輸出響應(yīng)數(shù)據(jù)，繪制得到系統(tǒng)的測(cè)試曲線。

圖6 (續(xù))

圖7 測(cè)試系統(tǒng)交流信號(hào)有效值測(cè)壓曲線

直流被測(cè)信號(hào)經(jīng)直流模塊調(diào)理測(cè)得的小電壓、低壓、高壓直流信號(hào)曲線如圖6(a)(b)(c)所示，經(jīng)母線模塊調(diào)理測(cè)得的小電壓、低壓、高壓直流信號(hào)曲線如圖6(d)(e)(f)所示，交流被測(cè)信號(hào)經(jīng)交流模塊調(diào)理測(cè)得的低壓、高壓交流有效值信號(hào)曲線如圖7(a)(b)所示，經(jīng)母線模塊調(diào)理測(cè)得的低壓、高壓交流有效值信號(hào)曲線如圖7(c)(d)所示。上述所有校準(zhǔn)源的被測(cè)信號(hào)均按照箭上真實(shí)被測(cè)信號(hào)的取值范圍給定。對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果的精度如表2所示，經(jīng)計(jì)算測(cè)試精度誤差小于1‰，滿足應(yīng)用需求。

表2 分類信號(hào)的組合測(cè)量結(jié)果

以上所有信號(hào)的測(cè)量全部采用一套3塊調(diào)理模塊和1塊數(shù)采模塊實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了組合測(cè)量機(jī)制的可行性和優(yōu)越性。

4 結(jié) 語

本論文在對(duì)導(dǎo)彈復(fù)雜測(cè)試信號(hào)需求分析的基礎(chǔ)上，提出了分類調(diào)理、復(fù)用測(cè)量的組合測(cè)試機(jī)制，并給出了系統(tǒng)驗(yàn)證和測(cè)試結(jié)果。測(cè)試表明，對(duì)于多通道、多種類、高密度被測(cè)信號(hào)，提出的分類調(diào)理、復(fù)用測(cè)量的組合測(cè)試方案能夠在滿足測(cè)試精度和時(shí)效性的要求下，有效簡(jiǎn)化測(cè)試系統(tǒng)，減小體積尺寸，提高測(cè)試系統(tǒng)的機(jī)動(dòng)性與靈活性，對(duì)于被測(cè)信號(hào)和測(cè)試系統(tǒng)的適配、同步問題，提出的整套調(diào)理控制編碼機(jī)制和編碼參數(shù)化的測(cè)試指令，能夠有效實(shí)現(xiàn)調(diào)理電路的軟件可定義，提高了系統(tǒng)的復(fù)用性和自動(dòng)化的程度。本文提出的組合測(cè)量機(jī)制對(duì)面向復(fù)雜信號(hào)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)研制具有重要參考價(jià)值。