基于LXI總線的液浮陀螺穩(wěn)定平臺自動化測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

(1.火箭軍士官學(xué)校，山東 青州 262500; 2.火箭軍工程大學(xué)，西安 710025)

0 引言

陀螺穩(wěn)定平臺是導(dǎo)彈制導(dǎo)和控制系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接影響導(dǎo)彈的命中精度[1-2]。陀螺穩(wěn)定平臺的主要功能包括建立測量基準(zhǔn)、測量導(dǎo)彈飛行的姿態(tài)角及測量導(dǎo)彈飛行的視加速度。在導(dǎo)彈發(fā)射之前為了確保其功能和精度滿足系統(tǒng)的要求，需要對其進(jìn)行測試和誤差系數(shù)的標(biāo)定。

LXI(LAN eXtension for Instrumentation)總線是近年來備受矚目的新一代基于以太網(wǎng)的總線技術(shù)[3]。它融合了GPIB儀器的高性能，VXI、PXI儀器的小體積以及LAN的高吞吐率，其目的是組建靈活、高效、可靠、模塊化的測試平臺。IVI(Interchangeable Virtual Instrument)技術(shù)規(guī)范是IVI基金會在VPP規(guī)范基礎(chǔ)上定義儀器的標(biāo)準(zhǔn)接口、通用結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方法，用于開發(fā)一種可互換性、高性能、更易于開發(fā)維護(hù)的儀器編程模型[4]。它是基于網(wǎng)絡(luò)的測量總線，解決了測試平臺和測試設(shè)備之間接口總線定時、同步、控制和數(shù)據(jù)傳輸?shù)葐栴}，能夠?qū)崿F(xiàn)對分布式被測設(shè)備的測試[5]。使測試工程師獲得更大的硬件獨(dú)立性，減少軟件維護(hù)和支持費(fèi)用、縮短儀器編程時間、提高運(yùn)行性能。

針對某型陀螺穩(wěn)定平臺測試自動化程度不高的問題，本文提出將LXI總線技術(shù)和IVI技術(shù)應(yīng)用到自動化測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)的測試精度和可靠性，具有很好的可擴(kuò)展性。實(shí)驗(yàn)表明研制的自動化測試系統(tǒng)能很好的完成液浮陀螺穩(wěn)定平臺各項(xiàng)功能和精度的測試。

1 總體設(shè)計(jì)

被測對象液浮陀螺穩(wěn)定平臺主要由平臺本體、平臺電子線路裝置、加速度模數(shù)轉(zhuǎn)換裝置等組成，測試系統(tǒng)主要由測試控制臺、是德34 980 A多功能開關(guān)/測量單元、是德53 220 A通用頻率計(jì)數(shù)器/計(jì)時器及L4421A多路復(fù)用器、測試計(jì)算機(jī)、終端計(jì)算機(jī)、八通道虛擬示波器、三相換流器、高頻換流器、脈沖放大器、穩(wěn)壓器、50 A大功率電源、轉(zhuǎn)臺等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 陀螺穩(wěn)定平臺自動測試系統(tǒng)框圖

28 V、50 A大功率電源一路輸出通過測試控制臺直接給陀螺穩(wěn)定平臺供電，用于儀表和臺體的加溫，另一路輸出給二次電源供電，二次電源輸出的各種交、直流電源通過測試控制臺后加于陀螺穩(wěn)定平臺上。平臺系統(tǒng)開始工作，由測試控制臺上的開關(guān)和測試計(jì)算機(jī)中的測試軟件控制平臺系統(tǒng)處于不同的狀態(tài)(如：穩(wěn)定、歸零、對準(zhǔn)、鎖定等)，完成對過程數(shù)據(jù)的實(shí)時采集，并進(jìn)行實(shí)時顯示、處理、保存及打印。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 測試控制臺

平臺系統(tǒng)單元測試控制臺內(nèi)共裝有十二塊電子線路板，全部裝在3個線路插件盒中。其中，“報警”線路盒中有一塊儀表超溫報警線路板、一塊姿態(tài)鎖定測試放大器線路板和一塊框架角控制器線路板；“調(diào)平”盒中有兩塊調(diào)平校正網(wǎng)絡(luò)板、兩塊調(diào)平功率放大器板和兩塊調(diào)平顯示電路板；“鎖定”盒中有三塊姿態(tài)鎖定測試放大板。

2.2 基于LXI總線的模擬量采集

是德34980 A多功能開關(guān)/測量單元外加一塊是德34922A和34922T端接塊可實(shí)現(xiàn)33路信號調(diào)理和循環(huán)高精度采集。

是德34980 A是一個靈活、可靠的開關(guān)和數(shù)據(jù)采集平臺，主要特性與技術(shù)指標(biāo)：(1)8槽主機(jī)，21種模塊可選擇；(2)掃描速度每秒高達(dá)1000通道；(3)配置GPIB、USB及LAN，符合LXI C類標(biāo)準(zhǔn)；(4)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程訪問等。

是德34 922 A是70通道電樞多路轉(zhuǎn)換器，主要特性與技術(shù)指標(biāo)：(1)70路雙線通道；(2)雙線或四線混合配置；(3)掃描速度高達(dá)每秒100通道；(4)300 V，1 A開關(guān)；(5)2 A負(fù)載電流；(6)自鎖電樞繼電器。

33路信號名稱及連接關(guān)系如表1所示。

2.3 基于LXI總線的脈沖量采集

平臺系統(tǒng)內(nèi)部的模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路(即I/F轉(zhuǎn)換器)把與被測量成正比關(guān)系的電流變成脈沖，脈沖數(shù)的多少反映了電流的大小，正、負(fù)通道輸出脈沖反映了電流的極性?？梢赃x擇基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，也可以選擇臺式儀表，選擇考慮兩個因素：(1)數(shù)據(jù)采集卡信號輸入量程和平臺輸出脈沖量程的匹配。目前市面上絕大部分?jǐn)?shù)據(jù)采集卡對輸入信號的電壓要求為±5 V，而平臺輸出脈沖信號的電壓要大于5 V。如果直接將平臺的輸出接入數(shù)據(jù)采集卡，會對采集卡造成損壞甚至燒毀，為解決這一問題，在平臺的輸出和采集卡輸入之間要設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)調(diào)理電路，以解決輸入和輸出之間量程的匹配。(2)對采集卡采集頻率的要求。選擇是德53220A 350 MHz通用計(jì)數(shù)器/計(jì)時器可以很好的解決以上兩個問題。

表1 是德34980A信號連接

是德53220A 350 MHz通用計(jì)數(shù)器/計(jì)時器是一款雙通道頻率計(jì)數(shù)器，能夠執(zhí)行所需的全部頻率和時間間隔測量。它可以添加可選的射頻通道，以進(jìn)行6或15 GHz測量。主要特性與技術(shù)指標(biāo)：(1)2個350 MHz輸入通道，加可選的第3通道(6 GHz或15 GHz)；(2)12位/秒分辨率，100 ps時間間隔分辨率；(3)標(biāo)配LXI-C/LAN和USB，可選GPIB。

但是，是德53220A 350 MHz通用計(jì)數(shù)器/計(jì)時器只有兩個計(jì)數(shù)通道，而平臺輸出的脈沖路數(shù)多于兩路，故選用是德L4421A多路復(fù)用器對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)接，實(shí)現(xiàn)多路脈沖信號的分時測量。

是德L4421A多路復(fù)用器是一款用于通用掃描的多功能、高性能40通道銜鐵式多路復(fù)用器。它在端接模塊上可與外部萬用表結(jié)合使用。4個帶熔絲的附加輸入(總共44個通道)可把1 A電流送至外部萬用表，從而無需使用外部分流電阻器即可進(jìn)行交流和直流電流測量。標(biāo)準(zhǔn)的50針Dsub連接器可與標(biāo)準(zhǔn)電纜、端接模塊或大容量互聯(lián)解決方案一起使用。主要特性與技術(shù)指標(biāo)：(1)符合LXI-C類標(biāo)準(zhǔn)，包含內(nèi)置以太網(wǎng)連通性。(2)全功能圖形Web界面。(3)40個雙線自鎖銜鐵式繼電器。(4)用于使用外部萬用表進(jìn)行溫度測量的熱電偶參考接點(diǎn)繼電器計(jì)數(shù)器。(5)掃描速度高達(dá)100通道/秒。(6)300 V、1 A開關(guān)，2 A承載電流。

表2 是德L4421A信號連接

2.4 基于LXI總線的信號高速采集

搭建了八通道虛擬示波器，用于對關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測、存儲、打印。

示波器技術(shù)參數(shù)如下：(1)最大帶寬70 MHz；(2)最大實(shí)時采樣率：1GSa/s；(3)存儲深度：64K /CH；(4)自動設(shè)置(AUTOSET)；(5)快速傅里葉變換(FFT)；(6)20種自動測量；(7)光標(biāo)測量；(8)波形存儲，記錄和回放動態(tài)波形；(9)自校正；(10)加，減，乘和除計(jì)算；(11)波形平均；(12)可調(diào)波形清晰度。

2.5 大功率電源

由于液浮陀螺穩(wěn)定平臺系統(tǒng)功耗較大，尤其是平臺加溫需要很大的電流，故選用龍威TPR6050D直流穩(wěn)壓電源，該電源采用線性串聯(lián)調(diào)整方式，具有較高的穩(wěn)定性和低紋波等優(yōu)點(diǎn)。采用基準(zhǔn)電壓懸浮迭加技術(shù)，輸出電壓可以從零伏調(diào)到額定值，輸出電流可以從零安培預(yù)置到額定值。預(yù)穩(wěn)電路采用繼電器控制，使整流橋兩端電壓平穩(wěn)變化。從而保證調(diào)整管壓降相對穩(wěn)定。

技術(shù)指標(biāo)如下所示：

1)輸入電壓：AC220V±10%，50 Hz±5 Hz；

2)輸出電壓：0-標(biāo)稱值之間連續(xù)可調(diào)；

3)輸出電流：0-標(biāo)稱值之間連續(xù)可調(diào)；

4)電源效應(yīng)：CV≤5×10-3+5mV，

CC≤7×10-3+10mA；

5)負(fù)載效應(yīng)：CV≤5×10-3+5mV，

CC≤7×10-2+10mA；

6)周期與隨機(jī)漂移：Vp-p≤30mV。

2.6 關(guān)鍵技術(shù)及方法

2.6.1 模擬量及脈沖量的多通道高精度測量技術(shù)

33路模擬量經(jīng)過70通道電樞多路轉(zhuǎn)換器34922A后，進(jìn)入34980A多功能開關(guān)/測量單元進(jìn)行信號調(diào)理和高精度采集，采集結(jié)果傳輸?shù)綔y試計(jì)算機(jī)上； 5路脈沖經(jīng)過40路多路復(fù)用器L4421A后，進(jìn)入53220A通用頻率計(jì)數(shù)器/計(jì)時器進(jìn)行調(diào)理并高精度計(jì)數(shù)，測試結(jié)果傳輸?shù)綔y試計(jì)算機(jī)上。模擬量和脈沖量均在儀表內(nèi)部進(jìn)行調(diào)理，不許再加額外轉(zhuǎn)接箱。

2.6.2 基于LXI總線的網(wǎng)絡(luò)測試技術(shù)

該系統(tǒng)是基于LXI總線的自動化測試系統(tǒng)，選用的34980A多功能開關(guān)/測量單元、L4421A多路復(fù)用器、53220A通用頻率計(jì)數(shù)器/計(jì)時器都是符合LXI標(biāo)準(zhǔn)的C類儀器，故采集后的數(shù)據(jù)都可以通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，從而實(shí)現(xiàn)陀螺穩(wěn)定平臺的網(wǎng)絡(luò)測試。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件系統(tǒng)功能

開發(fā)了基于C#的《陀螺穩(wěn)定平臺自動測試系統(tǒng)主控機(jī)軟件》和《陀螺穩(wěn)定平臺自動測試系統(tǒng)終端機(jī)軟件》，針對不同的功能開發(fā)了相應(yīng)的軟件模塊，可以完成對數(shù)據(jù)的采集、顯示、保存、打印等功能。

3.2 軟件系統(tǒng)組成

測試系統(tǒng)主控機(jī)軟件由電源電壓測試、加溫電阻值測試、框架歸零系統(tǒng)、平臺穩(wěn)定系統(tǒng)、姿態(tài)鎖定系統(tǒng)、初始對準(zhǔn)系統(tǒng)、姿態(tài)角測量系統(tǒng)、視加速度測量系統(tǒng)、平臺漂移測試等功能模塊組成，如圖2所示。

圖2 軟件功能模塊圖

部分測試子界面分別如圖3～5所示。

圖3 電源電壓測試界面

圖4 測溫電阻值測試界面

圖5 框架歸零系統(tǒng)界面

3.3 軟件編程方法

軟件開發(fā)中采用了IVI技術(shù)規(guī)范，有效提高了系統(tǒng)中所用儀器的克互換性和代碼的可重復(fù)性，也降低了系統(tǒng)升級的成本和難度。IVI技術(shù)規(guī)范用于開發(fā)一種高性能、易于開發(fā)維護(hù)、可互換性的儀器編程模型，它是在VPP規(guī)范的基礎(chǔ)上定義的通用結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)接口及實(shí)現(xiàn)方法。IVI技術(shù)進(jìn)一步提升了儀器驅(qū)動器的標(biāo)準(zhǔn)化程度，使儀器驅(qū)動器提升到了儀器類的互操作性。通過為各類儀器定義API接口，系統(tǒng)開發(fā)人員在編程時可以做到最大程度的不考慮硬件，當(dāng)替代原有儀器或加入新儀器時，或進(jìn)行系統(tǒng)升級時，代碼可以不用做太大的改動，大大提高了代碼的利用率，也降低了成本縮短了開發(fā)周期。

從是德官網(wǎng)下載相應(yīng)儀器的IVI驅(qū)動，查詢windows操作系統(tǒng)的位數(shù)是32位 還是64位，選擇相應(yīng)的安裝包進(jìn)行下載并安裝。在開始-程序目錄中找到相應(yīng)的儀器文件夾，里面有例程、幫助文檔和儀器資料的中英文介紹。一般例程中只給出遠(yuǎn)程操作這臺儀器的連接及關(guān)閉的簡單方法，要實(shí)現(xiàn)對某個測試對象參數(shù)的測量，需要查找儀器資料和編程的幫助文檔。具體實(shí)現(xiàn)方法是，本文在VS2008編程環(huán)境下，基于C#語言編寫winform程序，首先在工程引用中加入相應(yīng)儀器的驅(qū)動文件，一般是.dll后綴的文件。通過儀器的IP地址建立與儀器的連接，連接成功后，儀器的右上角會顯示FMT字樣，表示儀器正在接受遠(yuǎn)程操作。

程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程圖

以下為脈沖量采集的程序代碼。

driver.TotalizeTimed.Configure(30.0, 1);

driver.System.TimeoutMilliseconds = 50000;

driverL4421.System.IO.IO.WriteString("ROUT:SCAN (@1001,1002,1024,1025)");

driverL4421.System.IO.IO.WriteString("ROUT:CHAN:DELAY 30, (@1001,1002,1024,1025)");

driverL4421.System.IO.IO.WriteString("TRIG:COUNT 1");

driverL4421.System.IO.IO.WriteString("ROUT:CHAN:ADV:SOUR IMM");

driver.Measurement.Initiate();

driverL4421.System.IO.IO.WriteString("INIT");

Data1 = driver.Measurement.Fetch();

driver.Measurement.Initiate();

Data2 = driver.Measurement.Fetch();

driver.Measurement.Initiate();

Data3 = driver.Measurement.Fetch();

driver.Measurement.Initiate();

Data4 = driver.Measurement.Fetch();

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

利用該系統(tǒng)對陀螺穩(wěn)定平臺的交直流電壓及測溫電阻值進(jìn)行了測量，結(jié)果如表2～4所示。

表2 平臺交流電壓測試結(jié)果及分析

表3 平臺直流電壓測試結(jié)果及分析

表4 平臺測溫電阻值測試結(jié)果及分析

分析測試結(jié)果后，得出平臺單相交流、三相交流、+28 V直流、+15 V直流、-15 V直流、冷態(tài)測溫電阻值及熱態(tài)測溫電阻值均滿足技術(shù)指標(biāo)要求。

5 結(jié)語

本文針對某型液浮陀螺穩(wěn)定平臺測試系統(tǒng)自動化程度不高的問題，提出將LXI總線技術(shù)和IVI技術(shù)應(yīng)用到該測試系統(tǒng)中，研制了自動化測試系統(tǒng)。新技術(shù)的應(yīng)用能降低系統(tǒng)的開發(fā)難度，提高測試精度和可靠性，并且具有很好的可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)能很好的完成液浮陀螺穩(wěn)定平臺各項(xiàng)功能和精度的測試。