夏永松, 劉軼萍, 周益青

(上海無(wú)線(xiàn)電設(shè)備研究所,上海200090)

0 引言

虛擬儀器是一種基于計(jì)算機(jī)的自動(dòng)化測(cè)試儀器系統(tǒng),是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。它以計(jì)算機(jī)為核心,配置不同的I/O接口設(shè)備,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集和傳輸,并結(jié)合高效靈活的測(cè)試軟件對(duì)接口的信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理來(lái)完成各種測(cè)試、測(cè)量和自動(dòng)化的應(yīng)用。

目前,使用較為廣泛的語(yǔ)言是 NI公司的LabVIEW。LabVIEW是一種圖形化的編程語(yǔ)言,是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件[1]。

在導(dǎo)彈接收機(jī)測(cè)試設(shè)備中,往往需要處理來(lái)自不同接口、不同通道的信號(hào)。這就對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的接口控制、通道擴(kuò)展及信號(hào)分析處理提出了更高的要求。在以往的測(cè)試系統(tǒng)中,對(duì)于多路信號(hào)的控制和檢測(cè),往往通過(guò)測(cè)試設(shè)備手工操作完成,如由示波器測(cè)試波形,頻譜儀測(cè)試功率,設(shè)置射頻合成信號(hào)發(fā)生器頻率、功率和調(diào)制方式,萬(wàn)用表測(cè)量電壓信號(hào)等,操作繁瑣,效率低下,成本昂貴。本系統(tǒng)采用虛擬儀器技術(shù),配置不同接口和通道的I/O設(shè)備,構(gòu)建了基于LabVIEW的虛擬儀器平臺(tái),使得測(cè)試中由軟件控制、顯示代替了多數(shù)的手工操作,可同時(shí)處理的信號(hào)種類(lèi)多,操作簡(jiǎn)易,并降低了成本,實(shí)現(xiàn)了對(duì)某型號(hào)導(dǎo)彈不同接口、不同通道的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析處理[2]。

1 系統(tǒng)硬件組成

測(cè)試系統(tǒng)以AD-Link公司的工控機(jī)為平臺(tái),通過(guò)內(nèi)置的PCI總線(xiàn)插槽擴(kuò)展了MOXA公司的串口擴(kuò)展卡CP-114I、凌華公司的 LPX/PXI-3488A GPIB控制卡、PCI-6221系列多通道數(shù)據(jù)采集卡,外接中電集團(tuán)41所的AV 1485射頻合成信號(hào)發(fā)生器、某型號(hào)高頻頭、某型號(hào)導(dǎo)彈模擬信號(hào)源、某型號(hào)導(dǎo)彈接收機(jī)等,構(gòu)成某型號(hào)導(dǎo)彈接收機(jī)測(cè)試系統(tǒng),結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中,工控機(jī)作為測(cè)試系統(tǒng)的核心單元,負(fù)責(zé)對(duì)各個(gè)接口和通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。圖中的箭頭方向代表數(shù)據(jù)的傳輸方向。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

工控機(jī)與模擬信號(hào)源:工控機(jī)作為控制端設(shè)置頻點(diǎn)、彈號(hào)、角度、目標(biāo)位置等導(dǎo)彈控制指令,數(shù)據(jù)組幀后通過(guò)RS422接口發(fā)送給模擬信號(hào)源,同時(shí)信號(hào)源也經(jīng)由RS422口向工控機(jī)反饋的自檢、復(fù)位等信息。

工控機(jī)與AV 1485:工控機(jī)通過(guò)GPIB電纜連接至AV 1485,通過(guò)LabV IEW軟件儀器I/O中的GPIB函數(shù),設(shè)置AV 1485的輸出功率、頻點(diǎn)和信號(hào)調(diào)制方式等,將基帶信號(hào)調(diào)制后在信道中傳輸。

工控機(jī)與接收機(jī):接收機(jī)的信號(hào)一部分通過(guò)PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡發(fā)送至工控機(jī),由需要測(cè)量的信號(hào)種類(lèi)確定數(shù)據(jù)采集卡通道數(shù);另一部分則經(jīng)由RS422口發(fā)送至工控機(jī)。工控機(jī)對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,并依據(jù)協(xié)議判斷接收機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)采集與儀器控制是LabV IEW最具競(jìng)爭(zhēng)力的核心技術(shù)之一。LabVIEW提供了豐富的接口處理控件,在安裝接口板卡驅(qū)動(dòng)程序后,即可以調(diào)用這些接口處理控件進(jìn)行接口讀寫(xiě)操作,使得對(duì)于多接口的數(shù)據(jù)處理成為可能[3]。

2.1 RS422接口的數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)采用MOXA公司的CP-114I串行接口擴(kuò)展板卡,擴(kuò)展了4路串行接口。采用RS422全雙工差分物理接口,實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與模擬信號(hào)源、接收機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。

每個(gè)RS422接口的1、2管腳為工控機(jī)數(shù)據(jù)發(fā)送管腳,3、4管腳為工控機(jī)數(shù)據(jù)接收管腳,5管腳為信號(hào)地線(xiàn)。傳輸模式為1 bit起始位,8 bit數(shù)據(jù),1 bit偶檢驗(yàn),1 bit停止位,并依據(jù)技術(shù)要求設(shè)置串口波特率。

為了方便對(duì)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行分析處理,需要制定通信協(xié)議。通信時(shí)低位以及低字節(jié)數(shù)據(jù)在前,設(shè)置幀同步信號(hào)和數(shù)據(jù)校驗(yàn)和。在傳輸端依據(jù)協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)組幀,在接收端依據(jù)協(xié)議對(duì)幀數(shù)據(jù)解包。協(xié)議參考如表1所示。

表1 串口通信協(xié)議

發(fā)送數(shù)據(jù)流,如圖2所示。圖中,ΔT為每幀數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)隙。

圖2 幀數(shù)據(jù)的發(fā)送

軟件處理過(guò)程中,發(fā)送端組幀發(fā)送幀數(shù)據(jù),接收端對(duì)接收到的幀數(shù)據(jù)解包,首先判斷同步字和校驗(yàn)和,如果同步字和校驗(yàn)和正確,則對(duì)指令字進(jìn)行解析并顯示,否則將數(shù)據(jù)幀做丟幀處理。通過(guò)對(duì)發(fā)送和接收的指令字?jǐn)?shù)據(jù)比較,可以得到傳輸數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性與正確性。通過(guò)統(tǒng)計(jì)發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)與接收的數(shù)據(jù)幀數(shù)目,可以計(jì)算出系統(tǒng)的漏包數(shù)量和漏包率;通過(guò)比較收發(fā)的幀數(shù)據(jù)信息,可以測(cè)試出系統(tǒng)的運(yùn)行誤碼數(shù)與誤碼率;再由誤碼率、漏包率可以得到系統(tǒng)的運(yùn)行靈敏度。串口數(shù)據(jù)發(fā)送與接收流程圖,如圖3和圖4所示。

圖3 串口數(shù)據(jù)發(fā)送

圖4 串口數(shù)據(jù)接收

軟件采用虛擬儀器軟件架構(gòu)(Virtual Instruments Software A rchitecture,簡(jiǎn)稱(chēng)V ISA)實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的配置、寫(xiě)入、讀取、關(guān)閉等控制。V ISA是目前流行的儀器編程方式。通過(guò)VISA用戶(hù)能與大多數(shù)儀器總線(xiàn)連接,包括 USB、串口、GPIB、PXI、VXI和以太網(wǎng)等,通過(guò)相同的VISA庫(kù)函數(shù)并配置不同的設(shè)備參數(shù),可以編寫(xiě)控制各種I/O接口儀器的通用函數(shù)[3]。

2.2 GPIB設(shè)備的程控實(shí)現(xiàn)

通過(guò)GPIB接口技術(shù),各種不同的儀器設(shè)備可以方便地組成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)采用AV 1485設(shè)置發(fā)射信號(hào)的工作頻點(diǎn)、功率和調(diào)制方式,并將調(diào)制信號(hào)輸出。軟件采用LabVIEW中儀器I/O的GPIB函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)AV 1485的控制。

軟件中首先使用SCPI(Standard Commands for Programmab le Instruments)命令設(shè)定信號(hào)的工作頻點(diǎn)(或者功率、調(diào)制方式),SCPI是一套標(biāo)準(zhǔn)的命令集,該命令集作為一個(gè)規(guī)范,與硬件無(wú)關(guān),與編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)。

無(wú)論是基于GPIB、串口還是VXI的任何儀器都可以采用符合SCPI標(biāo)準(zhǔn)的命令集。再將設(shè)定好的數(shù)據(jù)以字符串?dāng)?shù)據(jù)格式輸入GPIB寫(xiě)入函數(shù),并設(shè)置GPIB設(shè)備的地址,即可完成對(duì)AV 1485的程控。

2.3 DAQ多路數(shù)據(jù)采集

接收機(jī)接收經(jīng)由信道傳送的調(diào)制信號(hào),并將接收的信號(hào)通過(guò)不同接口和通道反饋到測(cè)試設(shè)備,由測(cè)試設(shè)備對(duì)數(shù)據(jù)分析處理。系統(tǒng)中接收機(jī)的部分模擬信號(hào)通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡,經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由工控機(jī)對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。系統(tǒng)采用NI公司的16位PCI-6221數(shù)據(jù)采集卡完成多路數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集任務(wù)。PCI-6221共有16路模擬輸入通道,單通道最高采樣率可達(dá)250 kS/s。

系統(tǒng)使用了全部16路模擬輸入通道,用于采集接收機(jī)的各種電壓信號(hào)、復(fù)位脈沖信號(hào)、周期翻轉(zhuǎn)信號(hào)等各種模擬信號(hào)量。設(shè)備采樣率設(shè)為1 K,采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為400,采用連續(xù)采樣方式。對(duì)于電壓等穩(wěn)態(tài)信號(hào),抽取400個(gè)采樣數(shù)據(jù)的最大值和最小值分別顯示;對(duì)于復(fù)位脈沖信號(hào)和周期翻轉(zhuǎn)信號(hào),則使用波形圖顯示。

相對(duì)于以往使用示波器掃描波形、萬(wàn)用表測(cè)量電壓、電流值等測(cè)試手段,采用數(shù)據(jù)采集卡具有價(jià)格便宜、可同時(shí)處理多路數(shù)據(jù)、信號(hào)易于軟件實(shí)時(shí)處理等明顯優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)使用低成本的數(shù)據(jù)采集卡代替了示波器、萬(wàn)用表等較為昂貴的測(cè)試儀表,同時(shí)使用軟件處理通道信號(hào)并進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示,既簡(jiǎn)化了操作也節(jié)約了成本。

經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡得到的復(fù)位脈沖信號(hào)、周期翻轉(zhuǎn)信號(hào)等如下圖5和圖6所示。

圖5 復(fù)位脈沖信號(hào)

圖6 周期翻轉(zhuǎn)信號(hào)

多路模擬通道的數(shù)據(jù)經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換后,輸入工控機(jī)的數(shù)據(jù)是一個(gè)包含所有通道數(shù)據(jù)的N*M數(shù)組,N為通道數(shù),M為每通道采樣數(shù)值。由于需要對(duì)多路通道數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理,故首先將N*M數(shù)組拆分為N個(gè)一維數(shù)組,再對(duì)拆分后的一維數(shù)組分別處理。模擬通道數(shù)據(jù)采集處理流程,如圖7所示。

圖7 多路模擬通道數(shù)據(jù)處理流程

數(shù)據(jù)采集和分析處理的軟件實(shí)現(xiàn)由Lab-VIEW中的NI-DAQm x數(shù)據(jù)采集V I和函數(shù)實(shí)現(xiàn)。NI-DAQmx數(shù)據(jù)采集V I與N I-DAQ硬件設(shè)備用于開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集和控制應(yīng)用程序。數(shù)據(jù)采集和處理的軟件基本流程,如圖8所示。

2.4 測(cè)試報(bào)表生成

圖8 DAQmx數(shù)據(jù)采集處理流程

測(cè)試報(bào)表是測(cè)試系統(tǒng)必不可少的一部分。自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)表可以提高系統(tǒng)的自動(dòng)化測(cè)試水平,也是自動(dòng)化測(cè)試的一個(gè)難點(diǎn)。系統(tǒng)采用Lab-VIEW O ffice報(bào)表生成工具包MSOffice Report Generation Toolkit,生成基于Word表格的測(cè)試報(bào)表。在軟件處理過(guò)程中,建立一個(gè)W ord表格并自動(dòng)顯示。在LabVIEW中,W ord表格是一個(gè)多維數(shù)組,表格中的每個(gè)單元格即是數(shù)組的一個(gè)元素,將需要測(cè)量的數(shù)據(jù)變量賦值給對(duì)應(yīng)的數(shù)組元素,即可得到實(shí)時(shí)的測(cè)試報(bào)表。

3 結(jié)束語(yǔ)

論文依據(jù)實(shí)際工作中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和自動(dòng)化測(cè)試要求,設(shè)計(jì)了一套基于虛擬儀器的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)處理多通道的采集數(shù)據(jù),相對(duì)于以往的測(cè)試手段,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,節(jié)約了成本,測(cè)試簡(jiǎn)便,數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確,可同時(shí)處理的數(shù)據(jù)通道多,測(cè)試報(bào)表可以自動(dòng)生成,提高了自動(dòng)化測(cè)試水平,具有較好的擴(kuò)展性、通用性和可移植性。

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