郭洪巖，張秀勇，何慧

(北京振興計量測試研究所，北京100074)

0 引言

上世紀(jì)80年代以來，我國的飛航導(dǎo)彈武器裝備有了跨越式發(fā)展，國防工業(yè)部門研制生產(chǎn)了各系列飛航導(dǎo)彈武器系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，飛航導(dǎo)彈武器裝備的復(fù)雜程度越來越高，為了滿足其研制、設(shè)計、生產(chǎn)以及維護(hù)保障需求，自動化測試系統(tǒng)(簡稱ATS)大量應(yīng)用，已經(jīng)逐步成為飛航導(dǎo)彈武器裝備的主要檢測維護(hù)手段和可靠運(yùn)行的必要保證，是各級軍械保障大隊必備的保障裝備之一。

ATS是通過各類總線構(gòu)建的多功能、多參數(shù)的先進(jìn)綜合性測試系統(tǒng)，與傳統(tǒng)測試設(shè)備相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積較大、價格昂貴，因此如果將ATS完整系統(tǒng)送計量機(jī)構(gòu)進(jìn)行實驗室檢定校準(zhǔn)，人力、物力成本高，且在檢定校準(zhǔn)后的運(yùn)輸過程中有可能導(dǎo)致ATS的失準(zhǔn);而如果將ATS的各功能模塊拆開分別送檢，由于ATS測試通道多，需要激勵的信號繁雜，不僅導(dǎo)致檢定難度增加，更主要的是無法考察整個ATS系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)是否符合相關(guān)技術(shù)要求。這要求ATS檢定校準(zhǔn)由傳統(tǒng)的單值計量向多參數(shù)的綜合計量轉(zhuǎn)化、各獨(dú)立模塊單獨(dú)計量向系統(tǒng)級計量轉(zhuǎn)化、手動人工計量向自動化計量轉(zhuǎn)化、實驗室內(nèi)檢定向現(xiàn)場的機(jī)動化檢定轉(zhuǎn)化。因此，研制涵蓋多參數(shù)，具備通用性、可擴(kuò)展性的自動化現(xiàn)場檢定裝置成為必然的選擇。

本文介紹了一種基于PXI總線的飛航導(dǎo)彈武器裝備現(xiàn)場檢定系統(tǒng)設(shè)計方案［1，2］。該方案通過虛擬儀器編程語言LabVIEW完成程序集的開發(fā)，實現(xiàn)對飛航導(dǎo)彈武器裝備自動化測試系統(tǒng)的現(xiàn)場檢定。該方案既能縮短設(shè)備的開發(fā)周期，開發(fā)出界面友好的測試軟件，又能使檢定系統(tǒng)具有良好的通用性和可擴(kuò)展性。

1 總體方案設(shè)計

1.1 ATS分析

ATS涉及參數(shù)類型多，有電學(xué)、無線電、幾何量等，既有靜態(tài)性能，又有動態(tài)性能的測試。ATS組成隨著被測對象組成的不同會有一些差異，但基本上都可分為三部分:通用電氣平臺、通用外圍設(shè)備和專用外圍設(shè)備，其組成框圖如圖1所示。

通用電氣平臺一般由通用電源、計算機(jī)系統(tǒng)以及控制總線組成。通用外圍設(shè)備一般包括具有通用功能的貨架產(chǎn)品(如示波器、通用信號源、大功率電源)、標(biāo)準(zhǔn)總線程控模塊等;按其實現(xiàn)功能的不同可分為模擬類、數(shù)字類、開關(guān)類和脈沖類，除開關(guān)類外，其他三類都包含激勵類和響應(yīng)類。專用外圍設(shè)備中更多的是專用設(shè)備，如專用雷達(dá)信號源、高度模擬器、高度表信號源、雷達(dá)目標(biāo)模擬器、紅外目標(biāo)模擬器、轉(zhuǎn)臺、景象模擬器等，這些設(shè)備與具體型號上的分系統(tǒng)密切相關(guān)，可根據(jù)被測對象而組合使用。

綜上，ATS具有如下特點:

1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自動化程度高

ATS一般把多種不同的控制或測試設(shè)備集成在一個或幾個機(jī)箱或機(jī)柜里，甚至集成在一部測試車或方艙里，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜;系統(tǒng)基于程控總線平臺搭建，各專用、通用外圍設(shè)備均具備程控接口，自動化程度高。

圖1 ATS組成框圖

2)涉及計量參數(shù)較多

ATS所涉及到的參數(shù)種類多，除了通常的電壓、電流、頻率、電阻等電學(xué)參數(shù)，功率、衰減、脈沖參數(shù)等無線電參數(shù)，還有很多幾何量、光學(xué)等參數(shù)。

3)信號接口復(fù)雜多樣，與標(biāo)準(zhǔn)接口不匹配

為了保障測試數(shù)據(jù)可靠、真實，ATS要盡可能地接近被測設(shè)備(UUT)，由于UUT接口的多樣性和特殊性，導(dǎo)致ATS信號接口復(fù)雜，很難與檢定系統(tǒng)相匹配。

1.2 現(xiàn)場檢定系統(tǒng)的設(shè)計思想

針對ATS的測試需求及自身特點，本現(xiàn)場檢定系統(tǒng)(OVS)的設(shè)計思想為:

1)信息化——提高計量系統(tǒng)的信息化能力

實現(xiàn)計量過程的自動化、計量信息的數(shù)字化和技術(shù)支持的實時化。既方便部隊使用，有效減少人為誤差，提高測試準(zhǔn)確度，又能夠分步實現(xiàn)計量工作管理、超期預(yù)警、設(shè)備健康管理等功能。同時，保持計量系統(tǒng)和采用的信息化技術(shù)具有一定的前瞻性，為將來實現(xiàn)武器系統(tǒng)的綜合數(shù)據(jù)管理和遠(yuǎn)程技術(shù)支持奠定基礎(chǔ)。

2)機(jī)動性——實現(xiàn)現(xiàn)場計量保障

OVS應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，具有良好的機(jī)動性?？裳b載在方艙或特裝車上實現(xiàn)系統(tǒng)的機(jī)動化，也可以根據(jù)需要在指定的時間到達(dá)指定的地點，有利于根據(jù)整體的作戰(zhàn)方案部署計量保障工作，開展大范圍的計量保障。

3)擴(kuò)展性——具備檢定功能可擴(kuò)展性

OVS預(yù)留擴(kuò)展接口，通過適當(dāng)增加通用、專用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備、配備相應(yīng)計量軟件，實現(xiàn)或擴(kuò)展參數(shù)、或擴(kuò)展量程，最終實現(xiàn)兼容其它型號ATS的計量檢定要求。

4)可溯源性——保證ATS的量值能夠溯源到國家標(biāo)準(zhǔn)［3］

ATS中需要計量的儀器儀表的量值溯源到OVS，OVS中的標(biāo)準(zhǔn)儀器、設(shè)備可以溯源到滿足條件的部隊計量站或具備資質(zhì)的計量技術(shù)機(jī)構(gòu)，通過不間斷的溯源鏈，最終溯源到國家或國防最高計量標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 設(shè)計方案

按照被檢ATS的參數(shù)分類，可將OVS劃分為對應(yīng)功能的分系統(tǒng)檢定裝置，各分系統(tǒng)檢定裝置在系統(tǒng)主機(jī)的控制下協(xié)同工作。系統(tǒng)主機(jī)與被檢ATS主控計算機(jī)之間通過專用計量軟件實現(xiàn)通訊，形成全自動的檢定流程，最終打印輸出檢定證書。OVS組成框圖如圖2所示。

圖2 OVS組成框圖

2 硬件設(shè)計

鑒于OVS相對復(fù)雜，本文重點介紹電氣參數(shù)現(xiàn)場檢定裝置的設(shè)計，其他參數(shù)可參考設(shè)計。

2.1 電氣參數(shù)現(xiàn)場檢定裝置功能分析

電氣參數(shù)現(xiàn)場檢定裝置主要負(fù)責(zé)計量ATS中的交直流電源、UPS電源、電氣通道電壓測量及電壓輸出、電阻測量等。因此，電氣參數(shù)現(xiàn)場檢定裝置應(yīng)具有手動、程控兩種操作方式，具備交直流信號輸出功能，具備交直流電壓、交直流電流、電阻、頻率測量、失真、具備功能，可程控通道數(shù)量多(本系統(tǒng)具有96通道)。

2.2 電氣參數(shù)現(xiàn)場檢定裝置硬件設(shè)計

電氣參數(shù)現(xiàn)場檢定系統(tǒng)由測控主機(jī)、電子負(fù)載、適配器等組成，如圖3所示。

圖3 電氣參數(shù)現(xiàn)場檢定系統(tǒng)框圖

測控主機(jī)主要有信號輸出和測量功能，采用PXI總線構(gòu)架，包括PXI機(jī)箱、PXI控制器板卡、PXI DA板卡、PXI數(shù)字表板卡、PXI示波器板卡、PXI矩陣開關(guān)板卡等。其中，PXI數(shù)字表板卡能夠滿足對電壓、電阻等的測量功能;PXI示波器板卡能夠滿足對直流電源紋波、交流電源失真度、相位、頻率等的測量功能;PXI矩陣開關(guān)板卡能夠?qū)崿F(xiàn)不同通道的自動切換，實現(xiàn)自動計量。

PXI D/A卡輸出的幅度一般不超過±10 V，不能滿足ATS的±60 V(峰峰值)電壓的計量需求，因此需要對D/A卡輸出的電壓進(jìn)行放大。本檢定系統(tǒng)設(shè)計了由PXI機(jī)箱內(nèi)背板供電的信號調(diào)理卡，電壓輸出范圍-60～+60 V，其直流電壓準(zhǔn)確度±0.02%，交流電壓(60～1000 Hz)準(zhǔn)確度±0.05%。

負(fù)載由直流負(fù)載和交流負(fù)載組成，分別用于現(xiàn)場計量直流電源和交流電源。測控主機(jī)和電子負(fù)載均有程控接口，便于通過軟件配合實現(xiàn)自動化檢定。

接口適配器是將電氣參數(shù)現(xiàn)場檢定系統(tǒng)的專用接口轉(zhuǎn)換為與被檢ATS項匹配的接口形式，可以根據(jù)不同的ATS更換相應(yīng)的接口適配器，這樣可以實現(xiàn)一套電氣參數(shù)現(xiàn)場檢定系統(tǒng)兼容多個被檢ATS，實現(xiàn)功能的最大化。

3 軟件結(jié)構(gòu)與設(shè)計

3.1 軟件結(jié)構(gòu)

電氣參數(shù)現(xiàn)場檢定系統(tǒng)采用虛擬儀器的設(shè)計思想，便于通過修改軟件擴(kuò)展系統(tǒng)功能。該系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)主要包括:硬件驅(qū)動、虛擬儀器、測試管理等。硬件驅(qū)動:模塊廠家提供的或者設(shè)計者自己編制的儀器驅(qū)動庫，完成PXI模塊在Windows操作系統(tǒng)的驅(qū)動和連接;虛擬儀器:設(shè)計者開發(fā)的程序，用于滿足各種應(yīng)用測試的需要;測試管理:設(shè)計者開發(fā)的應(yīng)用測試程序，包括信號采集、分析、處理、波形顯示、數(shù)據(jù)通信與儲存、數(shù)據(jù)庫管理、檢定證書生成、管理與打印等。

3.2 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件基于LabVIEW虛擬儀器開發(fā)平臺編制，利用其模塊化和遞歸方式，用戶可以在很短的時間內(nèi)構(gòu)建、設(shè)計和更改自己的虛擬儀器系統(tǒng)［4］。根據(jù)被檢ATS的特點，該系統(tǒng)軟件采用如圖4所示的模塊化設(shè)計思路。軟件由多個功能測試模塊組成，便于開發(fā)擴(kuò)展。針對不同的計量項目選擇主接口程序，來調(diào)用不同計量模塊［5］。

圖4 系統(tǒng)軟件模塊結(jié)構(gòu)圖

該系統(tǒng)除了完成ATS現(xiàn)場計量所需的計量模塊外，還具有系統(tǒng)自檢和系統(tǒng)溯源兩個模塊，分別對應(yīng)系統(tǒng)的自檢功能和溯源功能。系統(tǒng)自檢功能是依靠系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)字表板卡和數(shù)模轉(zhuǎn)換卡實現(xiàn)的，通過開關(guān)矩陣進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，結(jié)合相關(guān)門限設(shè)定，可以實現(xiàn)對系統(tǒng)的功能性檢查，便于該系統(tǒng)的日常維護(hù)和排故。為了實現(xiàn)溯源功能，該系統(tǒng)在硬件和軟件方面都進(jìn)行了專門設(shè)計。硬件方面設(shè)計了專門的計量標(biāo)準(zhǔn)接口(如圖3所示)，將內(nèi)部需要計量的板卡(如數(shù)字表、示波器等)的輸入輸出端子連接到系統(tǒng)前面板，并設(shè)計成通用的標(biāo)準(zhǔn)接口形式，便于標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備連接;軟件方面設(shè)計了專門的計量溯源軟件，便于計量人員操作該系統(tǒng)完成溯源工作。

該系統(tǒng)的測控主機(jī)采用PXI總線形式，其PXI控制器板卡集成了USB，GPIB、串口、以太網(wǎng)以及其他外圍設(shè)備，通過編寫相應(yīng)軟件可以方便的控制操作其他硬件設(shè)備，實現(xiàn)全流程自動檢定。因此，該軟件設(shè)計時考慮了對被檢ATS的操作。以ATS電壓輸出精度計量過程為例，簡要程序流程圖如圖5所示。

圖5 測試流程圖

本系統(tǒng)中，失真度和相位測量是關(guān)鍵技術(shù)。失真度和相位測量硬件均基于PXI示波器模塊(也即數(shù)字化儀)。

失真度測量方法為頻譜分析法，具體步驟為:①配置數(shù)字化儀的一個通道采集信號;②根據(jù)采集的信號選定相應(yīng)的窗函數(shù)并加窗處理;③進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，并對各點相對于最大值進(jìn)行歸一化處理;④編程尋找基波頻率點及其幅值;⑤在各諧波頻率點附近尋找最大各諧波幅值;⑥由失真度定義計算失真度。

相位測量方法為過零鑒相法，具體步驟為:①配置數(shù)字化儀的兩個通道同時采集信號;②編程尋找信號A幅值過零時刻點t1;③編程尋找信號B幅值過零時刻點t2;④計算t2與t1的時間差并除以周期T再乘以360得到相位角。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

具備較強(qiáng)的機(jī)動性是該現(xiàn)場計量檢定系統(tǒng)的主要設(shè)計思想之一。為了實現(xiàn)該設(shè)計思想，該系統(tǒng)采用了12U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜和便攜式PXI機(jī)箱組成。12U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜內(nèi)部集成交直流負(fù)載，并且底部有四個輪子便于移動。便攜式PXI機(jī)箱集成測控主機(jī)部分、顯示器和鍵盤等外設(shè)，其側(cè)面蓋板處采用內(nèi)凹式設(shè)計，在插入PXI板卡后仍有空間(深度大約8 cm)進(jìn)行接線轉(zhuǎn)接，方便進(jìn)行整體設(shè)計。

5 結(jié)束語

該現(xiàn)場檢定系統(tǒng)不僅具有人機(jī)界面友好、操作方便、智能化程度和測試精度高等優(yōu)點，從總體方案設(shè)計、硬件系統(tǒng)集成、軟件開發(fā)設(shè)計等方面都遵循信息化、機(jī)動化、可擴(kuò)展、可溯源的設(shè)計思想。該現(xiàn)場檢定系統(tǒng)，目前已經(jīng)準(zhǔn)備應(yīng)用到某型導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)的保障系統(tǒng)中，為提高導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)的質(zhì)量與可靠性提供了極佳手段，具有很強(qiáng)的實用價值。

［1］閆淑群，黎玉剛，母勇民，等.基于PXI總線的導(dǎo)彈自動測試系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機(jī)測量與控制，2011，19(8):1923-1928.

［2］蔣新廣，柳維旗，姜志保，等.基于PXI總線的某型導(dǎo)彈綜合測試系統(tǒng)設(shè)計.計算機(jī)工程與科學(xué)，2012，34(4):151-155.

［3］中國計量科學(xué)研究院.JJG 381-1986BX-21型低頻數(shù)字相位計檢定規(guī)程［S］.北京:中國計量出版社，1986.

［4］楊樂平，李海濤.LabVIEW高級程序設(shè)計［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［5］吳小良，胡旭東，張建新，等.基于虛擬儀器的三相多功能電能參數(shù)測試系統(tǒng)［J］.浙江理工大學(xué)學(xué)報，2007，2(27):181-185.