王子龍,路景澤
(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471000; 2.北京航空航天大學(xué), 北京 100191)
基于CPCI總線的雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
王子龍1,路景澤2
(1.中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471000; 2.北京航空航天大學(xué), 北京 100191)
雷達(dá)導(dǎo)引頭是空空導(dǎo)彈的核心部件,實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈探測(cè)、制導(dǎo)和控制等功能,其性能的優(yōu)劣直接影響著導(dǎo)彈跟蹤和截獲目標(biāo)的準(zhǔn)確率;為了全面測(cè)試空空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于CPCI總線的雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試系統(tǒng),并完成了軟硬件設(shè)計(jì);硬件部分完成了調(diào)理電路的設(shè)計(jì)、外設(shè)的搭建以及硬件電路方面的可靠性設(shè)計(jì);軟件部分協(xié)調(diào)控制雷達(dá)導(dǎo)引頭、角位置模擬器、回波模擬器和轉(zhuǎn)臺(tái),通過(guò)部件之間數(shù)據(jù)流的傳輸,完成了各個(gè)模塊的測(cè)試功能;該系統(tǒng)能夠真實(shí)模擬雷達(dá)導(dǎo)引頭的工作環(huán)境,設(shè)置導(dǎo)引頭參數(shù),接收處理導(dǎo)引頭發(fā)回的信息,進(jìn)而測(cè)試?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭的精度、靈敏度、可靠性等指標(biāo);實(shí)際應(yīng)用表明,該系統(tǒng)工作性能良好,可靠性高,能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
空空導(dǎo)彈;雷達(dá)導(dǎo)引頭;CPCI;信號(hào)調(diào)理
空空導(dǎo)彈(air to air missile, AAM)是當(dāng)前和未來(lái)空戰(zhàn)的主要格斗武器,對(duì)奪取制空權(quán)具有不可替代的作用。導(dǎo)引頭是導(dǎo)彈系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確制導(dǎo)的重要部件之一,導(dǎo)引頭在導(dǎo)彈系統(tǒng)中的主要任務(wù)是自主搜索、識(shí)別和跟蹤打擊目標(biāo),并為控制系統(tǒng)提供控制信息,控制系統(tǒng)根據(jù)導(dǎo)引頭提供的信息調(diào)整導(dǎo)彈飛行參數(shù),進(jìn)而打擊跟蹤目標(biāo)。雷達(dá)導(dǎo)引頭是主流的導(dǎo)引頭之一,在空空導(dǎo)彈裝備戰(zhàn)機(jī)之前,要對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭的生產(chǎn)過(guò)程,控制軟件,裝配過(guò)程進(jìn)行完整的測(cè)試,以保證導(dǎo)引頭的精度和可靠性。在雷達(dá)導(dǎo)引頭外場(chǎng)試驗(yàn)的性能測(cè)試中,需要?jiǎng)佑酶鞣N測(cè)量站和裝備車(chē)輛來(lái)協(xié)同實(shí)驗(yàn)[1]。
雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試在保證導(dǎo)引頭出廠性能上起著著非常重要的作用,完善的室內(nèi)測(cè)試是外場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)展順利的一個(gè)重要保障,這樣也可以減小產(chǎn)品的研制成本。為了在室內(nèi)完成對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭的分機(jī)和整機(jī)的調(diào)試,驗(yàn)證導(dǎo)引頭對(duì)各種極端環(huán)境的適應(yīng)能力,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于CPCI總線的雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠?qū)走_(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)試[2]。
測(cè)試設(shè)備的邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。基于CPCI總線的控制通訊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是測(cè)試系統(tǒng)的總控制器,負(fù)責(zé)處理導(dǎo)引頭發(fā)送的信息,給導(dǎo)引頭發(fā)送飛控控制信號(hào),控制轉(zhuǎn)臺(tái)狀態(tài),檢測(cè)控制電源;信號(hào)調(diào)理單元負(fù)責(zé)導(dǎo)引頭與工控機(jī)之間傳輸信號(hào)的轉(zhuǎn)換,保證導(dǎo)引頭和工控機(jī)能正常通訊。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、信號(hào)調(diào)理單元、產(chǎn)品電源、回波信號(hào)模擬器、角位置模擬器、工裝夾具等共同組成導(dǎo)引頭測(cè)試系統(tǒng)[3]。
圖1 測(cè)試設(shè)備邏輯結(jié)構(gòu)圖
測(cè)試設(shè)備基于CPCI總線結(jié)構(gòu),因此具有堅(jiān)固、可靠、易于擴(kuò)展、高速等優(yōu)點(diǎn)。圖1給出了各模塊的實(shí)際連接關(guān)系,從圖中可以看出測(cè)試設(shè)備結(jié)構(gòu)呈模塊化,并且具備了一定的擴(kuò)展空間,如CPCI總線插槽,計(jì)算機(jī)接口等。
在產(chǎn)品性能測(cè)試過(guò)程中,測(cè)控計(jì)算機(jī)擔(dān)負(fù)整個(gè)測(cè)試流程的控制,完成產(chǎn)品各項(xiàng)性能參數(shù)的測(cè)試、分析與計(jì)算,包括對(duì)回波信號(hào)模擬器的控制和響應(yīng)信號(hào)的采集??刂仆ㄓ嵱?jì)算機(jī)是測(cè)試設(shè)備的核心,應(yīng)當(dāng)選用高性能、高可靠性的工控機(jī)。在此,選用凌華CPCI總線工控機(jī),可以滿(mǎn)足測(cè)試設(shè)備的要求。數(shù)據(jù)采集通信單元主要負(fù)責(zé)產(chǎn)品的通訊與測(cè)試,所需要的通訊接口卡為CPCI總線的1553B、ARINC-429卡和RS-422/485卡;測(cè)試板卡為集AD/DA/IO于一身的多功能數(shù)據(jù)采集卡。
實(shí)際測(cè)試過(guò)程中,測(cè)控計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)采集通信單元等模塊完成對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái),炮瞄雷達(dá),角位置傳感器等測(cè)試模塊和雷達(dá)導(dǎo)引頭的控制或通信。計(jì)算機(jī)控制轉(zhuǎn)臺(tái)模擬目標(biāo)運(yùn)動(dòng),在各種復(fù)雜條件下測(cè)試?yán)走_(dá)導(dǎo)引頭的靈敏度,進(jìn)而判斷雷達(dá)導(dǎo)引頭是否合格。
2.1 信號(hào)調(diào)理單元設(shè)計(jì)
信號(hào)調(diào)理單元分為AD/DA信號(hào)調(diào)理和數(shù)字IO信號(hào)調(diào)理,由于控制和通訊單元與產(chǎn)品的工作電壓不同,各自發(fā)出的模擬和數(shù)字信號(hào)需要經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理單元才能給對(duì)方使用。
2.1.1 AD/DA信號(hào)調(diào)理
AD/DA通道的信號(hào)調(diào)理主要是對(duì)DA卡或產(chǎn)品發(fā)出的模擬電壓信號(hào)進(jìn)行緩沖、驅(qū)動(dòng)、放大或衰減,以適應(yīng)測(cè)試設(shè)備和產(chǎn)品的電氣需求。本系統(tǒng)模擬信號(hào)調(diào)理單元配置了4路DA和8路AD,精度不低于12位[4]。
DA輸出調(diào)理電路如圖2所示。該電路為比例運(yùn)算電路,VR為調(diào)零電位器,用于調(diào)節(jié)輸出電壓的零點(diǎn)。DA out/DA in =R2/R1,R1、R2應(yīng)當(dāng)選用低溫漂的精密電阻,通過(guò)改變R1、R2的阻值實(shí)現(xiàn)DA輸出電壓的放大或衰減。
圖2 DA輸出調(diào)理電路原理圖
AD輸入調(diào)理電路與輸出調(diào)理電路相同,只是對(duì)輸入電壓的放大倍數(shù)不同。
2.1.2 數(shù)字IO信號(hào)調(diào)理
數(shù)字IO信號(hào)調(diào)理單元配置了8路DO和8路DI。數(shù)字輸入通道接收產(chǎn)品的輸出狀態(tài),包括產(chǎn)品自檢、截獲、天線狀態(tài)等,經(jīng)隔離調(diào)理后一方面送到工控機(jī)的數(shù)字輸入端(DI)被采集,另一方面送到機(jī)柜前面板用于狀態(tài)指示。工控機(jī)的數(shù)字輸出通道(DO)發(fā)出產(chǎn)品所需要的驅(qū)動(dòng)(控制)信號(hào),如工作狀態(tài)切換、導(dǎo)彈離架指令、K2同步信號(hào)等,經(jīng)過(guò)緩沖、驅(qū)動(dòng)后從調(diào)理電路的輸出端口給出。
2.2 硬件可靠性設(shè)計(jì)
測(cè)試設(shè)備的可靠性設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行:元器件的選型,降額設(shè)計(jì),熱設(shè)計(jì)、電子電路的可靠性設(shè)計(jì)[5]。
(1)選擇元器件要遵循以下幾點(diǎn)原則:
1)參考優(yōu)選產(chǎn)品目錄,盡量從所列廠家采購(gòu)器件;
2)選用的元器件其技術(shù)條件中規(guī)定的環(huán)境條件達(dá)到或高于設(shè)備技術(shù)條件的規(guī)定要求;
3)壓縮元器件的品種、規(guī)格,選擇經(jīng)過(guò)使用考驗(yàn)的元器件;
4)盡量采用金屬殼體的連接器;
(2)在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用降額設(shè)計(jì),降額設(shè)計(jì)準(zhǔn)則如下:根據(jù)元器件對(duì)系統(tǒng)安全性、可靠性的影響確定降額等級(jí);對(duì)比較重要的部件采用I級(jí)降額;其余器件可以采用II級(jí)降額。
(3)設(shè)備內(nèi)部有大功耗單元,在器件布局時(shí),保證大功率設(shè)備互相遠(yuǎn)離,發(fā)熱芯片均安裝散熱片,并在機(jī)柜上安裝散熱風(fēng)扇。
(4)簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì),選用大規(guī)模FPGA芯片,數(shù)據(jù)傳輸采用串行總線,降低系統(tǒng)復(fù)雜性,加強(qiáng)可靠性。
3.1 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)
為了縮短軟件開(kāi)發(fā)周期,提高軟件的可靠性,本系統(tǒng)測(cè)控軟件由開(kāi)發(fā)效率高的C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)[6]。在測(cè)試之前,要對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)配置,包括控制外設(shè)的硬件通道的配置,測(cè)試時(shí)遙測(cè)協(xié)議的修改等。同時(shí),需要測(cè)試的項(xiàng)目較多,有些測(cè)試項(xiàng)之間相互獨(dú)立,用戶(hù)可以根據(jù)需求添加、修改或者刪除測(cè)試任務(wù)。所以在設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)候,不僅要完成基本的功能設(shè)計(jì),還要據(jù)有一定的通用性和擴(kuò)展性,可以根據(jù)測(cè)試任務(wù)的調(diào)整升級(jí)測(cè)試軟件。良好的通用性可以使用戶(hù)在短時(shí)間內(nèi)掌握軟件的操作,即使外部硬件接口變化,用戶(hù)也可以通過(guò)簡(jiǎn)單的配置實(shí)現(xiàn)軟件的復(fù)用[7]。
圖3 測(cè)試軟件的層次結(jié)構(gòu)圖
本系統(tǒng)中測(cè)試軟件的層次結(jié)構(gòu)如圖3所示,分為硬件層、邏輯層和表現(xiàn)層。硬件層程序是頂層軟件與外部硬件信息交互的媒介,包括RS422、ARINC429、AD卡2501、LVDS采集卡等的程序接口函數(shù);系統(tǒng)的邏輯層負(fù)責(zé)處理底層硬件的眾多應(yīng)用程序接口,通過(guò)調(diào)整不同板卡的數(shù)據(jù)流,完成與上層界面控制指令的匹配;表現(xiàn)層通過(guò)調(diào)用封裝的動(dòng)態(tài)庫(kù)函數(shù)完成對(duì)板卡的操作,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的采集和處理[8]。
本測(cè)試軟件根據(jù)測(cè)試要求將系統(tǒng)的功能按照模塊劃分,每個(gè)模塊都包含通用的接口,當(dāng)用戶(hù)需要添加測(cè)試任務(wù)時(shí),調(diào)用原來(lái)的接口函數(shù),添加新的測(cè)試流程即可。本系統(tǒng)主要的功能模塊有人機(jī)界面、電源管理、測(cè)控模塊、數(shù)據(jù)處理、通信、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放模塊等[9]。
3.2 自檢設(shè)計(jì)
測(cè)試設(shè)備的自檢對(duì)于測(cè)試設(shè)備和被測(cè)產(chǎn)品的安全性和可靠性有著重要的意義。自檢內(nèi)容主要涉及電源單元、422、429通訊、數(shù)字IO和AD/DA通道。供電電源單元通過(guò)其本身的GPIB接口對(duì)輸出電壓、電流進(jìn)行回讀自檢。422、429通訊、數(shù)字IO和AD/DA通道[10],可以采用自發(fā)自收的方式構(gòu)成閉環(huán)自檢。
根據(jù)自檢信號(hào)的種類(lèi)不同,需要采取不同的自檢策略。對(duì)于AD/DA和DO/DI信號(hào),信號(hào)輸出后會(huì)一直保持,直到下次DA或DO輸出,因此通過(guò)先輸出后查詢(xún)的方式采集信號(hào);對(duì)于422和429信號(hào)需要先打開(kāi)接收通道,后開(kāi)始發(fā)送,這樣才能接收到自檢信號(hào)[11]。自檢流程如圖4所示。
圖4 通訊卡自檢流程圖
3.3 軟件可靠性設(shè)計(jì)
測(cè)試程序采用模塊化設(shè)計(jì),軟件系統(tǒng)可劃分為功能獨(dú)立的模塊,而且模塊之間的控制轉(zhuǎn)移服從馬爾科夫過(guò)程。通過(guò)分析模塊的失效率來(lái)考察整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)[12],假設(shè)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)測(cè)試之后,得到系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)的失效率為λ,故障排除之后從非正常的情況轉(zhuǎn)變?yōu)檎顟B(tài)的概率為1,根據(jù)已知條件我們可以推出數(shù)據(jù)采集部分的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣是:
(1)
其中:λ是指數(shù)據(jù)采集不正常的概率,數(shù)據(jù)采集功能保持正常的概率為1-λ,在這一運(yùn)行周期內(nèi),數(shù)據(jù)采集部分經(jīng)過(guò)故障排除,轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢哉?zhí)行采集功能的概率為1,依舊不正常的概率為0[13]。如果想要預(yù)計(jì)數(shù)據(jù)采集模塊運(yùn)行n個(gè)周期之后的狀態(tài),可先計(jì)算出數(shù)據(jù)采集部分的n周期狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣為:
(2)
設(shè)本次模塊的初始狀態(tài)向量B=(1,0),將初始狀態(tài)向量乘以n步向量轉(zhuǎn)移矩陣,得到模塊在第n+1周的狀態(tài)為:
(3)
這樣可以算出模塊在第n+1個(gè)運(yùn)行周期功能完備(即狀態(tài)為1)的概率和狀態(tài)為0的概率。根據(jù)矩陣論的性質(zhì),Y(n)中所有Yij>0,根據(jù)馬爾可夫的遍歷性可知該馬氏鏈具有遍歷性[14],即數(shù)據(jù)采集部分在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行之后,會(huì)得到一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率。設(shè)此概率的行向量為Y(2)=(y1+y2),則有方程組:
(4)
解方程組就可以得到穩(wěn)態(tài)概率行向量(y1,y2),即數(shù)據(jù)采集部分在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后處于正常的概率為y1,失效概率為y2[15]。
該測(cè)試系統(tǒng)用于某型雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試。控制目標(biāo)做半圓周、零點(diǎn)左圓周和零點(diǎn)右圓周運(yùn)動(dòng),在這3種情況下啟動(dòng)回波信號(hào)目標(biāo)模擬器,通過(guò)控制衰減器的衰減量,使模擬器輸出的目標(biāo)回波信號(hào)的功率按照固定值進(jìn)行衰減,直到雷達(dá)無(wú)法跟蹤到目標(biāo),即獲得衰減量的臨界值,計(jì)算雷達(dá)導(dǎo)引頭的靈敏度,判斷是否符合要求。
根據(jù)雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試系統(tǒng)在不同狀態(tài)下的單項(xiàng)測(cè)試和整體測(cè)試的測(cè)試情況,通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)的分析得知,測(cè)試系統(tǒng)與導(dǎo)引頭之間可以進(jìn)行穩(wěn)定的通信,同時(shí),系統(tǒng)可以有效的控制外部設(shè)備——回波模擬器、轉(zhuǎn)臺(tái)、角位置模擬器;對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、儲(chǔ)存和計(jì)算之后可以知道測(cè)試結(jié)果在預(yù)期范圍內(nèi)。軟件在完成所有測(cè)試流程的過(guò)程中運(yùn)行流暢,經(jīng)過(guò)72小時(shí)拷機(jī),未發(fā)生任何故障問(wèn)題,測(cè)控系統(tǒng)工作性能良好,可靠性很高。
該測(cè)試系統(tǒng)以具有CPCI總線的工控機(jī)為基礎(chǔ),由轉(zhuǎn)臺(tái),角位置模擬器,回波信號(hào)模擬器,以及各種信號(hào)調(diào)理卡等外設(shè)組成,測(cè)試軟件采用模塊化設(shè)計(jì)思想,提高了系統(tǒng)的可靠性和可擴(kuò)展性。該測(cè)試系統(tǒng)已用于某型雷達(dá)導(dǎo)引頭測(cè)試,實(shí)際應(yīng)用表明該測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠,達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。
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Wang Zilong1, LuJingze2
(1.China Airborne Missile Academy,Luoyang 471000,China; 2.Beihang University, Beijing 100191,China)
Seeker is the core component of the airborne missile. It achieves detection, guidance and control functions. Its performance will directly affect the missile tracking and intercept accuracy.In order to test the Radar Seeker completely, the Radar Seeker test system based on CPCIbus is designed in this paper. The subjectintroduces the design ofthe IPC, hardware board, conditioning circuit and peripheral, especially the reliability of the circuit. The software system coordinated control products, angular position simulator, echo simulator and rotary table. Then the system finished the test function of each module and product testing through the flow of data transmission.The system can simulate the workplace of radar seeker,set the parameters of the seeker and receive information transmitted by the seeker.And then the precision,sensitivity,reliability of seeker can be tested by the system.The experiment and application show that this test system has good performance, high reliability,and achieve the design requirement.
air to air missile;radar seeker; CPCI;signal conditionin
2016-04-27;
2016-05-26。
王子龍(1983-),男,山西平陸人,本科,主要從事空空導(dǎo)彈測(cè)試技術(shù)、系統(tǒng)集成與虛擬儀器。
1671-4598(2016)07-0141-03
10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.07.037
TN06 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A