應 鵬，趙吉明，劉武通

(中國空間技術研究院，北京 100094)

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基于CompactRIO的載人航天器外場試驗平臺設計

應 鵬，趙吉明，劉武通

(中國空間技術研究院，北京 100094)

針對目前載人航天器外場試驗的需要，提出一種基于CompactRIO的小型化試驗平臺；系統(tǒng)采用可配置的儀器系統(tǒng)進行設計，硬件可模塊化配置，能適應外場環(huán)境，使用圖形化編程軟件進行虛擬儀器設計，具備實時性、多任務、可配置的特點，具備數據分析和存儲能力，可進行靈活定制、快速開發(fā)；分析了外場試驗小型化測試平臺的優(yōu)勢及關鍵要素，對試驗需求、系統(tǒng)設計、硬件設計、軟件設計、使用效果進行說明，對整個系統(tǒng)性能的滿足情況進行說明；經驗證，該平臺可提高外場試驗的效率及試驗穩(wěn)定性，可為后續(xù)航天器外場試驗提供參考。

載人航天器；外場試驗；CompactRIO；小型化

0 引言

航天器研制過程中需要對實際性能進行真實環(huán)境考核，需要進行相關的外場試驗[1]。隨著航天科技的迅速發(fā)展，各類航天器進行外場試驗的需求逐漸增多。傳統(tǒng)的外場試驗用測試系統(tǒng)基本使用本地測試用的各類專用設備進行組合，試驗設備體積較大，數量較多，部分設備在室外惡劣條件下工作穩(wěn)定性下降，設備的整合及調試花費較多時間。

通過總結前期的試驗經驗，能適應外場試驗的測試平臺從功能上需要實現各類信號的采集，產生激勵信號，具備一定的通信功能，在噪聲環(huán)境下具備良好的性能，方便攜帶，功耗低[2]。測試平臺應具備以下特點。

1)小型化:測試平臺在體積上、重量上相比目前常用測試設備有一定優(yōu)勢，方便攜帶，分解件少，方便組裝，應能夠適應外場試驗的溫度、震動、電磁干擾的影響，功耗較低，電源的續(xù)航能力強，在保證穩(wěn)定性的前提下，提高系統(tǒng)便攜性。

2)模塊化:模塊盡量通用化，便于拆卸和更換，支持熱插拔功能。模塊帶有信號調理功能，采樣速率與精度達到設計要求，可測量電壓信號、數字時序信號，具備一定的輸出功能，能夠作為激勵源或參考信號，具備通信功能。

3)方便開發(fā):上位軟件方便易用，可進行快速定制開發(fā)和原型設計，適應不同的測試需求，能夠實現一定的算法功能。

4)降低成本:測試平臺具有較高的測試靈活性，能夠做到測試復用，覆蓋大多數需求。通過更換模塊，更改軟件達到應對新需求目的。設備實用性強，便于長期使用。

出于提高外場試驗效果及測試水平的需要，提出一種外場試驗專用小型化測試平臺。該平臺采用相對靈活、可配置的儀器系統(tǒng)進行設計，硬件方便攜帶，能適應外場環(huán)境，可模塊化配置；使用圖形化編程軟件進行快捷開發(fā)，系統(tǒng)具備實時性、多任務、可配置的特點，具備數據分析和存儲能力，軟件可進行靈活定制。

1 系統(tǒng)方案設計

圖1 CompactRIO系統(tǒng)組成圖

CompactRIO是一款能適應較惡劣環(huán)境和有限空間的嵌入式系統(tǒng)，屬于面向儀器的PCI拓展的小型化系統(tǒng)，結合了PC的成熟優(yōu)勢和PCI總線向儀器領域擴展的能力。該系統(tǒng)包括三部分——實時處理器(Real-time processor)、內置FPGA的可重配置機箱、可插拔的輸入輸出模塊。系統(tǒng)本身可適應-40～70℃的環(huán)境，結構堅固。CompactRIO平臺軟件可基于LabVIEW開發(fā)，架構開放靈活，可以便捷控制底層硬件設備。使用該系統(tǒng)開發(fā)出的測量測控系統(tǒng)，具備實時性、靈活性、高可靠性等特點[3]。

采用基于CompactRIO設計的測試系統(tǒng)架構圖如圖2所示。該系統(tǒng)由監(jiān)控上位機、CompactRIO系統(tǒng)、外圍擴展調理接口模塊組成。上位機通過USB接口、網絡接口與CompactRIO系統(tǒng)中的實時控制器通信，接受處理完成的各類測量數據，發(fā)送相關監(jiān)控及調度指令；實時控制器實現控制算法與數據處理，控制FPGA背板及可插拔模塊的硬件邏輯及接口，調度系統(tǒng)內的軟硬件資源；可重配置機箱包含一塊FPGA背板，用于連接實時控制器與可插拔模塊，可插拔模塊安裝在機箱中與FPGA建立通信，模塊采樣到的數字量數據在FPGA中會經過預先的處理，如進行傅里葉變換、曲線擬合等，FPGA完成數據處理后會通過高速數據總線傳送至實時控制器進行處理，實時控制器發(fā)出的控制指令在FPGA中也會進行解碼用于控制各個模塊，轉換為各類輸出和通信信號，FPGA由于時鐘統(tǒng)一、硬件并行特點使得數據的傳輸量及實時性得到保證，工作性能可以等同于專門定制的硬件電路[4]；可插拔模塊內置信號調理和數模轉換電路，并且具備工業(yè)級的隔離設計，可直接與外部傳感器/驅動器互聯(lián)。

圖2 基于CompactRIO的測試系統(tǒng)架構

在程序開發(fā)方面：利用圖形化開發(fā)環(huán)境，可以使用LabVIEW對嵌入式系統(tǒng)的處理器、FPGA和I/O進行編程，以實現嵌入式控制、監(jiān)測、處理和數據錄入應用。上位機運行LabVIEW開發(fā)的監(jiān)控程序，CompactRIO實時控制器運行LabVIEW RT開發(fā)的嵌入式程序，可重配置機箱中的FPGA運行開發(fā)的FPGA硬件邏輯，鑒于LabVIEW開發(fā)的便捷性，在完成上位機至外圍接口的配置后，利用開發(fā)環(huán)境可以方便的訪問控制底層硬件，可縮短程序開發(fā)時間。

CompactRIO包含可軟件定制的儀器系統(tǒng)，儀器模塊化集成、數據吞吐量較大，可以配置為各種外場試驗的測量測控系統(tǒng)使用，使用LabVIEW圖形化編程軟可以整合軟硬件資源，實現整個定制過程的自動化，能夠繼承使用大量成熟的開發(fā)模塊及算法，開發(fā)速度比傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)研發(fā)從硬件到軟件全定制的過程有很大提升[5]。從分析航天器外場試驗小型化測試平臺的系統(tǒng)設計方案來看，在目前的技術趨勢下，選擇CompactRIO系統(tǒng)為基礎來搭建測試平臺具備一定的優(yōu)勢。使用相對成熟、接口豐富的模塊化儀器來實現信號的輸入輸出、信號調理、數據濾波、數據采集與存儲，以上功能集成于相對緊湊、堅固的儀器系統(tǒng)中，平臺的工作性能及適應性得到滿足。

2 硬件設計

2.1 總體方案

總體硬件方案采用典型的上位機-下位機模式，即選用通用便攜計算機作為上位機，CompactRIO模塊及外圍拓展及調理接口作為下位機，上位機下位機間通過網絡或USB連接，上位機用于數據存儲、狀態(tài)監(jiān)控，下位機以CompactRIO系統(tǒng)為核心，搭配相應功能的輸入輸出模塊及外圍拓展模塊。系統(tǒng)能適應野外工作能力，所有設備支持使用直流電源供電。硬件設計考慮便攜性及可靠性，整體結構進行緊湊布局，約為一個手提箱大小，方便攜帶和運輸。

2.2 外圍拓展、調理接口設計

被試驗對象有各種不同類型的連接接口，包括有線信號、無線信號、模擬電壓電流信號、溫度信號、振動信號、應力信號、聲信號、射頻信號、高低速數字信號等。外圍拓展及調理接口模塊需要能適應被試驗對象的各類接口，同時需要與CompactRIO系統(tǒng)進行連接，將各類信號經過信號隔離、信號解調、信號放大、信號濾波，電平轉換，確保待測信號安全、穩(wěn)定。外圍接口進行模塊化設計，采用背板-板卡插接式進行集成，最大限度適應各類信號需求。待測信號經后面板輸入，通過背板進行跳線分路、經信號處理辦卡進行信號調理后，由前面板輸出至CompactRIO可插拔模塊，完成信號的輸入輸出。如電壓輸入首先通過板卡的隔離放大器進行信號隔離，隔離后的電壓信號通過電壓調理電路轉換為模塊采集的使用電壓范圍(一般為±10 V)，電壓信號再進入模塊進行模數轉換、信號濾波及處理等；電流輸出信號首先由CompactRIO發(fā)出相應配置指令，由FPGA選通相應的可插拔模塊中的電流輸出接口，電流輸出信號為0～20 mA信號，經過外圍接口模塊進行信號隔離、電流放大器放大，輸出被測對象適用的相應電流。

2.3 CompactRIO模塊選用

1)實時控制器與FPGA背板：

圖4 采集及信號模擬軟件框圖

使用實時控制器與FPGA背板集成的CompactRIO系統(tǒng)9073,內含主頻266MHz工業(yè)實時處理器，可用于控制、數據記錄和分析；FPGA擁有2百萬門，背板上布置了8個槽位，用于定制的I/O定時、控制和處理。實時控制器循環(huán)周期抖動在微秒級。需要內置一定容量的固態(tài)存儲器用于數據存儲器、具備相應的存儲擴展接口便于數據查詢?？刂破骶邆湎鄬Φ偷墓?，具備直流電源供電的能力，外殼應能適應振動及沖擊，能夠滿足復雜的環(huán)境需要。

FPGA背板使用40 MHz基準時鐘，以25 ns時間周期執(zhí)行定時和控制循環(huán)，是實時控制器與可插拔模塊的橋梁，可編程邏輯模塊直接與I/O模塊互聯(lián)，計算速率可達到200 kHz。可編程邏輯并行執(zhí)行數據采集、計算和控制操作，使用FPGA開發(fā)可修改底層硬件配置，快速變換硬件的跳線，不需要重復投產硬件，可適應多種模式的測試，達到一機多用的目的[6]。

2)可插拔模塊：

模擬電壓輸入模塊使用NI-9221作為模擬輸入模塊，擁有8個通道，量程為±60 V，分辨率12位，采樣率800 kS/s,單端輸入，多路復用。模擬信號在模擬輸入模塊中經過噪聲濾波后做數字化處理，通過背板總線傳入FPGA做進一步處理。模擬電壓輸出模塊使用NI-9263作為模擬輸出模塊，擁有4個通道，采樣率100 kS/s，精度達到16位，范圍為±10 V。在測試過程中產生模擬激勵信號，如正弦波、特定電壓值等。數字輸入輸出模塊使用NI-9401作為高速雙向數字I/O模塊，電平標準為5 V/TTL，速率為100 ns，漏極/源極數字輸入輸出，可按半字節(jié)配置，該模塊同時作為計數器、定時器、信號發(fā)生器來使用。通信模塊使用NI-9871進行RS422/RS485信號的收發(fā)。

可插拔模塊主要用于信號調理及通信。可插拔模塊具備信號隔離能力，保證安全性，具備模擬輸入輸出、數字輸入輸出、數字通信能力。在數據輸入方面，信號調理模塊將數字信號進行調理，調理成實時處理服務器可接入的電平標準，還可將模擬信號進行模數轉換，轉換出的數字信號供處理器進行處理。在數據輸出方面，信號調理模塊可將數字信號進行放大調理，將弱電平數字信號調理成與接口設備電平匹配的數字信號，還可進行數模轉換，將數字信號轉換為模擬信號，再經過放大電路，輸出所需要的模擬電壓電流信號；在通信方面，支持主流的串行、并行、GPIO通信功能。

3 軟件設計

基于CompactRIO系統(tǒng)的測試平臺軟件通用結構與功能如圖3所示。

圖3 軟件結構與功能說明

軟件通用結構包括三部分，分別是上位機軟件、實時控制器RT軟件、FPGA邏輯。

1)上位機軟件：

上位機軟件基于Labview設計，用于CompactRIO的數據監(jiān)視與控制，具備進行數據分析的功能，同時快速生成數據報表。上位機與實時控制器間通過以太網連接，基于TCP/IP協(xié)議進行數據通信，帶寬達到100 M，上位機軟件可實時讀取實時控制器中的狀態(tài)數據，也可讀取存儲在實時控制器存儲器中的數據，新的配置模塊也可通過網絡實時地部署到實時控制器中。上位機軟件基于Labview的圖形化優(yōu)勢，可以開發(fā)出功能較為豐富的操作與監(jiān)控界面，使得用戶直觀全面掌控CompactRIO系統(tǒng)的實時信息。

2)實時控制器軟件：

實時控制器軟件基于LabVIEW RT開發(fā)，具備較強的實時性，對事件能夠迅速反應，同時處理較為復雜的算法程序，將處理后的數據打包上傳至上位機。實時控制器與上位機間基于TCP/IP協(xié)議進行數據通信，實時控制器軟件的各項配置、執(zhí)行任務情況都可上傳至上位機；實時控制器與FPGA背板間通過高速總線實現通信，實時性強，具備較大的數據吞吐率。

CompactRIO運行Labview RT實時操作系統(tǒng)，可以實現精確的定時運行，及時響應各類事件。操作系統(tǒng)按搶先式和時間片循環(huán)式對執(zhí)行任務進行排序，當高優(yōu)先級線程需要進行處理時，低優(yōu)先級線程停止運行以保證高優(yōu)先級線程運行，同等優(yōu)先級線程由時間片循環(huán)排序[7]。混合了搶先式和時間片循環(huán)的任務排序能確保LabVIEW RT具有較好的時間確定性。

LabVIEW RT支持TCP/IP、UDP、VISA RS232等多種通訊協(xié)議，與上位機進行數據通信；提供FPGA接口函數，可將FPGA bit文件下載至目標FPGA并實現控制變量讀寫；可通過DMA、握手、中斷等模式與FPGA進行通信；可以實現信號生成、時域/頻譜分析、曲線擬合、線性代數等功能。

3)FPGA邏輯：

FPGA邏輯基于LabVIEW FPGA模塊編寫，并行度高，包括模塊配置邏輯，數據讀取邏輯、數據輸出邏輯、數據濾波處理邏輯等，實現與實時控制器的數據通信、中斷同步、數據緩存(FIFO)和內存讀寫。各類測量模塊的采集到的信號會經過轉換與調制隔離，變?yōu)橐滋幚淼臄底中盘?，FPGA邏輯可以定制為多種應用，對采樣到的模擬電壓量進行數字化濾波處理，模擬總線時序輸出總線信號，與外部接口進行實時通信。LabVIEW FPGA模塊上運行需要并行執(zhí)行、重復執(zhí)行、數據處理等邏輯。確保各類邏輯執(zhí)行的并行性，循環(huán)速率能達到MHz以上，完成大量的數據濾波，數據組幀等功能。目前有很多成熟的FPGA信號處理IP核可供使用，完成波形合成、濾波、FFT、連續(xù)/離散控制，PID控制等功能。

4 系統(tǒng)實現及測試

基于搭建的小型化試驗平臺，針對某外場試驗進行測試驗證。通過環(huán)境搭建將后方的上位機與前置的CompactRIO及信號調理模塊連接，并與被測真實電子設備進行電氣連接，自帶電源為被測設備正常供電，按照約定的電氣協(xié)議由CompactRIO控制相應模塊發(fā)送數字信號，與被測對象完成協(xié)議握手，開始數據通信。標識被測對象狀態(tài)的各類模擬量信號、數字信號通過電氣接口由前置模塊正常采集，經過信號調理濾波發(fā)送至CompactRIO進行處理，并在后臺上位機上進行數據顯示及存儲；通過握手協(xié)議向被測設備發(fā)送模擬的數據注入，并從狀態(tài)監(jiān)視上監(jiān)視設備的響應情況；模擬故障模擬量及故障注入，從輸入接口觀察設備的響應情況，模擬出被仿真設備和被測設備的真實接口。經過測試驗證復合，該系統(tǒng)能有效覆蓋被測對象的外場測試項目，設備工作穩(wěn)定正常，且能快速進行重復測試。

5 結論

構建載人航天器外場試驗小型化測試平臺，一方面，有益于根據需求快速進行試驗的準備及定制，提高外場試驗的效率，壓縮不必要的準備時間和調試時間，讓試驗人員更多精力集中于試驗過程；另一方面，相對靈活的定制平臺及豐富的功

能也能幫助參試人員試驗更多的功能，試驗的全面性得到提高，對現有航天器研制工作起到有益的作用。

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Design of Manned Spacecraft Field Testing Platform Based on CompactRIO

Ying Peng, Zhao Jiming, Liu Wutong

(China Academy of Space Technology, Beijing 100094, China)

For the current needs of the manned spacecraft field test, propose a miniaturized test platform based on CompactRIO. The system uses a configurable instrument system, hardware can be modular configurations, able to adapt to the external environment, uses graphical programming software to make virtual instrument design, with real-time, multi-tasking, configurable features, with data analysis and storage capacity, can be used to make flexible customization and rapid development. Analyzing the advantages and key elements of field tests of miniaturized test platform, illustrating test requirements, system design, hardware design, software design, describing the overall system performance. The platform can improve the efficiency and stability of the field test experiments. It can provide a reference for subsequent field testing of spacecraft.

manned spacecraft; field test; CompactRIO; miniaturization

2016-06-27；

2016-07-18。

應 鵬(1985-)，男，山西長治人，工程師，碩士研究生，主要從事自動化測量測控系統(tǒng)研究。

趙吉明(1963-)，男，山東人，研究員，主要從事航天器綜合測試技術方向的研究。

1671-4598(2016)09-0274-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.09.077

TP274.2

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