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(凱邁(洛陽)測控有限公司，河南 洛陽 471000)

0 引言

某紅外成像導(dǎo)引頭在總體性能調(diào)試、環(huán)境試驗、可靠性試驗、電磁兼容性試驗、外場掛飛性能測試等場合需要對其進行功能和性能測試，現(xiàn)階段主要配備的傳統(tǒng)導(dǎo)引頭測試設(shè)備，已逐漸難以滿足測試設(shè)備通用化、輕小型化和高機動性的要求。便攜式測控系統(tǒng)[1]的研制給導(dǎo)引頭測試帶來了方便，避免了之前自動測試系統(tǒng)存在的體積大、重量重和機動性差等問題。在系統(tǒng)組建方面，PXI總線檢測系統(tǒng)由于其開放的架構(gòu)和成熟的體系，成為搭建中小型、低價位檢測系統(tǒng)的首選[2]?；赑XI總線的現(xiàn)代計算機開放式模塊化結(jié)構(gòu)，使測試系統(tǒng)的構(gòu)建能夠采用最先進的商業(yè)化的硬件和軟件技術(shù)，能夠以較低的成本為用戶提供高端測試所需的高性能產(chǎn)品，成為目前一種主流的測量和自動化系統(tǒng)運載平臺[3-4]。同時，外場試驗中設(shè)備的便攜式性能也是考慮的主要方面，這樣一方面降低了設(shè)計生產(chǎn)的成本，另一方面也提高了測試工作的效率。

本文針對某紅外成像導(dǎo)引頭測試設(shè)備具體應(yīng)用場合與測試需求，采用基于PXI總線的一體化便攜式機箱，研制了具有一定通用性、可擴展性、便攜性及良好人機交互功能的便攜式式測控系統(tǒng)，較好的完成導(dǎo)引頭在各種使用環(huán)境下的性能測試及試驗測試需求。

1 系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計

便攜式測控系統(tǒng)硬件主要由三部分組成：便攜式一體化計算機(含適配單元)、監(jiān)視器和便攜式目標(biāo)模擬器。系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體組成框圖

其中，便攜式計算機及資源板卡完成軟件加載、人機交互、測試控制及信號采集等功能，同時配合目標(biāo)模擬器，模擬彈上計算機對導(dǎo)引頭工作時序進行控制，完成導(dǎo)引頭的各項性能測試；電源單元提供導(dǎo)引頭測試所需的直流電源和設(shè)備供電電源；適配單元進行供電控制、測試資源和激勵資源的轉(zhuǎn)接、被測信號調(diào)理；監(jiān)視器用于導(dǎo)引頭輸出模擬圖像數(shù)據(jù)的顯示；目標(biāo)模擬器提供圖案目標(biāo)，模擬導(dǎo)引產(chǎn)品典型目標(biāo)特征。

1.1 便攜式計算機系統(tǒng)

便攜式計算機系統(tǒng)選用手提4U便攜式一體PXI機箱，機箱為整體框架式結(jié)構(gòu)，上層為一體化KVM，中間集成PXI機箱，底層內(nèi)置設(shè)備電源。其中PXI機箱提供1個PXI系統(tǒng)槽及5個外設(shè)槽位，可定制接插轉(zhuǎn)換面板。

便攜式測控系統(tǒng)對該便攜式機箱的結(jié)構(gòu)形式進行適應(yīng)性改進，機箱背部增加接口適配單元并與便攜式機箱集成為一體，方便測試使用。

根據(jù)被測導(dǎo)引頭功能需求，便攜式計算機系統(tǒng)所需信號板卡資源與功能如下：

1)控制器是整個設(shè)備的控制和數(shù)據(jù)處理核心，選用四代Intel Core i7-4700E、主頻3.4 GHz(四核)、4 GB DDR3內(nèi)存高性能嵌入式工業(yè)級控制器，外置2個RS232串口、6個USB2.0接口，工作溫度-20°～+70°，存儲溫度-50°～+100°；

2)多功能數(shù)據(jù)采集卡用于模擬量采集，以及控制信號的輸出。多功能采集卡選用美國NI公司的PXI-6224型多功能采集卡，板卡具有32路單端模擬輸入；最大輸入電壓范圍：±10 V；48路DI/O；

3)串行通訊卡用于設(shè)備功能單元間及主控計算機與被測導(dǎo)引頭之間RS422通訊，選用美國NI公司PXI-8431/4四端口RS232/422通訊接口卡；

4)LVDS遙測采集卡用來完成被測導(dǎo)引頭輸出的LVDS數(shù)據(jù)的接收。LVDS遙測采集卡選用公司自行開發(fā)的ZH-PXI-7322型LVDS采集卡。

LVDS數(shù)據(jù)采集卡：

根據(jù)導(dǎo)引頭輸出的LVDS協(xié)議特性，自行研制PXI總線接口LVDS數(shù)據(jù)采集卡，該卡根據(jù)傳輸數(shù)據(jù)協(xié)議進行定制，基于FPGA技術(shù)開發(fā)，可完成對數(shù)據(jù)的接收，串并轉(zhuǎn)換，F(xiàn)IFO存儲及PXI總線數(shù)據(jù)傳輸。導(dǎo)引頭輸出的LVDS信號包含3路差分信號，包括：時鐘信號一路(SCLK)、同步信號一路(SDOFS)、串行數(shù)據(jù)一路(SDO)，信號時序關(guān)系如圖2所示。

圖2 LVDS信號時序

LVDS板卡采用圖3所示的結(jié)構(gòu)原理圖。

圖3 LVDS采集卡結(jié)構(gòu)原理

LVDS信號首先經(jīng)過電氣轉(zhuǎn)換變換為標(biāo)準(zhǔn)TTL信號，送入FPGA進行采樣處理，在接收SDO數(shù)據(jù)時，用SCLK的下降沿鎖存數(shù)據(jù)，針對每個同步信號連續(xù)接收16位串行數(shù)據(jù)，經(jīng)過串并轉(zhuǎn)換后存入實時緩沖區(qū)供實時讀取顯示，同時數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)存入大容量FLASH，可供離線批量讀取。

根據(jù)導(dǎo)引頭所傳輸?shù)腖VDS信號內(nèi)容，對實時緩沖區(qū)的存儲方式進行組織，形成如圖4所示的雙緩沖結(jié)構(gòu)。

圖4 實時緩沖區(qū)數(shù)據(jù)組織方式

從FPGA輸出的每幀數(shù)據(jù)，包含每個通道的單次采樣值，在實際使用時采用的是連續(xù)繪制一段時間內(nèi)各個通道的數(shù)據(jù)變化情況，通過軟件實現(xiàn)類似示波器界面的效果。為此在實時緩沖區(qū)中配置兩個數(shù)據(jù)區(qū)域，每個區(qū)域可存儲每個通道連續(xù)1024次的采樣值，并由專門的存儲管理數(shù)據(jù)區(qū)進行管理，當(dāng)A區(qū)存儲滿后，指示A區(qū)數(shù)據(jù)有效，可從A區(qū)成批讀取，并自動將FPGA發(fā)送的后續(xù)采樣數(shù)轉(zhuǎn)往B區(qū)依次存儲。B區(qū)存滿后變?yōu)橛行В俎D(zhuǎn)A區(qū)存儲，如此往復(fù)執(zhí)行。

1.2 適配單元

適配單元作為設(shè)備與被測導(dǎo)引頭之間信號交互的樞紐，一方面實現(xiàn)被測導(dǎo)引頭的供電控制及被測信號的調(diào)理，另一方面便攜式計算機系統(tǒng)板卡輸入、輸出信號經(jīng)單元內(nèi)部電纜傳輸后，通過面板航空連接器轉(zhuǎn)接實現(xiàn)與被測導(dǎo)引頭的信號交互。該單元主要實現(xiàn)以下功能：

1)供電控制：電源單元主要包括產(chǎn)品電源和設(shè)備電源，產(chǎn)品電源選用TDK-LAMBDA公司Z+系列程控電源Z36-24，設(shè)備電源提供信號調(diào)理電路所需±12 V，設(shè)備電源與產(chǎn)品電源經(jīng)繼電器控制之后輸出給后級電路，供電控制原理框圖如圖5所示。

圖5 電源供電控制原理

2)信號調(diào)理：信號調(diào)理電路用于對產(chǎn)品輸出的模擬信號進行調(diào)理和阻抗匹配，然后送至多功能采集卡采集。電阻網(wǎng)絡(luò)對輸入電壓分壓，將電壓調(diào)理至-10 V到+10 V，以滿足后端A/D采集卡的輸入范圍；為了抑制輸入端共模電壓，采用儀表放大器將差分的電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)?10 V到+10 V的單端電壓輸出。儀表放大器采用了TI公司推出的INA2128，該儀表放大器占用面積小，帶寬、精度均能滿足數(shù)據(jù)采集通道的要求，同時放大倍數(shù)可以通過芯片外部管腳增益電阻值進行配置。該儀表放大器一方面抑制了差分輸入信號的共模干擾，另一方面把差分輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出，在對精度影響較小的同時，能夠方便的調(diào)節(jié)信號放大倍數(shù)，將微弱信號放大，從而滿足A/D轉(zhuǎn)換器的信號采集范圍，從而提高采樣精度。

3)自檢電路：自檢電路模擬測試回路對系統(tǒng)的各項測試功能進行自檢測，主要包括：AD采集通道自檢、RS422通訊回路自檢、LVDS采集通路自檢等，將自檢信號源引至自檢口，自檢時將導(dǎo)引頭測試電纜接口與自檢口對接后，測試軟件自動完成設(shè)備自檢，自檢電路原理圖如圖6所示。

圖6 自檢電路原理圖

AD采集通道自檢通過程控電源輸出固定電壓值，經(jīng)自檢插座后形成測試回路，AD卡采集后判斷采集通道是否正常；RS422通訊回路自檢時，通過自檢插座形成自發(fā)自收回路，根據(jù)收、發(fā)數(shù)據(jù)是否一致判斷通訊通道是否正常；LVDS板卡自身設(shè)計專門的時鐘、同步及數(shù)據(jù)發(fā)送通道作為自檢信號源，LVDS采集通路自檢時，通過自檢插座將信號源通路與測試通路形成自發(fā)自收回路，根據(jù)收、發(fā)數(shù)據(jù)是否一致判斷LVDS采集通路是否正常。

1.3 便攜式目標(biāo)模擬器

便攜式目標(biāo)模擬器采用公司已定型一體化目標(biāo)模擬器，由紅外準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)、黑體輻射源、光閘、十字光闌和溫度控制箱組成，在其頂部設(shè)計有把手，方便攜帶。

紅外準(zhǔn)直光學(xué)系統(tǒng)用于將紅外輻射源發(fā)出的紅外光，經(jīng)光闌孔后射向紅外非球面透鏡組，出射后成為平行光，投射到位標(biāo)器上；黑體輻射源提供定向輻射能量源，通過設(shè)定溫度變化模擬紅外目標(biāo)源；光閘用于在測試中遮擋目標(biāo)，根據(jù)測試需要，光閘有開啟和閉合兩種工作狀態(tài)，閉合時完全不透光，開啟時達到最大通光口徑；目標(biāo)光闌采用圖形光闌，根據(jù)測試要求，在導(dǎo)引頭視場中心模擬出一個“十”字圖案；溫度控制箱由目標(biāo)源能量控制電路、光閘控制電路、鋰電池和電量顯示器組成，溫度控制箱采用內(nèi)部鋰電池供電，面板設(shè)計有充電接口，可以通過該接口對電池進行充電。溫度控制箱工作原理框圖如圖7所示。

圖7 溫度控制箱控制原理框圖

2 測試軟件設(shè)計

測控軟件是便攜式測控系統(tǒng)的控制核心，完成測試流程控制、電源輸出控制、總線通訊、數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和記錄，測試數(shù)據(jù)事后處理和分析等功能，軟件系統(tǒng)主要包括開發(fā)和運行環(huán)境、菜單系統(tǒng)、運行界面、參數(shù)交互界面和數(shù)據(jù)事后處理平臺等部分。

測控軟件在Windows 7 32bit操作系統(tǒng)下運行，該操作系統(tǒng)是基于NT內(nèi)核的32位操作系統(tǒng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性已經(jīng)過充分驗證，并且擁有豐富的編程接口以及組件、控件供軟件開發(fā)人員選用[5-7]，是現(xiàn)階段測試設(shè)備理想的軟件運行平臺，能夠保證基于該系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用軟件擁有較長的生命力。

測試系統(tǒng)軟件采用采用微軟VC++ 2010和NI公司LabWindows/CVI 2010進行開發(fā)，VC++ 2010和LabWindows/CVI 2010兩種軟件開發(fā)環(huán)境是成熟可靠的可視化集成開發(fā)環(huán)境，VC++ 2010的優(yōu)勢在于對操作系統(tǒng)的細(xì)節(jié)控制容易實現(xiàn)，支持面向?qū)ο蟮拈_發(fā)，運行效率高，用戶交互界面美觀[8-11]；LabWindows/CVI 2010在測試儀器及設(shè)備的控制、以及數(shù)據(jù)分析等方面功能強大。在軟件設(shè)計、開發(fā)過程中，根據(jù)測試需求，可以通過DLL鏈接、進程通訊等方式結(jié)合使用，從而開發(fā)出高質(zhì)量的測試程序。

2.1 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試系統(tǒng)包含了多種測試總線，操控對應(yīng)的板卡和外圍設(shè)備，為了保證可系統(tǒng)可靠性，提高測試控制效率，軟件采用分層次的模塊化設(shè)計，設(shè)計開發(fā)過程中采用面向?qū)ο蟮姆绞健＼浖ο笥幸恢滦缘墓δ苣K，將其封裝形成可復(fù)用的功能對象，各功能對象在軟件協(xié)議控制下形成交互式軟件總體，軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖8所示。

圖8 測控軟件結(jié)構(gòu)

軟件系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上劃分為兩大層次：測試功能層和硬件驅(qū)動層。硬件驅(qū)動層負(fù)責(zé)對測控系統(tǒng)硬件及板卡進行操作，完成測試信號采集和傳輸數(shù)據(jù)的收發(fā)，向上層提供一種透明的傳輸通道。硬件驅(qū)動層在測試過程中僅負(fù)責(zé)通過相關(guān)板卡進行測試數(shù)據(jù)采集，將采集數(shù)據(jù)存入內(nèi)存中特定的單元，或者根據(jù)軟件交互協(xié)議從內(nèi)存中取出所需的數(shù)據(jù)并發(fā)送出去。測試功能層負(fù)責(zé)完成測試流程控制、具體測試信號的接收、發(fā)送、數(shù)據(jù)記錄、分析和顯示。

兩個功能層之間通過相關(guān)總線完成數(shù)據(jù)交換。與硬件驅(qū)動層相反，測試功能層只關(guān)注具體的測試信號，比如某路電源電壓是否輸出、信號電平值是否合格等，而不需關(guān)心電源的輸出控制是由板卡哪些資源控制；硬件資源分配及數(shù)據(jù)接口管理是兩大層次之間的中間層，用于實現(xiàn)硬件資源與測試信號之間的關(guān)聯(lián)，不同數(shù)據(jù)通道由對應(yīng)的配置數(shù)據(jù)庫進行綁定，該實現(xiàn)方法可以提供強大的測試通道重組功能，提高板卡資源利用率。

測試功能層針對不同測試的功能需求，設(shè)計了多個功能模塊：

1)測試控制功能模塊：該模塊用于對導(dǎo)引頭加電過程和測試流程進行控制，根據(jù)測試時序完成總線通訊、信號激勵、測試數(shù)據(jù)采集、顯示和記錄。對導(dǎo)引頭電源狀態(tài)和工作狀態(tài)實時監(jiān)控，保證測試過程的安全性，該模塊設(shè)計在保證功能性需求的基礎(chǔ)上，對人機操作界面進行優(yōu)化，提供關(guān)鍵數(shù)據(jù)的實時顯示，確保數(shù)據(jù)記錄的可靠準(zhǔn)確，提供盡可能多的圖形顯示窗口以便能夠?qū)崟r觀察數(shù)據(jù)的變化；

2)數(shù)據(jù)分析功能模塊：該模塊用于導(dǎo)引頭測試后的結(jié)果分析，通過調(diào)用當(dāng)前和已存儲測試數(shù)據(jù)，提供數(shù)據(jù)解析功能。同時測試軟件提供強大的數(shù)據(jù)顯示能力，可以根據(jù)用戶的需求，將數(shù)據(jù)顯示方式以不同形式進行呈現(xiàn)，對軟件界面規(guī)劃不同的顯示窗口，對多窗口同時顯示的大數(shù)據(jù)能力進行優(yōu)化；

3)自檢校準(zhǔn)功能模塊：為了滿足設(shè)備自檢和定期校準(zhǔn)，軟件設(shè)計了專門的自檢校準(zhǔn)模塊。程序啟動時，首先對電源狀態(tài)、板卡初始化狀態(tài)進行快速自檢，確保其工作狀態(tài)正常；同時測控系統(tǒng)在自檢連接狀態(tài)下，測試程序根據(jù)測試時序要求，依次對控制回路、供電回路、采集通路、通訊通路等依次進行檢查，確保各測試回路工作正常；校準(zhǔn)模塊設(shè)計專門校準(zhǔn)程序窗口，定期校準(zhǔn)時能夠提供方便快捷的操作界面，操作人員借助外部標(biāo)準(zhǔn)儀器，便能夠高效的進行校準(zhǔn)操作。

2.2 軟件測試流程

軟件測試流程如圖9所示。

圖9 軟件測試流程圖

測試流程描述如下。

1)測試環(huán)境設(shè)定：進行系統(tǒng)資源的連接狀態(tài)、設(shè)定狀態(tài)判定，關(guān)鍵測試組件的狀態(tài)確認(rèn)；

2)地面測試：通過RS422發(fā)送控制指令完成與導(dǎo)引頭通訊檢查，檢查導(dǎo)引頭供電電壓、消耗電流、對時脈沖信號等是否合格；

3)目標(biāo)數(shù)據(jù)裝訂：通過RS422完成導(dǎo)引頭與彈上計算機的數(shù)據(jù)幀設(shè)置，并受控于工作時序；

4)導(dǎo)引頭自檢：完成導(dǎo)引頭加電及自檢時序測試，判定工作狀態(tài)；

5)預(yù)偏角測試：通過RS422控制目標(biāo)模擬器模擬預(yù)置目標(biāo)預(yù)偏角，向?qū)б^發(fā)出預(yù)置角指令并進行預(yù)偏轉(zhuǎn)測量，并通過數(shù)據(jù)回讀判斷導(dǎo)引頭狀態(tài)；

6)啟動測試：模擬發(fā)出“導(dǎo)引頭啟動信號”，完成導(dǎo)引頭啟動測試；

7)捕獲測試：通過RS422控制目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)，發(fā)出“捕獲指令”，完成導(dǎo)引頭對目標(biāo)的捕獲鎖定測試；

8)跟蹤測試：導(dǎo)引頭進入跟蹤狀態(tài)，通過RS422控制目標(biāo)模擬器模擬目標(biāo)運動，進行視線角測試。

3 測控系統(tǒng)試驗驗證

測控系統(tǒng)生產(chǎn)試制完成后，進行測控系統(tǒng)軟件編制。

測控系統(tǒng)在軟件配合下依次進行了設(shè)備調(diào)試、設(shè)備首次校準(zhǔn)及導(dǎo)引頭聯(lián)試，在確認(rèn)設(shè)備功能和性能達到指標(biāo)要求后，交付用戶使用。用戶在導(dǎo)引頭總體性能調(diào)試、環(huán)境試驗、可靠性試驗、電磁兼容性試驗等試驗均使用該設(shè)備進行導(dǎo)引頭試驗測試，實際使用結(jié)果表明：測控系統(tǒng)小巧輕便、轉(zhuǎn)場移動方便，在各種試驗場合僅需連接外部供電及測試電纜便可快速轉(zhuǎn)開測試，在方便試驗開展的同時極大提高了試驗效率；測試程序界面友好、功能強大，兼容自動測試、手動單項測試、參數(shù)設(shè)置、圖形顯示等多種功能于一體，能夠滿足多種試驗環(huán)境下的測試需求；測控系統(tǒng)自投入使用以來，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，測試精度高，具有一定擴展性及通用性，環(huán)境適應(yīng)性強，滿足用戶指標(biāo)要求。

4 結(jié)束語

本文針對某紅外成像導(dǎo)引頭試驗及調(diào)試需求，綜合考慮設(shè)備使用環(huán)境等因素，采用基于PXI總線的計算機平臺，搭建了一套便攜式測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過外部電纜的簡單連接便可快速展開測試，能夠適應(yīng)多種試驗環(huán)境條件下使用，體積小、重量輕，便于攜帶。目前，該設(shè)備已配合用戶完成多項環(huán)境試驗測試及產(chǎn)品交付試驗。用戶使用結(jié)果表明，便攜式測控系統(tǒng)穩(wěn)定性好、轉(zhuǎn)運方便、展開快速、環(huán)境適用性強，大大提高了測試效率，能夠滿足用戶實際使用需求，為后續(xù)該型導(dǎo)引頭配套設(shè)備研制具有一定借鑒意義，同時根據(jù)用戶使用意見，后續(xù)會對測控系統(tǒng)顯示屏在陽光下可視、加強三防設(shè)計等方面進行優(yōu)化設(shè)計。