烏軼聰

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 引言

微波著陸系統(tǒng)（Microwave Landing System，MLS）是一種精密的進(jìn)近和著陸引導(dǎo)系統(tǒng)，它由機(jī)載設(shè)備和地面設(shè)備組成，其工作原理是機(jī)載設(shè)備收到地面設(shè)備發(fā)射的引導(dǎo)信號后，經(jīng)過處理計(jì)算出飛機(jī)相對于著陸跑道的方位、下滑和距離數(shù)據(jù)，以此來引導(dǎo)飛機(jī)進(jìn)近著陸。某型MLS 接收機(jī)（以下簡稱MLS 接收機(jī)）是MLS 機(jī)載設(shè)備中的測角設(shè)備，它主要為飛機(jī)提供方位、下滑的角度偏差和地面數(shù)據(jù)信息。MLS 接收機(jī)的精度指標(biāo)是衡量其性能的重要指標(biāo)，它直接反映了MLS 接收機(jī)在引導(dǎo)準(zhǔn)確性方面的能力，MLS 接收機(jī)的檢測設(shè)備二線檢測儀沒有測量MLS 接收機(jī)精度的功能，MLS 內(nèi)場模擬器雖能測量MLS 接收機(jī)精度指標(biāo)，但無結(jié)果判決，存在指標(biāo)超差顯示不直觀的缺陷。為有效解決以上問題，本文給出了一種基于虛擬儀器技術(shù)開發(fā)的MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

1 精度的定義和計(jì)算方法

按照國際民航組織（International Civil Aviation Organization，ICAO）在《國際民用航空公約》附件10 中對微波著陸系統(tǒng)精度標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，使用航道跟隨誤差（Path Following Error，PFE）和控制運(yùn)動噪聲（Control Motion Noise，CMN）兩個指標(biāo)來衡量系統(tǒng)的精度。PFE 是指預(yù)定飛行航線與飛機(jī)跟隨制導(dǎo)信號而形成的實(shí)際飛行航線之間的誤差，這種誤差會使飛機(jī)偏離航向道或下滑道。CMN 是由較高的角頻率信號產(chǎn)生的誤差，這種誤差影響飛機(jī)的舵面和操縱桿的抖動，并有可能影響飛機(jī)姿態(tài)的擺動[1]。ICAO 規(guī)定PFE 和CMN 分別用PFE 濾波器和CMN 濾波器來測量，模擬濾波器的系統(tǒng)函數(shù)[2]為：

將模擬濾波器離散化轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字濾波器，可推導(dǎo)出PFE 和CMN 數(shù)字濾波器的差分方程[1]為：

PFE 和CMN 的評估原理如圖1所示。根據(jù)以上理論得到PFE 和CMN 的算法后，將MLS 接收機(jī)輸出的角度數(shù)據(jù)按照PFE 和CMN 的相關(guān)算法進(jìn)行運(yùn)算，就可以得到MLS 接收機(jī)的精度數(shù)據(jù)。

圖1 MLS 接收機(jī)PFE 和CMN 的評估原理

2 總體設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

根據(jù)GJB2598-96《微波著陸系統(tǒng)機(jī)載設(shè)備通用規(guī)范》的要求，MLS 接收機(jī)精度測試需要完成以下任務(wù)：

（1）給MLS 接收機(jī)加電并進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，設(shè)置通道號、進(jìn)場方位角度和下滑角度，使其進(jìn)入工作狀態(tài)；

（2）觀察接收機(jī)狀態(tài)，即接收機(jī)返回的通道號、進(jìn)場方位角度和下滑角度是否與設(shè)置一致，使用MLS 信號源給接收機(jī)輸入MLS 信號，使其開始正常工作，觀察其是否告警，啟動自檢，觀察接收機(jī)是否存在無故障；

（3）在接收機(jī)無故障且不告警的正常工作狀態(tài)下，讀取接收機(jī)精度指標(biāo)PFE 和CMN 值；讀取接收機(jī)返回的方位和下滑的實(shí)際角度；觀察ARINC429 信號波形并讀取其幅度與頻率值，最后觀察以上指標(biāo)是否超差。

基于以上任務(wù)，MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)需要完成的功能是：

（1）給MLS 接收機(jī)加電并設(shè)置工作參數(shù)；

（2）顯示MLS 接收機(jī)狀態(tài)；

（3）根據(jù)MLS 接收機(jī)的輸出數(shù)據(jù)，計(jì)算和顯示出MLS 接收機(jī)的精度指標(biāo)PFE 和CMN 值并判決是否超差；

結(jié)果顯示，隨著三棱、莪術(shù)提取物質(zhì)量濃度的增加，其對SW620細(xì)胞的抑制率也相應(yīng)升高。不同質(zhì)量濃度三棱、莪術(shù)提取物作用后的細(xì)胞增殖抑制曲線見圖1。根據(jù)該曲線求算得三棱提取物IC30為3.24 μg/mL，IC50為4.69 μg/mL；莪術(shù)提取物IC30為11.27 μg/mL，IC50為16.81 μg/mL。

（4）顯示ARINC429 信號波形，并測量出其幅度與頻率值。

MLS接收機(jī)精度測試的設(shè)備連接圖如圖2所示。

圖2 MLS 接收機(jī)精度測試設(shè)備連接圖

2.2 設(shè)計(jì)原理

根據(jù)以上需求分析，MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)可以采用虛擬儀器的原理來設(shè)計(jì)。虛擬儀器是用軟件將計(jì)算機(jī)硬件和儀器硬件有機(jī)地結(jié)合起來，以計(jì)算機(jī)和儀器為載體，通過應(yīng)用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的處理、存儲和顯示，最終完成測試和控制功能的儀器開發(fā)模式。本系統(tǒng)采用虛擬儀器的開發(fā)模式具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）開發(fā)周期短。設(shè)備硬件一般采用計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)板卡，具有通用性，采購方便的特點(diǎn)；軟件開發(fā)平臺成熟，流程系統(tǒng)化，編程易上手。

（2）可拓展性強(qiáng)。設(shè)備不論硬件還是軟件，都采用模塊化，如需拓展設(shè)備功能，硬件只需增加數(shù)據(jù)板卡，軟件添加相應(yīng)的程序模塊即可。

（3）設(shè)備性能強(qiáng)大，可靠性高。依靠先進(jìn)的PC 技術(shù)，設(shè)備有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，穩(wěn)定的操作系統(tǒng)也為系統(tǒng)的可靠性提供了有力的支撐。

MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)方案是：使用一臺計(jì)算機(jī)作為精度測試系統(tǒng)的硬件平臺，根據(jù)MLS 接收機(jī)輸出信號的特性，給計(jì)算機(jī)加裝相應(yīng)的數(shù)據(jù)板卡，在應(yīng)用軟件的控制下板卡與MLS接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，完成向接收機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)和采集接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)的任務(wù)，同時(shí)應(yīng)用軟件對得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)如接收機(jī)設(shè)置、精度指標(biāo)的計(jì)算、判決和數(shù)據(jù)的顯示等功能。

3 詳細(xì)設(shè)計(jì)

MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路就是通過應(yīng)用軟件控制計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)板卡來完成其測控功能，以下從系統(tǒng)的硬件和軟件兩方面來具體介紹其詳細(xì)設(shè)計(jì)。

3.1 硬件設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)主機(jī)采用主流PC機(jī)配置，使用Windows操作系統(tǒng)，內(nèi)部提供 PCI 插槽以方便安裝ARINC429 總線接口板和圖形處理板，并配置USB接口，外部安裝鍵盤和鼠標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出設(shè)備，顯示器使用液晶顯示器。MLS 接收機(jī)的參數(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)都采用ARINC429 總線格式，所以必須使用一個ARINC429 總線接口板來完成系統(tǒng)與接收機(jī)的數(shù)據(jù)交換，ARINC429 總線接口板可以選用EP-H6272 型ARINC429 總線開發(fā)應(yīng)用板。該板采用PCI 總線接口，板上有四個ARINC429 收發(fā)芯片，每個收發(fā)芯片包含一個發(fā)送通道和兩個接收通道，可作為ARINC429 數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)源或者接收和分析ARINC429 總線數(shù)據(jù)。當(dāng)接收數(shù)據(jù)時(shí)，收發(fā)芯片將接收來的數(shù)據(jù)交給板上專用的FPGA 加DSP電路進(jìn)行處理，而后將數(shù)據(jù)通過PCI 總線傳送給計(jì)算機(jī)。由于要顯示ARINC429 信號波形并測量其幅度和頻率，可以選用EP-H6024A 型高速高精度并行數(shù)據(jù)采集卡來完成信號的采集。EP-H6024A 是并行方式8 通道A/D 采集卡，最高采樣率1 MHz，具有8 路模擬信號輸入、外觸發(fā)和外時(shí)鐘信號輸入。A/D 轉(zhuǎn)換分辨率為12 位，采用單端/差分可選輸入方式，每通道8 個量程檔可獨(dú)立選擇。采樣長度為每通道1M 個采樣點(diǎn)，供存儲A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)用。MLS接收機(jī)供電電源使用明緯LRS-350-24型電源，電源輸入使用計(jì)算機(jī)的220 V 交流電，將輸出調(diào)節(jié)為直流28 V 為接收機(jī)供電。電源設(shè)置開關(guān)，開關(guān)與電源輸出連接器一并安裝于PCI 位擋板上，與其他板卡接口并列于機(jī)箱上，方便電纜連接。連接電纜一端連接MLS 接收機(jī)，另一端分出三個連接器，分別和ARINC429 總線接口板、圖形處理板與接收機(jī)供電電源連接，電纜中供電電源線直接連接接收機(jī)電源輸入端，接收機(jī)ARINC429 信號輸入端連接ARINC429 總線接口板，接收機(jī)ARINC429 信號輸出端分別連接ARINC429 總線接口板和圖形處理板。

圖3 MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

按照虛擬儀器中軟件就是儀器的思想，軟件是虛擬儀器系統(tǒng)的關(guān)鍵。虛擬儀器軟件系統(tǒng)主要分為四層結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)管理層、測控程序?qū)?、儀器驅(qū)動層和I/O 接口層[3]。MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為硬件平臺，使用Windows 操作系統(tǒng)，用到的板卡ARINC429 總線接口板和圖形處理板都是專業(yè)公司的貨架產(chǎn)品，均提供Windows 操作系統(tǒng)下的驅(qū)動程序，所以只需要開發(fā)出測控軟件即可完成精度測試系統(tǒng)的軟件開發(fā)。MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)的測控軟件可以使用Lab Windows/CVI 來完成開發(fā)。Lab Windows/CVI 是一款基于ANSI C 的集成開發(fā)環(huán)境，它將C語言與虛擬儀器軟件工具庫結(jié)合起來，使用交互式編程方法，提供多樣的功能面板，不但提高了用戶的編程效率，而且提升了軟件效果，是測控應(yīng)用軟件的理想編程環(huán)境。

根據(jù)總體設(shè)計(jì)中MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)需要完成的功能，系統(tǒng)測控軟件可分為四個模塊：接收機(jī)設(shè)置模塊、接收機(jī)狀態(tài)模塊、接收機(jī)精度模塊和ARINC429 信號波形顯示模塊。接收機(jī)設(shè)置模塊完成設(shè)置接收機(jī)的通道號、進(jìn)場方位角度和下滑角度功能，還包括接收機(jī)的啟動自檢與停檢功能。接收機(jī)狀態(tài)模塊顯示接收機(jī)返回的通道號、進(jìn)場方位角度、下滑角度和告警狀態(tài)。接收機(jī)精度模塊顯示接收機(jī)精度指標(biāo)PFE、CMN 值和接收機(jī)返回的方位和下滑的實(shí)際角度值，并顯示指標(biāo)的判決結(jié)果。ARINC429 信號波形顯示模塊顯示ARINC429 信號波形和其幅度與頻率值。MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)測控軟件的用戶界面如圖4所示。

圖4 MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)測控軟件的用戶界面

按照Lab Windows/CVI 編程的基本步驟，測控軟件的開發(fā)過程分為以下6 個階段：

（1）創(chuàng)建工程文件：啟動Lab Windows/CVI 后，新建一個工程目錄并命名，開始軟件制作。

（2）儀器面板的設(shè)計(jì)：進(jìn)入工程文件編輯環(huán)境，建立儀器面板，按照功能需求添加各種控件，并設(shè)置其相關(guān)屬性。

（3）源程序文件的生成：完成面板和控件的設(shè)計(jì)后，進(jìn)入代碼菜單，生成程序的主函數(shù)和各種回調(diào)函數(shù)，產(chǎn)生程序的主框架。

（4）添加程序代碼：根據(jù)軟件需要完成的功能，給主函數(shù)和各個回調(diào)函數(shù)中添加程序代碼，來完成編程。

（5）編譯調(diào)試：完成整個程序的頭文件、用戶界面文件和源代碼文件的編制后，進(jìn)行程序的編譯、調(diào)試和運(yùn)行。

（6）生成執(zhí)行文件和安裝文件：當(dāng)程序編譯、調(diào)試完畢后，創(chuàng)建一個可執(zhí)行文件，設(shè)置測控軟件的圖標(biāo)和標(biāo)題等，最后將軟件打包成安裝文件，完成測控軟件的制作。

4 總結(jié)和展望

MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)是MLS 接收機(jī)專用內(nèi)場檢測設(shè)備，它可以完成MLS 接收機(jī)工作狀態(tài)設(shè)置、顯示接收機(jī)狀態(tài)、測量接收機(jī)精度和監(jiān)測接收機(jī)輸出信號等功能，較之前測試方式不僅操作更加簡單，而且增加了測試功能，極大提高了MLS接收機(jī)的測試效率。該系統(tǒng)測控軟件使用 Lab Windows/CVI 平臺開發(fā)，軟件界面友好，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性強(qiáng)。MLS 接收機(jī)精度測試系統(tǒng)目前仍采用人工操作的半自動化測試方式，隨著虛擬儀器技術(shù)的日新月異，今后該測試系統(tǒng)可以向著自動測試、自動記錄和自動輸出測試結(jié)果等全自動化測試方向發(fā)展。