胡建，韓登峰

（中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院，河南 洛陽(yáng) 471009）

隨著導(dǎo)彈智能技術(shù)的發(fā)展，導(dǎo)彈智能飛行控制系統(tǒng)具有惡劣環(huán)境自適應(yīng)能力、智能再規(guī)劃能力、智能規(guī)避能力、跟蹤高機(jī)動(dòng)目標(biāo)能力、自修復(fù)能力和高彈性控制能力[1]。飛控測(cè)試系統(tǒng)用于飛控組件的環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)（ESS）測(cè)試及仿真試驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)模擬使用環(huán)境給飛控系統(tǒng)發(fā)出控制指令及激勵(lì)信號(hào)，接收存儲(chǔ)飛控返回的工作狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)飛控系統(tǒng)工作狀態(tài)的監(jiān)控與分析[2]。

測(cè)試系統(tǒng)在內(nèi)場(chǎng)、外場(chǎng)等多個(gè)場(chǎng)景中使用，由于工作條件、工況的影響，被控對(duì)象的參數(shù)可能變化，環(huán)境影響對(duì)系統(tǒng)造成干擾，多數(shù)干擾是隨機(jī)的[3]。飛控測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號(hào)種類多，使用場(chǎng)景變化后測(cè)試精度可能發(fā)生變化，使用前必須校準(zhǔn)。傳統(tǒng)解決方法是使用多個(gè)校準(zhǔn)儀器對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，效率低；校準(zhǔn)頻次高，對(duì)校準(zhǔn)設(shè)備資源的占用率高。設(shè)計(jì)具有自校準(zhǔn)功能的測(cè)試系統(tǒng)可極大地提高測(cè)試系統(tǒng)對(duì)多場(chǎng)景應(yīng)用的適應(yīng)性，通過(guò)自校準(zhǔn)技術(shù)，能夠自動(dòng)對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)中的系統(tǒng)誤差進(jìn)行識(shí)別、估計(jì)、補(bǔ)償和修正，從而提高狀態(tài)的估計(jì)精度[4-5]。自校準(zhǔn)方法既能消除系統(tǒng)誤差，又能減小偶然誤差[6]。為了提高測(cè)試效率，測(cè)試系統(tǒng)必須具備多通道自動(dòng)測(cè)試功能。

1 設(shè)計(jì)原則

智能化測(cè)控技術(shù)以計(jì)算機(jī)為核心，通過(guò)智能檢測(cè)與智能控制自動(dòng)獲取信息，并利用人工智能、專家系統(tǒng)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、監(jiān)控、自診斷和自修復(fù)[7]。

自校準(zhǔn)功能是利用測(cè)試系統(tǒng)自身資源，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)測(cè)試功能與測(cè)試精度的校準(zhǔn)。對(duì)測(cè)試信號(hào)進(jìn)行歸類，每類信號(hào)具有發(fā)送、接收電路，在測(cè)試接口端將發(fā)送、接收電路連通形成回路實(shí)現(xiàn)通道自校準(zhǔn)。校準(zhǔn)信號(hào)的頻率、電壓幅值及采樣點(diǎn)均需覆蓋工作信號(hào)的范圍。

多通道功能是測(cè)試系統(tǒng)具備對(duì)多個(gè)被測(cè)件獨(dú)立的測(cè)試能力，因此需要多個(gè)測(cè)試接口，通過(guò)測(cè)控信號(hào)進(jìn)行通道分時(shí)切換。需確保通道間的隔離要求、電磁兼容性要求、阻抗匹配要求和安全性要求，滿足高速、高同步性能要求[8]，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)多通道測(cè)試功能。

該測(cè)試系統(tǒng)包含以下幾類測(cè)試信號(hào)：1）ARIN C429 總線信號(hào)；2）LVDS 總線信號(hào)；3）模擬信號(hào)：電壓、電流信號(hào)，電壓信號(hào)頻率最大為10 kHz，信號(hào)幅值為±27 V；4）I/O 信號(hào)：輸入輸出開(kāi)關(guān)量，信號(hào)特征為+27 V或+5 V的數(shù)字量。測(cè)試系統(tǒng)要求具備較為全面的硬件接口，具有良好的實(shí)時(shí)解算能力，操作維護(hù)方便，具有一定的擴(kuò)展能力和通用要求[9]。該測(cè)試系統(tǒng)對(duì)外接口類型和數(shù)量多，數(shù)據(jù)速率快，因此對(duì)數(shù)據(jù)處理性能、實(shí)時(shí)性以及任務(wù)調(diào)度能力要求較高[10]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能

測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)向被測(cè)產(chǎn)品加電、裝訂任務(wù)參數(shù)、與被測(cè)件信息交換、靜態(tài)電阻測(cè)試等功能。該系統(tǒng)包含測(cè)控單元、信號(hào)調(diào)理單元、切換單元、供電單元、數(shù)字萬(wàn)用表和測(cè)試接口六部分，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

測(cè)控單元以PXI 總線工控機(jī)為核心，工控機(jī)通過(guò)多種測(cè)試接口板控制供電電源、信號(hào)調(diào)理單元、切換單元、數(shù)字萬(wàn)用表等工作。在環(huán)境應(yīng)力篩選試驗(yàn)中，測(cè)控單元控制溫箱升溫、降溫、保溫及停止；測(cè)控單元控制振動(dòng)臺(tái)起振、停振，實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備協(xié)同工作、自動(dòng)完成試驗(yàn)。

A/D 板為32 路模擬信號(hào)輸入采集卡，A/D 板包含采集模塊和隔離模塊，數(shù)字隔離能夠減少噪聲干擾[11]。該板卡具有16 位分辨率、單通道最大采樣率為100 kSPS、具有1 024 采樣點(diǎn)輸入FIFO 緩存，其作用是與信號(hào)調(diào)理單元配合，采集被測(cè)件輸出的模擬信號(hào)。

D/A 板為16 路模擬信號(hào)輸出接口板，數(shù)模轉(zhuǎn)換作為信號(hào)源的核心，其轉(zhuǎn)換精度關(guān)系到系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)精度，決定整個(gè)系統(tǒng)能否達(dá)到應(yīng)用要求的關(guān)鍵[12]。D/A 板具有16 位分辨率，輸出范圍為±10 V，與信號(hào)調(diào)理單元配合，產(chǎn)生模擬激勵(lì)信號(hào)及系統(tǒng)自檢所需模擬信號(hào)，在FPGA 的控制下實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)的輸出。

429 總線接口卡是以單片機(jī)為核心的智能化板卡，單片機(jī)采用32 位ARM 單片機(jī)LPC2214，負(fù)責(zé)429數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收、格式轉(zhuǎn)換等；CPLD采用EPM3256A實(shí)現(xiàn)，其主要作用是進(jìn)行單片機(jī)控制信號(hào)與協(xié)議芯片控制信號(hào)間的譯碼控制、時(shí)序變換；8 kB×16 位雙端口存儲(chǔ)器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)緩沖；429 總線通信協(xié)議發(fā)送、接收波特率在0～100 kHz 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)。

LVDS 接口卡和數(shù)字信號(hào)調(diào)理及切換單元，組合實(shí)現(xiàn)數(shù)字遙測(cè)信息接收、I/O 指令控制及多通道切換的功能，實(shí)現(xiàn)8 組共60 位數(shù)字量的I/O 控制。

模擬信號(hào)調(diào)理裝置實(shí)現(xiàn)被測(cè)件與測(cè)試設(shè)備部件信號(hào)間的電平轉(zhuǎn)換、量程變換、隔離等功能。

供電電源為被測(cè)產(chǎn)品可靠供電，并具有過(guò)壓、過(guò)流、欠壓保護(hù)功能。

數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)靜態(tài)電阻及電壓進(jìn)行測(cè)試，電阻測(cè)試切換裝置能將被測(cè)件需要測(cè)試的多路電阻中的任意一路接入數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)試接口連接多發(fā)產(chǎn)品，并可通過(guò)測(cè)試接口進(jìn)行設(shè)備自檢及校準(zhǔn)。

2.2 多通道電路

使用繼電器網(wǎng)絡(luò)和FPGA 控制電路兩種方式實(shí)現(xiàn)對(duì)不同電氣特性信號(hào)的切換。

1）繼電器網(wǎng)絡(luò)

由于電子選通方式無(wú)法通過(guò)最高+27 V 的電壓，因此電源信號(hào)、I/O 信號(hào)、模擬量信號(hào)使用繼電器網(wǎng)絡(luò)切換，如圖2 所示；429 總線接口卡信號(hào)電壓為±5 V，也使用繼電器切換。

圖2 繼電器網(wǎng)絡(luò)

繼電器網(wǎng)絡(luò)保證了在任何時(shí)刻，信號(hào)只能連接至一個(gè)被測(cè)件，即使是在某個(gè)繼電器發(fā)生粘連故障的情況下，通過(guò)該繼電器網(wǎng)絡(luò)也不會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)被測(cè)件同時(shí)接通的情況。

根據(jù)信號(hào)頻率、電壓等特性，采用相應(yīng)的繼電器實(shí)現(xiàn)被測(cè)量信號(hào)的選通及切換。電源通道繼電器采用日本松下公司的20ATM 型EP 高容量斷路繼電器，其最大切換電流為20 A，最大切換電壓為400 V DC。信號(hào)通道采用日本松下公司的RA 高頻繼電器，該繼電器具有1 GHz 高頻特性，其觸點(diǎn)間插入損耗可達(dá)20 dB 以上。

2）FPGA 控制電路

由于FPGA 具有很強(qiáng)的并行處理能力和時(shí)序控制能力，因此被廣泛地應(yīng)用于高速并行數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域。使用FPGA 芯片控制的切換電路實(shí)現(xiàn)LVDS 信號(hào)的切換，如圖3 所示。

圖3 FPGA切換電路

LVDS 信號(hào)為低電壓差分信號(hào)，其電壓值較低，功耗相對(duì)小，傳輸距離短[13]。輸出的LVDS 信號(hào)經(jīng)LVDS-TTL 轉(zhuǎn)換器件轉(zhuǎn)換，成為單端TTL 電平信號(hào)，送至FPGA；在選通信號(hào)控制下，只有被選中的信號(hào)被送至FPGA 輸出端，這些單端信號(hào)再經(jīng)TTL-LVDS轉(zhuǎn)換器件電平轉(zhuǎn)換，重新變?yōu)長(zhǎng)VDS 信號(hào)送至工控機(jī)中的LVDS 接口板。TTL-LVDS 轉(zhuǎn)換器件必須采用具有輸出控制的器件，以保證未選中的通道對(duì)產(chǎn)品的輸出為三態(tài)，避免對(duì)被測(cè)產(chǎn)品造成損壞。因測(cè)試數(shù)據(jù)量較大，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確度要求較高，LVDS-TTL 轉(zhuǎn)換器件電平轉(zhuǎn)換后的信號(hào)具有較強(qiáng)的抗干擾能力，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹14]。LVDS-TTL 轉(zhuǎn)換器件采用SN75LVDS386，TTL-LVDS轉(zhuǎn)換器件采用SN75LVDS387，F(xiàn)PGA 選用Cyclone 系列的EP1C6 實(shí)現(xiàn)。

2.3 自校準(zhǔn)電路

利用各類信號(hào)獨(dú)立的發(fā)送、接收電路，在測(cè)試接口端將發(fā)送及接收電路連接起來(lái)，通過(guò)自發(fā)自收實(shí)現(xiàn)各通道自校準(zhǔn)，自校準(zhǔn)示意圖如圖4 所示。

圖4 自校準(zhǔn)示意圖

ARINC429 總線信號(hào)、LVDS 總線信號(hào)、I/O 信號(hào)為數(shù)字量信號(hào)，通過(guò)信號(hào)閉環(huán)處理，可實(shí)現(xiàn)通道功能及性能自校準(zhǔn)。

模擬量信號(hào)的校準(zhǔn)要求較高，零偏要求小于10 mV，需對(duì)零偏和放大系數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，除了回路的整體精度滿足要求，還必須保證輸入量和輸出量的精度。因此模擬量自校準(zhǔn)是將AD 電路輸出與DA 電路輸入在測(cè)試接口端連接形成回路，并同時(shí)將AD 電路輸出信號(hào)連接到高精度數(shù)字多用表進(jìn)行測(cè)試，數(shù)字多用表測(cè)量精度可達(dá)0.015%DCV。輸入輸出接口需提供校準(zhǔn)內(nèi)部基準(zhǔn)源接口和外接外部基準(zhǔn)源接口。

3 軟件設(shè)計(jì)

測(cè)控系統(tǒng)軟件邏輯架構(gòu)包含了多個(gè)獨(dú)立功能模塊，各模塊之間協(xié)同運(yùn)行[15]。測(cè)控系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)量測(cè)控、系統(tǒng)測(cè)控、綜合測(cè)控等功能[16]。該測(cè)試系統(tǒng)軟件包含驅(qū)動(dòng)軟件、自校準(zhǔn)軟件、測(cè)控軟件、儀器管理軟件和信息化軟件。

設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是測(cè)試系統(tǒng)軟件訪問(wèn)硬件的基礎(chǔ)。應(yīng)用程序通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序訪問(wèn)底層硬件；設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序采用WDM 架構(gòu)，該驅(qū)動(dòng)程序支持PnP 與電源管理功能，且能夠?qū)崿F(xiàn)高效的I/O 操作，提高數(shù)據(jù)傳輸速率。

自校準(zhǔn)軟件能夠?qū)υO(shè)備進(jìn)行自檢校準(zhǔn)，軟件預(yù)設(shè)校準(zhǔn)參數(shù)，包括通道選擇、信號(hào)種類選擇、量值設(shè)置，啟動(dòng)自檢程序后程序控制硬件自動(dòng)對(duì)預(yù)設(shè)參數(shù)進(jìn)行自檢，并顯示校準(zhǔn)結(jié)果。模擬量AD/DA 通道校準(zhǔn)結(jié)果判讀不合格，啟動(dòng)自適應(yīng)調(diào)整，根據(jù)校準(zhǔn)結(jié)果控制調(diào)整零位調(diào)整電路或放大系數(shù)調(diào)整電路，自校準(zhǔn)流程如圖5 所示。

圖5 自校準(zhǔn)流程

測(cè)控軟件控制測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)完成被測(cè)件的各項(xiàng)功能、性能測(cè)試，并能根據(jù)實(shí)時(shí)記錄的數(shù)據(jù)，對(duì)被測(cè)件性能進(jìn)行深度分析。數(shù)據(jù)采集由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，大大提高了試驗(yàn)效率。

儀器管理軟件的作用是對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中的電源、數(shù)字多用表、供電控制裝置、溫箱及振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行管理。對(duì)供電控制裝置進(jìn)行過(guò)壓值、過(guò)流值、欠壓值等各種參數(shù)的設(shè)置，并能進(jìn)行過(guò)壓、過(guò)流、欠壓報(bào)警；對(duì)電源的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置、并可將電源的輸出值顯示在工控機(jī)上；溫箱管理軟件對(duì)溫箱進(jìn)行溫度控制管理；振動(dòng)臺(tái)管理軟件實(shí)現(xiàn)振動(dòng)臺(tái)的控制操作。

信息化軟件實(shí)現(xiàn)任務(wù)接收、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及信息上傳功能。在測(cè)試前測(cè)試設(shè)備主動(dòng)向信息部門(mén)數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)出申請(qǐng)，從任務(wù)列表中選擇將要進(jìn)行的測(cè)試任務(wù)；測(cè)試結(jié)束后按用戶要求，將測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)生成檢測(cè)報(bào)表，并進(jìn)行存盤(pán)、打印等操作；自動(dòng)完成測(cè)試狀態(tài)與測(cè)試數(shù)據(jù)的信息化上傳。

4 測(cè) 試

使用自校準(zhǔn)電纜在測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試接口端將信號(hào)輸入輸出連接起來(lái)，對(duì)各個(gè)通道、各種信號(hào)進(jìn)行自校準(zhǔn)，ARINC429 總線、LVDS 總線發(fā)送隨機(jī)數(shù)，I/O 發(fā)送“1”、“0”，模擬通道發(fā)送設(shè)定值。經(jīng)測(cè)試，數(shù)字量平均測(cè)試誤碼率小于10-8，模擬量AD/DA 的零位誤差小于10 mV，工作電壓范圍內(nèi)的誤差小于20 mV，自校準(zhǔn)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1 所示，測(cè)試結(jié)果滿足使用要求。

表1 AD/DA自校準(zhǔn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語(yǔ)

該導(dǎo)彈飛控測(cè)試系統(tǒng)采用多通道、自校準(zhǔn)的設(shè)計(jì)思路，極大地提高了測(cè)試效率和環(huán)境適應(yīng)性。采用繼電器網(wǎng)絡(luò)和FPGA 控制電路實(shí)現(xiàn)多種電氣特性的信號(hào)切換；利用測(cè)試系統(tǒng)自身資源，將信號(hào)發(fā)送電路與接收電路連接形成校準(zhǔn)回路，程序控制自發(fā)自收與高精度儀器檢測(cè)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)各通道功能與性能的自校準(zhǔn)；多個(gè)軟件模塊設(shè)計(jì)滿足了測(cè)試自動(dòng)化、信息化的需求。通過(guò)安裝調(diào)試及大量的實(shí)驗(yàn)表明，該測(cè)試系統(tǒng)工作可靠、高效、智能，滿足某型導(dǎo)彈飛控系統(tǒng)測(cè)試要求。