祝軍生，方志耕，馮敏潔，樊雪晨，王 鵬

(1.南京航空航天大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，南京 211106；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)八五一一研究所，南京 210007；3.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；4.北京航天測(cè)控技術(shù)有限公司，北京 100043)

0 引言

轉(zhuǎn)臺(tái)作為某型伺服系統(tǒng)的核心，承擔(dān)著作為伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的重要功能[1-2]。作為伺服系統(tǒng)的核心組成部件，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、轉(zhuǎn)動(dòng)加速度、隨動(dòng)精度、控制分辨率等指標(biāo)影響著整個(gè)伺服系統(tǒng)的性能[3-5]。

對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)性能指標(biāo)的測(cè)試主要使用光學(xué)方法與人工測(cè)量結(jié)合的方法[6-7]，這種傳統(tǒng)方法在測(cè)試時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)量龐大且處理繁瑣[8-9]。在實(shí)際測(cè)試中，精度偏低，且因使用多種測(cè)量?jī)x器，系統(tǒng)誤差巨大。因此有必要研制該型轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備，來(lái)提升轉(zhuǎn)臺(tái)在研發(fā)階段進(jìn)行測(cè)試的效率。

該設(shè)備選用技術(shù)成熟的PXIe總線架構(gòu)，具有高開(kāi)放性、可熱插拔、高可靠性、高密度的特性[10]；其高開(kāi)放性極大地便利了開(kāi)發(fā)測(cè)試人員進(jìn)行設(shè)備調(diào)試，并提高了設(shè)備的可擴(kuò)展性[11]；其可持熱插拔的特性支持板卡采用熱插拔的方式進(jìn)行更換，提高了系統(tǒng)可維修性[12]；其高可靠性體現(xiàn)在PXIe總線具有良好的抗震性，可提高設(shè)備克服轉(zhuǎn)臺(tái)振動(dòng)的能力[13]；其高密度的結(jié)構(gòu)符合IEEE1101的3U標(biāo)準(zhǔn)，保證了系統(tǒng)良好的兼容性。

綜上，結(jié)合對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)指標(biāo)的測(cè)試需求，采用PXIe總線模塊化設(shè)備構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試設(shè)備。

1 轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試需求

轉(zhuǎn)臺(tái)安裝于伺服系統(tǒng)底部，功能是接收伺服系統(tǒng)向轉(zhuǎn)臺(tái)控制箱發(fā)送控制指令，并解析指令進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)作。該型轉(zhuǎn)臺(tái)為兩軸轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為：方位角[0，360°)，俯仰角[0，90°]。轉(zhuǎn)臺(tái)詳細(xì)指標(biāo)要求見(jiàn)表1。

表1 轉(zhuǎn)臺(tái)指標(biāo)

以轉(zhuǎn)臺(tái)速度與加速度測(cè)試為例，傳統(tǒng)方法使用秒表記錄轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)360°所用時(shí)間，利用此時(shí)間算出實(shí)際速度值；使用上位機(jī)軟件讀取轉(zhuǎn)臺(tái)速度，導(dǎo)入電子表格中，繪制速度時(shí)間圖像，根據(jù)圖像斜率得到轉(zhuǎn)動(dòng)加速度。以轉(zhuǎn)臺(tái)隨動(dòng)精度測(cè)試為例(測(cè)試示意圖見(jiàn)圖1)，在距離轉(zhuǎn)臺(tái)20米的墻上固定好標(biāo)靶，在轉(zhuǎn)臺(tái)上固定好激光筆，記錄下此時(shí)的方位角度值作為初始角；打開(kāi)激光筆，在標(biāo)靶上將當(dāng)前激光點(diǎn)位置標(biāo)記為零位點(diǎn)，手動(dòng)將轉(zhuǎn)臺(tái)方位角度值增加10°，到位后再將轉(zhuǎn)臺(tái)方位轉(zhuǎn)回記錄的初始角，測(cè)量激光筆的偏移量，小于34.9 mm，則方位指向精度小于0.1°。使用傳統(tǒng)方法試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2[14-16]。

圖1 隨動(dòng)精度測(cè)試連接示意圖

根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)范圍，該型轉(zhuǎn)臺(tái)可進(jìn)行扇掃和圓周掃，扇掃從靜止位置開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)歷從加速運(yùn)動(dòng)到勻速運(yùn)動(dòng)再到減速運(yùn)動(dòng)，并減速至0達(dá)到目標(biāo)位置的過(guò)程；而圓周掃從靜止位置開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，加速運(yùn)動(dòng)到額定速度后進(jìn)行勻速掃描。因此針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的性能測(cè)試主要檢測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度、加速度、隨動(dòng)精度、控制分辨率等指標(biāo)[17-19]。

2 基于PXIe總線的轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備總體設(shè)計(jì)方案

針對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試需求，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用基于PXIe總線的模塊化測(cè)試架構(gòu)，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)采用PXIe總線與實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)組合，硬件資源包括基于龍芯CPU的國(guó)產(chǎn)化處理器的控制器模塊、數(shù)字IO模塊、RS422總線通信模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、PXIe總線信號(hào)背板模塊、信號(hào)調(diào)理板模塊、背板轉(zhuǎn)接板、固態(tài)硬盤、AC/DC直流電源模塊及單機(jī)設(shè)備機(jī)箱(含前后面板器件及指示燈驅(qū)動(dòng)電路)等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

軟件設(shè)計(jì)方面，自動(dòng)測(cè)控軟件運(yùn)行于龍芯CPU主控制器上，通過(guò)PXIe總線儀器驅(qū)動(dòng)控制各PXIe總線測(cè)試模塊。當(dāng)實(shí)際開(kāi)展轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試工作時(shí)，自動(dòng)測(cè)控軟件按照軟件配置文件中預(yù)設(shè)流程控制各測(cè)試模塊，采集測(cè)試信號(hào)；將捕獲測(cè)試信號(hào)進(jìn)行處理，分析數(shù)據(jù)并將結(jié)果保存為文件入轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備硬盤內(nèi)，由測(cè)試人員讀取測(cè)試文件后對(duì)被測(cè)設(shè)備狀態(tài)做出評(píng)估和診斷。通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形界面與測(cè)試人員進(jìn)行交互，方便開(kāi)發(fā)人員實(shí)時(shí)了解轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù)。

3 測(cè)試設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試需求，轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備硬件主要包括慣性儀表、控制電源、PXIe測(cè)控設(shè)備三部分組成，組成結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 硬件組成圖

3.1 慣性儀表

慣性儀表采用FPGA、三軸加表與三軸陀螺結(jié)合的方案(慣性儀表結(jié)構(gòu)如圖4所示)[20]，可向外輸出俯仰角、航向角等角度數(shù)據(jù)；輸出速度、加速度等運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖4 慣性儀表結(jié)構(gòu)圖

下面給出處理算法。

1)FPGA板卡采集加表、陀螺0.5 ms脈沖，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償與安裝誤差補(bǔ)償；對(duì)補(bǔ)償后的數(shù)據(jù)進(jìn)行九階濾波，濾除抖動(dòng)噪聲。

2)計(jì)算三軸線加速度、三軸角加速度：

(1)將連續(xù)10組0.5 ms三軸角度增量和分別按X軸、Y軸、Z軸進(jìn)行累加，得到X軸、Y軸、Z軸5 ms角度增量和，將5 ms角度增量除以采樣周期0.005，得到三軸角速率；

(2)將連續(xù)5組1 ms速度增量和分別按X軸、Y軸、Z軸進(jìn)行累加，得到X軸、Y軸、Z軸5 ms速度增量和，將速度增量和除以采樣周期0.005，得到三軸線加速度。

3)圓錐補(bǔ)償計(jì)算：

旋轉(zhuǎn)矢量的計(jì)算采用優(yōu)化五子樣圓錐補(bǔ)償算法，每個(gè)姿態(tài)更新周期包含2個(gè)圓錐補(bǔ)償周期。

輸入：陀螺角增量輸入。

輸出：圓錐誤差補(bǔ)償量。

4)四元數(shù)更新計(jì)算：

根據(jù)姿態(tài)矩陣雙速更新的思想，載體相對(duì)導(dǎo)航系的姿態(tài)變化可以看作是載體坐標(biāo)系相對(duì)慣性系的姿態(tài)變化與導(dǎo)航坐標(biāo)系相對(duì)慣性系的變化的合成作用，因此，姿態(tài)矩陣的更新分為兩步完成：首先求出m時(shí)刻載體系相對(duì)m-1時(shí)刻導(dǎo)航系的姿態(tài)，再求出m時(shí)刻載體系相對(duì)m時(shí)刻導(dǎo)航系的姿態(tài)。上述過(guò)程可以用四元數(shù)的連乘形式表示如下：

(1)

(2)

(3)

一般不考慮導(dǎo)航系相對(duì)慣性系的圓錐誤差，其旋轉(zhuǎn)矢量就表示為：

(4)

取東北天地理坐標(biāo)系為導(dǎo)航坐標(biāo)系，有

(5)

(6)

輸入：

①t時(shí)刻圓錐補(bǔ)償以后的陀螺輸出：

(7)

②t時(shí)刻平臺(tái)指令角速率：

(8)

③t-1時(shí)刻姿態(tài)四元數(shù)qn。

處理：

1)將t時(shí)刻圓錐補(bǔ)償以后的陀螺輸出表示成四元數(shù)：

(9)

其中：

2)將t時(shí)刻平臺(tái)指令角速率表示成四元數(shù)：

(10)

其中：

輸出：當(dāng)前時(shí)刻的姿態(tài)四元數(shù)。

4)四元數(shù)姿態(tài)矩陣轉(zhuǎn)化：

處理：

(11)

輸出：規(guī)范化以后的姿態(tài)四元數(shù)Q=[q0q1q2q3]T。

姿態(tài)矩陣提?。?/p>

處理：

(12)

5)姿態(tài)航向解算：

處理：

(13)

輸出：航向角ψ。

6)比力變換計(jì)算：

處理：

(14)

輸出：導(dǎo)航坐標(biāo)系的比力fn。

7)速度計(jì)算：

其中：

(15)

輸出：導(dǎo)航坐標(biāo)系的Vn。

采用其數(shù)據(jù)輸出精度比待測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)精度高一位，即可滿足轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試指標(biāo)要求(見(jiàn)表2)。該儀表通過(guò)RS422串口與PXIe測(cè)試設(shè)備連接進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，輸出頻率為100 Hz，滿足測(cè)試設(shè)備數(shù)據(jù)頻率需求。

3.2 控制電源

控制電源選用技術(shù)成熟的貨架產(chǎn)品，可提供多路電源輸出。用于向轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備和慣性儀器輸出直流電壓；向被測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)輸出交流380 V電壓。

3.3 PXIe測(cè)試設(shè)備各模塊硬件設(shè)計(jì)

3.3.1 基于龍芯3A控制器模塊

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備控制器模塊設(shè)計(jì)采用龍芯3A的解決方案，是以龍芯3A處理器為核心的、符合PXIe工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式計(jì)算機(jī)平臺(tái)。該模塊具有完整的計(jì)算機(jī)功能，集成網(wǎng)絡(luò)、串口等功能。

龍芯3A計(jì)算機(jī)模塊可作為獨(dú)立的計(jì)算機(jī)模塊使用，使用時(shí)與標(biāo)準(zhǔn)PXIe主模塊兼容，支持VxWorks6.7操作系統(tǒng)和RT-Linux操作系統(tǒng)。

3.3.2 RS422串口通信模塊設(shè)計(jì)

RS422串口通信模塊是基于PXIe總線的4路隔離串行通信接口模塊?；诋惒酵ㄐ拍K實(shí)現(xiàn)串行通信的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了100%國(guó)產(chǎn)化。RS422串口通信模塊主要基于UART模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)串行通信。主要由UART模塊、電平轉(zhuǎn)換模塊、RS422隔離收發(fā)模塊、電源管理、PXIe總線、FPGA等電路組成。RS422串口通信模塊的原理如圖5所示。

圖5 RS422模塊原理框圖

圖6 網(wǎng)絡(luò)模塊

圖7 數(shù)字量IO模塊原理框圖

3.3.3 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

網(wǎng)絡(luò)模塊主要包括以太網(wǎng)控制器、網(wǎng)絡(luò)變壓器和相關(guān)的控制電路。

為保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩煽?，?duì)主板上的雙網(wǎng)口進(jìn)行綁定，將兩個(gè)以太網(wǎng)口在系統(tǒng)中映射為同一個(gè)IP地址及MAC地址，從而通過(guò)檢測(cè)雙網(wǎng)口通斷實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)切換。

3.3.4 數(shù)字量IO模塊設(shè)計(jì)

數(shù)字IO模塊輸出TTL電平信號(hào)，用于測(cè)試設(shè)備前面板信號(hào)指示燈控制，同時(shí)采集來(lái)自串口通信切換模塊的狀態(tài)回采信號(hào)用于控制器模塊對(duì)設(shè)備隔離狀態(tài)自檢回采?？刂破髂K通過(guò)數(shù)字IO模塊驅(qū)動(dòng)程序控制指示燈驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)面板指示燈狀態(tài)控制。數(shù)字量IO模塊主要用于產(chǎn)生64路I/O輸入輸出，可8路一組獨(dú)立控制?？赏ㄟ^(guò)設(shè)置其內(nèi)部寄存器來(lái)改變I/O方向，當(dāng)作為輸出I/O時(shí)，通過(guò)寫(xiě)內(nèi)部寄存器設(shè)置I/O值，當(dāng)作為輸入I/O時(shí)，可讀取相應(yīng)的端口地址。

3.3.5 PXIe機(jī)箱設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)控組合的整體機(jī)箱結(jié)構(gòu)采用19英寸上架式結(jié)構(gòu)，高度4U，深度500 mm。其機(jī)箱內(nèi)部主要由PXIe背板、信號(hào)調(diào)理背板、背板轉(zhuǎn)接板以及AC/DC供電模塊組成。

PXIe背板安裝在機(jī)箱內(nèi)部的機(jī)籠上，將控制器、422串口通信模塊、1553B總線通信模塊、數(shù)字IO模塊以及RC模塊安裝在機(jī)籠內(nèi)，分別與PXIe背板進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)嵌入式控制器與各個(gè)模塊之間的數(shù)據(jù)通信；

信號(hào)調(diào)理背板安裝在機(jī)籠上實(shí)現(xiàn)隔離調(diào)理模塊的供電以及信號(hào)轉(zhuǎn)接功能；背板轉(zhuǎn)接板與PXIe背板、信號(hào)調(diào)理背板相連接，實(shí)現(xiàn)PXIe各模塊、隔離調(diào)理模塊輸入信號(hào)、輸出信號(hào)之間的轉(zhuǎn)接功能，并且將PXIe模塊以及信號(hào)調(diào)理模塊輸出到機(jī)箱外的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，以便于機(jī)箱內(nèi)部線纜走線；AC/DC供電模塊用于實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)箱內(nèi)部PXIe模塊的供電。

1)PXIe總線背板：PXIe總線背板使用3U高7槽的PXIe背板，在此基礎(chǔ)上為了便于AC/DC供電模塊的安裝以及維修，PXIe背板增加AC/DC供電模塊的插槽，AC/DC供電模塊直接與PXIe背板連接。

2)信號(hào)調(diào)理背板：信號(hào)調(diào)理背板主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)隔離調(diào)理模塊的統(tǒng)一供電，同時(shí)將隔離調(diào)理模塊的信號(hào)直接轉(zhuǎn)接到背板轉(zhuǎn)接板上，信號(hào)調(diào)理模塊為標(biāo)準(zhǔn)的3U6槽的背板。

3)背板轉(zhuǎn)接板：背板轉(zhuǎn)接板與PXIe背板、信號(hào)調(diào)理背板相連接，實(shí)現(xiàn)PXIe各模塊、信號(hào)調(diào)理模塊輸入信號(hào)、輸出信號(hào)之間的轉(zhuǎn)接功能，并且將PXIe模塊以及隔離調(diào)理模塊輸出到機(jī)箱外的信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，以便于機(jī)箱內(nèi)部線纜走線。背板轉(zhuǎn)接板按照功能分配主要具有兩類信號(hào)，其中一種信號(hào)為總線通信類信號(hào)，將PXIe模塊J2輸出的信號(hào)通過(guò)背板轉(zhuǎn)接板直接輸出至機(jī)箱對(duì)外接口信號(hào)(如RS422通信接口、以太網(wǎng)接口、USB接口等)；另外一種信號(hào)為轉(zhuǎn)接信號(hào)，將PXIe功能模塊(數(shù)字IO模塊等)J2輸出的信號(hào)通過(guò)背板轉(zhuǎn)接板轉(zhuǎn)接到信號(hào)調(diào)理模塊背板上，通過(guò)隔離調(diào)理模塊進(jìn)行隔離變換等調(diào)理電路處理后輸出到背板轉(zhuǎn)接板的輸出接口，輸出到設(shè)備后面板的連接器上。

4)AC/DC供電模塊：自動(dòng)測(cè)試設(shè)備由220 V市電供電，通過(guò)AC/DC供電模塊轉(zhuǎn)換成+3.3 VDC，向PXIe背板總線和調(diào)理模塊的繼電器、光耦電路供電。

4 軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試需求，自動(dòng)測(cè)試軟件配置項(xiàng)包括自動(dòng)測(cè)試軟件、BSP支持包、各PXIe板卡中的固件驅(qū)動(dòng)程序三部分。

4.1 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試軟件運(yùn)行環(huán)境為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，硬件驅(qū)動(dòng)兼容VxWorks6.7系統(tǒng)及RT-Linux系統(tǒng)自主剪裁設(shè)計(jì)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

軟件從架構(gòu)層分為硬件驅(qū)動(dòng)層、驅(qū)動(dòng)二次封裝層、業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層和業(yè)務(wù)流程層。每層之間采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊之間盡量減少其耦合性，上下層之前存在調(diào)用關(guān)系。軟件架構(gòu)如圖8所示。

圖8 軟件架構(gòu)圖

圖9 IO類封裝統(tǒng)一對(duì)外接口邏輯

1)硬件驅(qū)動(dòng)層：硬件驅(qū)動(dòng)層包括龍芯CPU主控器模塊及自動(dòng)測(cè)試設(shè)備配套的自研國(guó)產(chǎn)化PXIe總線硬件產(chǎn)品的各類驅(qū)動(dòng)。主要的驅(qū)動(dòng)包括龍芯控制器驅(qū)動(dòng)、數(shù)模塊驅(qū)動(dòng)、RS422總線通信模塊驅(qū)動(dòng)等。驅(qū)動(dòng)接口提供參數(shù)配置功能，模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)符合標(biāo)準(zhǔn)。

2)驅(qū)動(dòng)二次封裝層：驅(qū)動(dòng)二次封裝層是為PXIe總線硬件資源與應(yīng)用層系統(tǒng)軟件構(gòu)建統(tǒng)一接口，該層的設(shè)計(jì)與硬件設(shè)備的耦合性較小，通過(guò)調(diào)用底層驅(qū)動(dòng)，對(duì)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層提供數(shù)據(jù)和規(guī)范的操作接口，如果底層驅(qū)動(dòng)函數(shù)修改和更新，更新調(diào)用方法即可，而對(duì)于業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層不產(chǎn)生影響，實(shí)現(xiàn)層級(jí)之間的高內(nèi)聚/低耦合特性。其中包括了數(shù)字量IO模塊的統(tǒng)一調(diào)用API、RS422總線通信模塊通用API、本機(jī)狀態(tài)信息統(tǒng)一API以及日志相關(guān)的API，大致可以分為串口類設(shè)備、IO類設(shè)備、總線類設(shè)備等。

該部分主要包含二次封裝接口設(shè)計(jì)、配置信息腳本設(shè)計(jì)、腳本文件執(zhí)行引擎組成，通過(guò)設(shè)備分類設(shè)計(jì)統(tǒng)一接口定義，實(shí)現(xiàn)設(shè)備動(dòng)態(tài)增減等，詳細(xì)如下描述，例如DIO模塊說(shuō)明：

(1)二次封裝接口設(shè)計(jì)：IO類封裝統(tǒng)一對(duì)外接口采用如下管理方式，對(duì)外開(kāi)發(fā)amc_device_find()、amc_device_init()、amc_device_write()、amc_device_read()……等，實(shí)現(xiàn)隱藏接口實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，設(shè)備可動(dòng)態(tài)刪減，提高驅(qū)動(dòng)可復(fù)用性以及靈活剪裁能力。

(2)配置信息腳本設(shè)計(jì)：DIO模塊核心功能是數(shù)字量通道輸出以及回采功能，關(guān)鍵參數(shù)板卡號(hào)、通道名稱、所屬板卡組號(hào)、所屬板卡通道號(hào)、輸出值等信息組成，腳本化如下所示：

(3)腳本文件執(zhí)行引擎：執(zhí)行引擎所在執(zhí)行鏈路如圖10所示。

圖10 執(zhí)行鏈路示意圖

圖11 后端網(wǎng)絡(luò)指令接收邏輯示意

執(zhí)行引擎實(shí)現(xiàn)調(diào)用者輸入到硬件具體輸出通道映射實(shí)現(xiàn)，主要分為兩步，第一步從配置腳本獲取所配置關(guān)于指令、硬件板卡信息；第二步，通過(guò)指令名稱、類型以及板卡信息映射執(zhí)行。

3)業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層：業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)層是系統(tǒng)主要功能實(shí)現(xiàn)層，包括系統(tǒng)的初始化自檢、網(wǎng)絡(luò)接收、指令處理執(zhí)行、數(shù)據(jù)采集處理、組播回傳數(shù)據(jù)、應(yīng)用故障診斷實(shí)現(xiàn)等。

軟件初始化過(guò)程中會(huì)完成系統(tǒng)自檢，同時(shí)按照系統(tǒng)的配置文件，對(duì)軟件運(yùn)行的配置參數(shù)和網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的參數(shù)進(jìn)行配置和注冊(cè)。初始化完成之后，開(kāi)始啟動(dòng)關(guān)鍵任務(wù)，包括網(wǎng)絡(luò)接收、組播回傳數(shù)據(jù)等任務(wù)。

通過(guò)分層設(shè)計(jì)，可能極高的提升代碼的復(fù)用性和閱讀性，模塊之間的耦合性減少，后期進(jìn)行代碼升級(jí)和改動(dòng)也會(huì)相對(duì)容易一些，最重要的是在分層設(shè)計(jì)的架構(gòu)下，軟件的架構(gòu)清晰，業(yè)務(wù)重疊少?？梢院芎玫亻_(kāi)展系統(tǒng)的總體測(cè)試和單元測(cè)試，能夠很好地提升軟件的可靠性。

4.2 自動(dòng)測(cè)試軟件設(shè)計(jì)

4.2.1 初始化及上電自檢

系統(tǒng)啟動(dòng)后，前端測(cè)控軟件在系統(tǒng)環(huán)境加載完成后啟動(dòng)對(duì)本機(jī)狀態(tài)開(kāi)機(jī)自檢流程。自檢流程包括：硬件板卡資源初始化自檢、軟件應(yīng)用任務(wù)配置狀態(tài)自檢等。自檢結(jié)果輸出信號(hào)鏈路包括本地自檢存盤、本地調(diào)試接口輸出。

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)指令接收

初始化及自檢流程結(jié)束后，應(yīng)用軟件根據(jù)本機(jī)配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)狀態(tài)，并開(kāi)啟網(wǎng)絡(luò)指令接收任務(wù)。啟動(dòng)接收任務(wù)后，依據(jù)通訊協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)幀解析方法、校驗(yàn)方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)指令進(jìn)行解析，并將處理之后的指令存儲(chǔ)到指令緩存區(qū)當(dāng)中。任務(wù)執(zhí)行過(guò)程中循環(huán)查詢指令區(qū)指令接收狀態(tài)、指令識(shí)別狀態(tài)并反饋執(zhí)行結(jié)果狀態(tài)。

4.2.3 指令處理

指令處理模塊從指令緩存區(qū)獲取指令執(zhí)行，按照通信協(xié)議要求，參照配置文件參數(shù)項(xiàng)完成指令數(shù)據(jù)解析分類，并依據(jù)實(shí)際傳輸指令或控制指令(RS422指令等)不同指令類型處理指令組幀業(yè)務(wù)操作。

指令執(zhí)行按照單步執(zhí)行和本地狀態(tài)配置流程執(zhí)行兩類，自動(dòng)流程會(huì)啟動(dòng)一個(gè)臨時(shí)任務(wù)，同時(shí)創(chuàng)建堆棧，記錄自動(dòng)流程的執(zhí)行狀況，執(zhí)行結(jié)果，并將堆棧數(shù)據(jù)及時(shí)更新到同步寄存器中。運(yùn)行過(guò)程中所有錯(cuò)誤都會(huì)寫(xiě)入故障信息緩存。

4.2.3.1 指令識(shí)別

指令識(shí)別依據(jù)指令配置信息進(jìn)行映射，其中指令配置信息主要包含協(xié)議標(biāo)號(hào)、編號(hào)號(hào)、指令類型、指令名稱以及延時(shí)位，腳本化如下所示：

4.2.3.2 單點(diǎn)類控制

單點(diǎn)類控制依托IO類設(shè)備、422類設(shè)備以及總線類設(shè)備驅(qū)動(dòng)管理模塊實(shí)現(xiàn)。

4.2.3.3 自動(dòng)流程執(zhí)行

1)自動(dòng)流程可配置：根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際特點(diǎn)，明確輸入、判斷條件、執(zhí)行機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)流程框架，并基于xml格式文件實(shí)現(xiàn)流程配置。

2)自動(dòng)流程執(zhí)行：后端發(fā)送自動(dòng)流程啟動(dòng)與停止指令控制前端軟件自動(dòng)流程狀態(tài)，自動(dòng)流程啟動(dòng)后，將自動(dòng)解析與執(zhí)行配置文件流程。

3)自動(dòng)流程單步調(diào)試：后端可發(fā)送網(wǎng)絡(luò)指令實(shí)現(xiàn)前端軟件自動(dòng)流程斷點(diǎn)執(zhí)行。

4.2.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集功能包括數(shù)據(jù)量I/O控制、RS422總線數(shù)據(jù)收發(fā)控制、慣性儀表輸出數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)臺(tái)輸出數(shù)據(jù)以及本機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息的采集。

4.2.5 轉(zhuǎn)臺(tái)控制

自動(dòng)測(cè)試設(shè)備通過(guò)RS422接口和網(wǎng)絡(luò)接口與轉(zhuǎn)臺(tái)控制箱連接，向轉(zhuǎn)臺(tái)控制箱發(fā)送符合轉(zhuǎn)臺(tái)控制協(xié)議的指令，可在上位機(jī)控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行，完成扇掃和圓周掃等轉(zhuǎn)臺(tái)動(dòng)作。

4.2.6 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理功能可將慣性儀表輸出數(shù)據(jù)(儀表當(dāng)前俯仰角和方位角)和轉(zhuǎn)臺(tái)輸出數(shù)據(jù)(轉(zhuǎn)臺(tái)當(dāng)前運(yùn)行參數(shù))。當(dāng)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)指標(biāo)時(shí)，將測(cè)試數(shù)據(jù)保存，通過(guò)圖形界面軟件將數(shù)據(jù)自動(dòng)處理成圖表形式，方便設(shè)備調(diào)試人員掌握轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行情況。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

以速度指標(biāo)測(cè)試為例(其他指標(biāo)同理)，將轉(zhuǎn)臺(tái)航向角度值為橫坐標(biāo)，以轉(zhuǎn)臺(tái)速度為縱坐標(biāo)繪制圖像，如圖12所示；并將人工測(cè)試數(shù)據(jù)疊加至自動(dòng)測(cè)試角度-速度圖像中。由圖可得，人工測(cè)試只能對(duì)固定航向角度值處速度進(jìn)行測(cè)量，自動(dòng)化測(cè)試可得到連續(xù)變化的速度曲線；自動(dòng)化測(cè)試與人工測(cè)試結(jié)果相近，誤差在可接受范圍內(nèi)，證明自動(dòng)化測(cè)試在精度方面可替代人工測(cè)試，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)時(shí)性自動(dòng)化方案取得良好效果。與人工測(cè)試相比，自動(dòng)化測(cè)試結(jié)果直觀，數(shù)據(jù)處理方便，可看出速度等指標(biāo)連續(xù)變化趨勢(shì)，可作為測(cè)試人員對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行測(cè)試時(shí)的數(shù)據(jù)指標(biāo)依據(jù)。

圖12 自動(dòng)化測(cè)試與人工測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖

6 結(jié)束語(yǔ)

轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)測(cè)試設(shè)備采用PXIe總線架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了控制轉(zhuǎn)

臺(tái)與測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)指標(biāo)同步進(jìn)行的功能，使轉(zhuǎn)臺(tái)數(shù)據(jù)與慣性儀表數(shù)據(jù)在時(shí)間上能夠?qū)R，能夠?qū)崟r(shí)反應(yīng)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行狀態(tài)，數(shù)據(jù)可參考性得到極大的提升。該型設(shè)備自動(dòng)化測(cè)試應(yīng)用場(chǎng)景可推廣至其他轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試等具有大數(shù)據(jù)量處理需求的場(chǎng)景，形成通用型測(cè)試工具，具有較高實(shí)用意義。