胡 車,劉鈞圣,張延風,陳二雷,母勇民

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所,陜西 西安 710065)

反坦克導彈是指打擊摧毀坦克和裝甲、工事等目標的導彈,在陸戰(zhàn)中發(fā)揮著非常重要的作用[1],它具有威力猛、精度高、攻擊方式多等特點[2]。隨著未來新技術(shù)的發(fā)展,反坦克導彈會向小體積、輕質(zhì)量、遠射程、多模導引頭、多個制導體制的方向發(fā)展[3]。

面向未來戰(zhàn)爭,坦克等裝甲高價值目標,反坦克導彈將會發(fā)揮重大作用。美俄等都在研制發(fā)展新型反坦克導彈,遠程精確打擊是未來反坦克導彈的發(fā)展方向[4],我國也在研制發(fā)展某新型遠距離和多模導引的反坦克導彈。

針對遠距離和多模導引的某反坦克導彈,本文設(shè)計了一套基于LXI和USB的自動測試系統(tǒng),利用USB和LXI總線的高速、高吞吐量與擴展性,設(shè)計了基于USB和LXI的測試盒,測試盒通過串行總線和復合目標模擬器、車載圖傳以及衛(wèi)星模擬器連接,測試盒通過與導彈、車載圖傳等的通信等交互工作,快速高效地實現(xiàn)了某反坦克導彈的工作全流程的各部件功能與性能的測試任務(wù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成及工作原理

某反坦克導彈測試系統(tǒng)由筆記本、USB測試盒和LXI測試盒、復合目標模擬器、車載圖傳、衛(wèi)星模擬器等組成,系統(tǒng)組成示意圖如圖1所示。

圖1 某測試系統(tǒng)組成示意圖

某導彈被測試時,將導彈放置在測試臺或振動試驗臺上,各測試設(shè)備放置在便攜測試桌上,復合目標模擬器放置在三腳架上。筆記本通過網(wǎng)線與LXI測試盒連接,筆記本通過USB線纜與USB測試盒連接,LXI測試盒通過供電輸出線纜與USB測試盒(下文將LXI測試盒和USB測試盒稱為測試設(shè)備)連接,USB測試盒通過彈尾測試線纜、彈測試接口測試線纜與被測導彈連接,USB測試盒通過車載圖傳測試線纜、目標模擬器控制線纜、衛(wèi)星模擬器控制線纜等實現(xiàn)與車載圖傳、復合目標模擬器、衛(wèi)星模擬器連接。測試過程中導彈的工作電源由LXI測試盒的4個程控電源保證;導彈的供電過程以及導彈CAN通信等工作交互過程由LXI測試盒、USB測試盒與筆記本共同完成,彈上信號數(shù)據(jù)、車載圖傳數(shù)據(jù)的采集存儲通過USB測試盒和測試線纜采集到筆記本上。車載圖傳、復合目標模擬器、衛(wèi)星模擬器通過RS422串行總線與USB測試盒連接,通過串口的指令傳輸數(shù)據(jù)交換,共同完成對導彈發(fā)射前后全過程的測試任務(wù)。其中車載圖傳用于導彈發(fā)射后,測試設(shè)備與車載圖傳的指令交互實現(xiàn)和導彈的彈載圖傳的無線通信實現(xiàn)發(fā)射后流程的交互驗證等,測試設(shè)備與復合目標模擬器通過指令交互實現(xiàn)激光的出光、紅外電視點源的移動控制等,測試設(shè)備與衛(wèi)星模擬器通過指令交互實現(xiàn)星歷數(shù)據(jù)的獲取等,從而實現(xiàn)導彈星歷參數(shù)的裝訂等。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 測試設(shè)備(USB測試盒和LXI測試盒)硬件設(shè)計

本文應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)、計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及LXI和USB總線等技術(shù),以通用筆記本為核心控制器,輔以由4個程控電源、以太網(wǎng)交換機、多根網(wǎng)線等組成LXI測試盒1(單獨的結(jié)構(gòu)箱體),由USB-HUB、USB CAN通信板、USB RS232通信板、USB RS422通信板、USB視頻采集板、USB模擬采集板、串口繼電器板、信號調(diào)理板(模擬信號調(diào)理)等組成USB測試盒2(獨立的結(jié)構(gòu)箱體)共同構(gòu)建測試設(shè)備,系統(tǒng)的硬件框圖設(shè)計如圖2所示。

圖2 測試設(shè)備硬件原理框圖

本系統(tǒng)中筆記本采用高性能加固筆記本,采用神基公司的Getac S410筆記本,筆記本通過千兆網(wǎng)線控制LXI測試盒1中的4個程控電源,通過USB3.0線纜控制USB測試盒2中的所有硬件。LXI測試盒1中的電源選用固緯公司的PSW系列8027程控直流電源,該電源支持以太網(wǎng)程控接口等,電源用于導彈地面供電、模擬熱電池供電等,以太網(wǎng)交換機選用普聯(lián)公司的五端口千兆以太網(wǎng)TP-Link TL-SG1005D交換機;USB測試盒2中的USB-HUB選用工業(yè)級的八端口百兆USB3.0HUB,該HUB需要適配器供電工作,USB CAN通信板選用周立功致遠電子公司的2路高性能USB CAN通信板USB CAN-2E-U,支持波特率125 kbps～1 Mbps,該板用于與導彈發(fā)射擊發(fā)前的通信;USB RS232通信板選用摩莎公司的單路高性能RS232串口通信卡Port1110,支持多個波特率傳輸速度,該板用于與串口繼電器板通信指令交互來控制繼電器的通斷等;USB RS422通信板選用摩莎公司的多路高性能RS422串口通信卡Port1650,支持多個波特率傳輸速度,該板用于對車載圖傳、目標模擬器、衛(wèi)星模擬器的通信,以及采集彈上多路RS422信號的數(shù)據(jù);USB視頻采集板選用工業(yè)級EasierCap視頻采集板,盒內(nèi)裝了2個視頻采集板,一塊采集彈上視頻,一塊采集車載圖傳輸出的視頻;USB模擬采集板選用阿爾泰科技公司的USB總線的模擬采集板USB 3136,該板支持16通道模擬量采集,采樣率達500 ksps,量程達±10 V,該板用于采集彈上輸出的各種模擬信號;串口繼電器板采用工業(yè)級RS232串口控制的8路繼電器板,該板用于供電輸出、通斷控制;信號調(diào)理板用于信號的分壓、濾波、跟隨等調(diào)理,它與模擬采集板和導彈連接,用于一些彈上超過±10 V量程的信號調(diào)理、采集等。

2.2 復合目標模擬器

復合目標模擬器由光源控制系統(tǒng)、光學系統(tǒng)等構(gòu)成。光源控制系統(tǒng)包括黑體溫控、可見光以及激光控制電路、電源電路、串口通信控制電路等,可以控制光源的開啟關(guān)閉等;光學系統(tǒng)包含了光闌組件、復合光源及光路等,用于輸出可見光、紅外光以及激光光源。其組成示意圖如圖3所示。

圖3 符合目標模擬器組成示意圖

圖4 測試系統(tǒng)主軟件架構(gòu)圖

使用時,其放置在三腳架上,對準導彈的導引頭光軸,導彈擊發(fā)后測試設(shè)備與復合模擬器通信,控制其在一定時刻輸出不同的光源,驗證導彈導引頭的跟蹤性等。

2.3 車載圖傳

車載圖傳裝置由車載圖傳、車載天線組件和車載射頻電纜組件組成,其和導彈上的彈載圖傳實現(xiàn)雙向通信,它通過圖傳測試電纜與測試設(shè)備連接。

使用時,測試設(shè)備與車載圖傳進行串口通信,導彈擊發(fā)后,測試設(shè)備通過通信指令交互控制導彈的各種參數(shù)變化等,包括導引頭的光軸、波門、鎖定等各種指令。

2.4 衛(wèi)星模擬器

衛(wèi)星模擬器由模擬應(yīng)答機和姿態(tài)軌道仿真器、通信控制電路、電源電路等組成[5],其和導彈測試設(shè)備通過串口線纜連接。

使用時,測試設(shè)備與它進行串口通信,用于導彈擊發(fā)前的星歷數(shù)據(jù)的串口通信傳輸、導彈擊發(fā)后導彈的導航星歷數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)取?/p>

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

測試系統(tǒng)的軟件用來完成產(chǎn)品的測試流程控制、數(shù)據(jù)采集、存儲、分析、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)處理后給出測試分析結(jié)果以及數(shù)據(jù)后期處理等功能[6]。

3.1 開發(fā)環(huán)境和運行平臺

本文測試系統(tǒng)軟件運行在Windows 10操作系統(tǒng)上,使用LabVIEW開發(fā)環(huán)境開發(fā)本文軟件。LabVIEW是美國NI公司設(shè)計的虛擬儀器開發(fā)平臺,它是圖形化編程語言[7],在工控測試領(lǐng)域具有編程效率高、通用性好、可嵌入C和MATLAB等代碼特點[8]。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

測試系統(tǒng)主軟件編程框架是采用多線程編程技術(shù)和多個高級狀態(tài)機JKI架構(gòu)[9],軟件采用了導彈通信等流程主測程序線程、與車載圖傳通信線程、用戶界面事件處理線程、計時線程等4個線程架構(gòu)技術(shù),主測程序線程主要實現(xiàn)對導彈擊發(fā)前自動測試的流程和狀態(tài),車載圖傳通信線程主要實現(xiàn)測試設(shè)備與車載圖傳通信的自動控制流程,用戶界面事件處理線程主要用于實現(xiàn)用戶界面事件處理、測試條件選擇配置、參數(shù)輸入修改等,計時線程主要用于實現(xiàn)導彈上電和擊發(fā)后計時等功能,其中導彈通信等流程主測程序線程(空閑態(tài)、自檢態(tài)、配置態(tài)、自動測試流程態(tài)、各步驟手動態(tài)、退出態(tài)等)、與車載圖傳通信線程(空閑態(tài)、自檢態(tài)、自動通信測試態(tài)、退出態(tài))內(nèi)部采用JKI高級狀態(tài)機結(jié)構(gòu),軟件架構(gòu)圖如4所示。

測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析軟件采用生產(chǎn)者循環(huán)線程、消費者循環(huán)、用戶界面事件、圖像采集線程等4個線程架構(gòu),生產(chǎn)者循環(huán)(空閑態(tài)、采集態(tài)、配置態(tài)、通信態(tài)、退出態(tài))采用普通狀態(tài)機架構(gòu)編程,主要與主測軟件通信實現(xiàn)采集的自動啟停控制、采集參數(shù)的配置、數(shù)據(jù)采集后入隊列等,消費者循環(huán)主要實現(xiàn)各數(shù)字量數(shù)據(jù)出隊列與文件存儲、模擬量文件采集存儲功能,用戶界面事件處理線程主要用于實現(xiàn)用戶界面事件處理、采集參數(shù)配置選擇、采集數(shù)據(jù)回放畫圖、數(shù)據(jù)分析、給出結(jié)果報表等,圖像采集線程主要實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集、圖像字符疊加和存儲等,軟件架構(gòu)如圖5所示。

圖5 測試系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集分析軟件架構(gòu)圖

3.3 測試流程

測試開始時,設(shè)備應(yīng)先完成自檢成功,如程控電源電壓符合要求、CAN通信板連接正常、RS422通信板連接、繼電器板連接正常、模擬采集板數(shù)據(jù)誤差符合要求、復合目標模擬器與測試設(shè)備通信正常、視頻采集板正常工作等,設(shè)備自檢合格后才能對被測彈上電測試,導彈上電自檢正常后,因為被測彈有7個測試條件,需要依次選擇不同的測試條件和多個不同的輸入導彈參數(shù),選擇和配置好測試條件和參數(shù)后,導彈方可進入自動測試流程(裝訂星歷、對準、選彈、諸元裝訂、擊發(fā)、時序上電或其他操作、向車載圖傳發(fā)各種順序測試指令、與模擬器發(fā)指令等),同時進行所有的彈上數(shù)據(jù)采集存儲,導彈斷電后將存儲的數(shù)據(jù)進行逐個文件解析、計算和分析,并根據(jù)計算與反算分析結(jié)果給出每一個部件的每一個復雜參數(shù)的合格結(jié)果報告。軟件的測試流程圖如圖6所示。

圖6 測試系統(tǒng)軟件流程圖

4 試驗結(jié)果與研究

反坦克導彈測試時,將反坦克導彈通過測試彈尾線纜、彈測試口線纜與測試系統(tǒng)(筆記本、USB測試盒和LXI測試盒、復合目標模擬器、衛(wèi)星模擬器等)連接(見圖1),測試條件包含低溫、高溫、溫度循環(huán)、振動篩選測試、出廠測試、靶場測試等條件,其中被測彈放置在高低溫箱、振動試驗臺、彈藥防爆庫房、靶場陣地等。測試系統(tǒng)自檢與導彈自檢正常后,選擇測試條件后,進入自動測試流程(裝訂星歷、對準、選彈、諸元裝訂、擊發(fā)、向車載圖傳發(fā)送操控導引頭的指令等),同時進行所有的彈上數(shù)據(jù)采集存儲,導彈斷電后將存儲的數(shù)據(jù)進行逐個文件解析、計算(含反算)和分析等。

測試數(shù)據(jù)報表(見表1)主要由各個彈部件測試物理參數(shù)的理論范圍、實測值以及判讀結(jié)果構(gòu)成。某一次的測試數(shù)據(jù)某一參數(shù)的計算分析繪制圖如圖7所示。

表1 測試數(shù)據(jù)報表

圖7 點火1的電壓-時間數(shù)據(jù)圖

經(jīng)過多個階段的產(chǎn)品的多次不同測試聯(lián)試證明,研制的測試系統(tǒng)能夠?qū)Ρ粶y某反坦克導彈的總體功能、性能進行系統(tǒng)性與各子部件級(飛控、導引頭、引信、圖傳、慣導衛(wèi)星等)的設(shè)計驗證與考核。在多個階段不同被測彈的測試過程中,查找和排除了被測彈的設(shè)計中的多個軟件和硬件錯誤,提出更改被測彈的軟件錯誤,并為系統(tǒng)的各部件級排除和定位故障。經(jīng)多輪產(chǎn)品驗證,系統(tǒng)軟件測試時間耗時短,自動化效率高,數(shù)據(jù)分析和判讀效率高于人工判讀效率,能夠滿足各部件多個指標的設(shè)計驗證需求,提高了總體設(shè)計驗證的效率。

5 結(jié)語

本文研制設(shè)計了基于LXI和USB的某反坦克導彈測試系統(tǒng),并用串行總線連接了其他輔助測試組件與設(shè)備,組成了一個系統(tǒng)完整的某反坦克導彈測試系統(tǒng),高效完成了某反坦克導彈的多個生命周期的設(shè)計驗證測試工作。該系統(tǒng)對被測彈的所有工作時序流程進行自動測試,采集信號包涵了被測彈的全部信號,完成了導彈各階段的設(shè)計驗證測試工作。同時研制的設(shè)備結(jié)構(gòu)小型化,重量輕,自動化程度高,操作簡單,軟件與硬件使用了模塊化、通用化的設(shè)計思想,修改升級維護方便。它的研制成功提高了某反坦克導彈的測試效率和合格率,并對反坦克導彈總體設(shè)計具有重要的意義。