基于虛擬儀器的雷達導引頭通用自動測試系統

龔 明, 馮 云

(上海無線電設備研究所,上海200090)

0 引言

導彈導引頭是導彈的核心部件,其性能直接決定導彈武器系統的戰術技術指標,因此對導引頭的準確快速測試至關重要。雷達導引頭的測試除了通常電子設備的測控,還需要測試系統按照空間目標模擬理論模擬各種空間環境和目標特性。以往的雷達導引頭自動測試系統基本為專用測試設備,隨著研制的武器系統數量不斷增加和導彈導引頭性能、復雜度大幅提高,需要測試的主要技術指標也越來越多,對測試系統的模塊化、系列化和標準化的要求越加迫切,研發雷達導引頭通用自動測試系統(General Purpose ATS,以下簡稱通用測試系統)已是當務之急[1]。

本測試系統采用虛擬儀器(Virtual Instruments,簡稱VI)技術,利用計算機軟件的強大功能結合相應的硬件,完成不同型號導彈雷達導引頭測試,實現了多功能微波信號源、儀器級互換等難點。該通用測試系統容易擴展,不同用戶可根據各自的測試需求,在硬件平臺上完成測試資源配置、接口測試適配器(Interface Test Adapter,簡稱ITA)設計,在軟件平臺上完成測試程序開發,這樣通用測試系統的研制人員不必掌握過多的專業測試技術,就可以方便、快速地開發出不同需求的自動測試系統。

1 通用自動測試系統發展趨勢

隨著測試儀器和計算機技術的發展,自動測試系統技術得到了迅速的發展。從上世紀80年代開始,以美國為代表的西方主要發達國家投入了可觀的人力、物力致力于ATS的通用化工作,成功的推出了不少系統投入使用[2]。早期的通用測試系統雖然已采用了通用的軟、硬件平臺及核心測試結構的研制策略,仍不能適應現代戰爭多兵種聯合作戰對多武器系統、多級維護的需要。為了進一步降低軍用自動測試系統的總成本,并通過實現自動測試系統的互操作功能來改進后勤維修靈活性,美國國防部自動測試系統研究、開發和集成工作組(API)開展了下一代自動測試系統的體系結構NxTestATS的研究工作,以達到改善測試系統儀器互換性,實現測試程序集(TPS)可移植和互操作,擴大自動測試系統應用范圍,降低系統全生命周期費用等目標。

在國內,由于眾多的需求推動,自動測試系統技術也有極大發展,目前正處于從專用自動測試系統向通用自動測試系統的轉變過程中。在通用測試系統技術方面,按照模塊化、系列化和標準化的要求,在一定范圍通用的各類自動測試系統正陸續推出,但儀器互換性等關鍵技術的研究還不夠完善。

2 通用測試系統設計

通用測試系統體系結構采用開放的模塊化結構,并遵循通用化、系列化和組合化的原則,充分考慮系統的可擴展性。圖1所示為通用測試系統的組成框圖。

圖1 通用測試系統組成框圖

通用測試系統由通用自動測試設備(以下簡稱通用測試設備)和測試程序集組成,測試程序集包括測試程序(TP)、ITA和測試程序集文檔。通用測試系統采用PXI(PCI ex tension for Instrumentation)總線的虛擬儀器平臺,包括激勵模塊、信號采集模塊、數字邏輯模塊、開關矩陣模塊、萬用表模塊以及儀器控制模塊等,可以根據裝備中不同的雷達導引頭各類待測信號特點增減PXI模塊和相應的通用接口(General Purpose Interface,簡稱GPI)模塊,設計專用的ITA,對ITA中的信號調理模塊進行系列化設計,實現測試信號的轉接,以完成不同雷達導引頭的性能檢測,提高系統的通用性和可擴展性。

2.1 通用測試設備硬件平臺

通用測試設備的硬件組成框圖,如圖2所示。

圖2 通用測試系統硬件組成框圖

圖2中,通用測試設備由PXI測試系統、GPI、ITA、路由器、程控電源和雷達導引頭模擬信號源組成。通用測試系統采用 PXI總線和LXI(LAN extension for Instrument)總線融合的混合系統,充分發揮各總線和平臺的優勢,透明地識別并利用一個開放的、多廠商支持的計算機平臺來實現I/O的連接。整套系統由兩個減震便攜機柜組成,雷達導引頭模擬信號源裝于一個機柜,其余設備裝于另一個機柜,方便設備機動轉場、運輸。

2.2 PXI測試系統

PXI總線為PCI總線在儀器領域的擴展,是美國NI公司于1997年發布的一種新的開放式、模塊化儀器總線規范,其核心是 CompactPCI結構和M icrosoftW indow s軟件。PXI是在PCI內核技術上增加了成熟的技術規范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的觸發總線和參考時鐘、用于精確定時的星形觸發總線、以及用于相鄰模塊間高速通信的局部總線等,來滿足試驗和測量用戶的要求。

PXI兼容CompactPCI機械規范,并增加了主動冷卻、環境測試(溫度、濕度、振動和沖擊試驗)等要求,提高系統可靠性。對PXI測試系統,最具優勢的是由超過800個供應商供應的PCI占主導的臺式 PC市場,從而產生大量的基于PCI的硬件驅動程序操作系統與應用程序,所有這些都可以有效的應用在PXI系統中,并且相對于PCI,極大的提高了系統可靠性。

由于被測的雷達導引頭具有系統復雜、需同時檢測的模擬信號多、輸出多為漸變信號的特點,考慮效費比,PXI測試系統沒有采用矩陣加同步采集模式,而是采用了多路數據采集加萬用表掃描的方式。

PXI測試系統中,PXI控制器選用NI公司最新的嵌入式控制器PXI-8108,使用Core 2Duo 2.53GHz雙核處理器,搭配NI的PXI-1044機箱,均選用寬溫型號,提高系統可靠性。數據采集卡選用NI的PXI-6255,具有80通道、16位分辨率、最高1.25 M采樣率模擬輸入,10MHz高速數字IO,雙通道、2.8 M 速率模擬輸出。開關卡選用NI的 PXI-2575,為 100 VDC/AC,1 A 容量,196x1、1線或98x1、2線多路復用,140 Hz/s最大切換速度的多路復用器,搭配N I的6位半精度PXI-4070萬用表卡。PXI測試系統采用DAQ(Data AcQuisition)數據采集系統和萬用表與多路復用器的組合,更加充分地利用計算機的資源,可方便快速的組建基于計算機的虛擬儀器,大大增加了測試系統的靈活性和擴展性,實現“一機多型”和“一機多用”。

2.3 通用測試系統軟件平臺

通用測試系統選用的是基于虛擬儀器的DAQ系統,虛擬儀器系統核心是軟件技術,應用軟件開發環境選擇是否恰當與虛擬儀器系統的功能是否容易實現有密切的關系。系統采用N I公司推出的主要面向計算機測控領域的圖形化虛擬儀器軟件開發平臺LabVIEW,該軟件具有界面設計直觀、靈活,各種函數、驅動豐富,便于快速構建,數據庫方面操作簡單等特點[3]。

通用測試系統軟件的開發采用自頂向下的程序設計方法,符合通用化、系列化、模塊化的設計原則,滿足軟件可重用性、儀器可互換性、功能擴展性等要求。圖3所示為系統的軟件結構框圖[4]。

測試軟件結構采用分層、模塊化結構,通過對測試需求的分析,將軟件分為主控層和測試功能層。主控層由主控軟件模塊作為構件元素,測試功能層由測試功能軟件模塊作為構件元素,主控層與測試功能層模塊間通過通信接口實現交互。主控模塊調用測試功能模塊進行測試,測試功能模塊測試任務完成后通知主控模塊接收測試結果數據,數據包含本數據的屬性信息,主控模塊根據數據的屬性信息查詢測試對象信息數據庫,然后將測試結果整理、判斷后存入測試結果信息庫。這種軟件結構有利于開發工作的分工協作,同時易于軟件維護和系統的擴展和升級。

由于采用了LabV IEW作為軟件開發平臺,利用內置的豐富工具包,如數據庫工具、IVI驅動庫、微軟文檔報告生成器和網絡工具等,可以方便快速的編寫好數據庫、報告輸出、LXI總線TCP/IP協議和儀器驅動等程序集,提高編程人員的效率,便于工程技術人員將更多的精力關注在測試方案的解決上,而忽略軟件技術的細節實現。

3 系統通用性研究

3.1 雷達導引頭模擬信號源

通用測試系統中的雷達導引頭模擬信號源能模擬直波和回波能量大小、回波多普勒特性,并具有模擬復雜的現場環境干擾能力,用于檢驗導彈中雷達導引頭的作戰能力及相關重要指標。不同的雷達導引頭需要不同頻率、不同性能的導引頭模擬信號源,而且通常導引頭模擬信號源需要模擬高質量的微波信號。通用測試系統使用合成儀器(Synthetic Instruments)的技術來設計雷達導引頭模擬信號源,用較小的成本實現了高性能的模擬信號源。

合成儀器就是一個可重復配置的系統,能夠通過標準接口連接一系列硬件單元和軟件組件,使用各種數字處理技術進行信號生成或測量工作[5]。合成儀器是基于軟件的系統,是虛擬儀器的一個子集。圖4為雷達導引頭模擬信號源的組成框圖。

圖4 雷達導引頭模擬信號源組成框圖

圖4中,中頻信號源為一個2GHz帶寬的高質量通用信號源,干擾調制器中的控制器可以將通過LXI總線傳送過來的數據送入調制信號源中,生成各種模擬的干擾調制信號。通過軟件重置調制信號源或者更換相應干擾調制器與上變頻模塊,導引頭模擬信號源即能滿足不同型號導彈雷達導引頭測試需要。通過合成儀器在導引頭模擬信號源中的應用,有效的增加了測試系統的功能和靈活性,降低了開發成本,延長產品生命周期,滿足通用化設計標準。

3.2 LXI總線

通用測試系統中的程控電源和雷達導引頭模擬信號源需要PXI測試系統進行遠程控制,考慮幾種不同程控總線特點,選擇LX I總線作為系統的程控總線。

LX I總線是LAN局域網技術在儀器領域的擴展,融合了以太網的高速吞吐率,在獨立LAN儀器中加入了一些附加特性,比如標準HTM L配置頁面和多種實現LAN儀器的最佳實例,比之GPIB總線的低速和USB總線的短距傳輸有著極大的優勢。LXI總線特別適用于分布式應用,可借助于現有的LAN網絡將多個處理單元完美地相連,并對等的進行通信,較好的實現了程控設備的模塊化和通用化。LXI分為三類:

a)類別C:具有通過LAN的編程控制能力,能夠與其他廠家的儀器協同工作;

b)類別B:擁有C類的一切能力,并支持IEEE1588精確時間協議同步;

c)類別A:擁有B類的一切能力,同時具備觸發總線硬件觸發機制。

由于導彈導引頭測試對程控電源和雷達導引頭模擬信號源的觸發和時間控制要求不高,另外考慮市場產品豐富程度和成本因素,通用測試系統選用了LXI總線C類標準,即通用LAN總線的編程控制能力。針對已有的不同導彈雷達導引頭測試中需要更換的電源和信號源模塊其它程控接口,選擇LXI總線C類標準也可以用較小的成本直接利用市場中資源較多的以太網接口轉換器或者自己開發,較好的滿足測試系統的通用性。

3.3 通用測試接口

通用測試接口GPI實現測試儀器與 UUT(Unit Under Test)的電氣、機械連接,集中管理全系統的測試信號的輸入和輸出,對外連接采用接口測試適配器ITA結構形式。GPI應具有良好的電磁兼容、抗干擾、阻抗匹配和信號傳輸能力,能提供ITA連接緊固、裝卸方便的能力。應根據應用環境和使用要求選擇具有較高接觸性能和可靠性的GPI結構部件和連接器,并根據測量對象的不同,設計不同的ITA。

為了實現測試系統的通用化,GPI需要遵循一定的標準或行業通用的接口連接規范。通用測試系統采用了VPC公司的90系列接口連接器,并制定了詳細的工程規范。根據通用系統硬件資源定義小功率低頻信號模塊、大功率電源模塊、數字邏輯模塊、開關模塊等在連接器中的位置和每一個模塊上插釘的信號,并預留了一定可以擴充的模塊位置,因此可以覆蓋不同型號導彈雷達導引頭測試的信號接口類型,滿足通用性要求[6]。由于通用測試設備中的導引頭模擬信號源和GPI不在同一個測試機柜,考慮系統可靠性,通用測試系統中的導引頭模擬信號源微波電纜是直接連接UUT的,并不通過GPI。

3.4 IVI驅動

為了實現通用測試系統中儀器的互換性、互操作性以及軟件的可移植性,系統中各程控儀器驅動都依據IVI體系結構制作。每次替換儀器,只需要在IVI配置文件中指明新的驅動程序即可,原系統測試軟件不需作任何改動。

IVI驅動程序規范由IVI基金會制定。IVI規范詳細定義了儀器驅動程序的內部設計模型與外部接口模型,規定了虛擬儀器驅動程序的設計要求及與系統中其他程序模塊之間的相互關系、儀器的可互換性、仿真和狀態緩存等。IVI規范對儀器進行了分類,每一類儀器具有統一的基本功能,同時定義了擴展功能,并支持儀器特定的功能調用,應用程序中對儀器的控制操作調用類驅動程序,類驅動程序通過IV I引擎和配置信息調用具體儀器驅動程序來控制實際的儀器。因此,測試系統的具體儀器改變,只需要改變配置信息,不用修改應用程序。

按照提供給用戶的接口形式的不同,IVI驅動程序分為:C語言驅動程序和COM驅動程序。目前最普遍使用的是C語言驅動程序,其最方便、快捷的開發環境是NI公司的LabW indow s/CV I,因為它包含了許多創建儀器驅動程序的開發、測試工具,如 IV I儀器驅動程序開發向導等[7]。通過 LabWindow s/CVI開發的 IVI儀器驅動程序可以很方便地被LabVIEW程序調用,保證了測試設備的通用性要求。

4 結束語

該通用測試系統滿足了一定范圍的通用性,

系統的TP開發技術、信息融合技術等還需要進一步的深入研究。為滿足更多電子裝備測試保障的新需求,制定相關通用ATS技術標準和規范,

大力開發可靠、先進、經濟的通用自動測試系統勢在必行。

[1] 舒悌翔.某雷達導引頭通用自動測試設備的研制[J].宇航計測技術,2009.

[2] 李行善,左毅、孫杰.自動測試系統集成技術[M].北京:電子工業出版社,2004.

[3] 周亞,張艷.基于虛擬儀器的電路板測試系統[J].制導與引信,2009,30(1):56-60.

[4] 李戍,陳建輝,高鳳岐.基于虛擬儀器的某型導彈發射裝置自動測試系統的研制[J].微計算機信息,2005.5(21).

[5] 方葛豐,黃珍元,宋斌.合成儀器技術的發展及應用研究[J].計算機測量與控制,2008,16(5).

[6] 劉世軍,楊瑞青.機載電子設備通用自動測試系統研究與實現[J].現代電子技術,2009,6(293).

[7] 李木飛,龔明.其于IVI模型的通用虛擬儀器驅動程序的開發[J].制導與引信,2009,30(4):33-37.