艦載綜合測試系統設計與實現＊

(92941部隊93分隊 葫蘆島 125001)

1 引言

PXI定義為用于測試、測量與控制應用的一種小型模塊化儀器平臺。基于PXI總線的測試平臺結合虛擬儀器技術,具有體積小、模塊化功能強、集成度和性價比高等特點,已成為測試系統發展的主流[1]。VI(Virtual Instruments,虛擬儀器)是測控技術與計算機技術深層次結合的產物,采用虛擬儀器技術,用戶可根據需求定義和設計儀器的測試功能[2]。

艦載綜合測試系統基于PXI總線和虛擬儀器技術,采用針對被測試信號形式進行軟硬件模塊化設計。應用時根據被測參數種類和監測點數量確定采集器儀器組合規模,通過配置采集器儀器驅動程序,調用采集器功能軟件模塊和系統應用軟件模塊構成具有特定功能的自動測試系統(ATS)。具有硬件易重組和擴展性強,軟件模塊易于移植和通用性強等特點。當其功能不能滿足武器裝備試驗測試需求時,可針對需求增加軟硬件模塊,設備主體可以不變或僅作部分修改便可適應其它型號武器裝備試驗需要。

2 測試系統硬件設計

2.1 系統組成與功能

系統由測控主機、采集器、軸角變換器、信號調理設備、傳感器和被測信號模擬器組成,其組成如圖1所示。測控主機由工控計算機系統(主卡6006/PIV2.4G),PXI-PCI8335外接式控制器模塊(MXI-3)和時統接口卡等組成。

測控主機負責系統管理,測試數據的存儲與處理,以及系統數據庫的管理;MXI-3模塊用于測控主機對采集器的控制;時統接口卡具備接收處理GPS衛星時間信息與IRIG-B碼時間信號,系統首選GPS衛星時鐘與靶場測控網同步,同時具備IRIG-B碼時間信號同步功能。

圖1 系統組成

采集器采用PXI-1006機箱,PXI機箱間的連接由PXI-PXI橋實現。PXI總線模塊包括NI PXI-6031E A/D模塊,PXI-6608定時/計數器模塊,PXI-6533數字I/O模塊,PXI-8422 RS232接口模塊,PXI-8423 RS422/485接口模塊,PXI-8460 CAN總線模塊,PXI-8210以太網接口模塊,JV58455 ARINC429總線模塊,JV58456 1553A/B總線模塊。兩個采集器儀器模塊的具體配置可根據被測系統/裝置參數種類和數量,以及監測點位置和數量綜合考慮確定。

信號調理設備用于保證采集器硬件得到最佳的可能測量結果。如對被測信號進行放大、激勵、隔離、濾波,或者是這些信號調理方法的組合。被測信號模擬器由工控計算機系統和被測信號模擬卡組成,包括RS-232/422/485串行接口卡,D/A卡,DSC卡。

2.2 數據采集和非電量測量方法

2.2.1 數字信息采集

被測系統/裝置串行總線信息的采集(接收)以串行通信方式實現,串行通信可選“命令/響應”或監聽方式。

被測系統/裝置網絡信息的采集(接收)以網絡通信或監聽方式獲得,系統作為監聽節點能夠識別網絡中所有的網絡節點地址和網絡上各節點發出的報文信息,包括數據報、控制報和各節點的響應報文。

2.2.2 模擬信號采集

被測系統/裝置輸出模擬信號經調理設備后由PXI-6031E A/D模塊實現采集。艦艇平臺羅徑、計程儀,艦炮指揮儀和艦炮隨動裝置輸出同步機信號由軸角變換器進行模/數轉換,轉換器數據轉換時間由測控主機控制,轉換結果采用網絡和并行口兩種方式輸出。測控主機可選網絡或由采集器并行口(PXI-6533數字I/O模塊)控制接收。

軸角變換器由工控計算機系統(6179L/PⅢ933)、時統信號接收卡、6塊6通道軸角變換器模塊卡組成,機箱選用IPC-610機箱。軸角變換器模塊卡設計為ISA總線全長卡結構,模/數轉換芯片采用AD公司同步機/數字變換器(SDC1704/511),軸角變換器轉換模塊電氣連接如圖2所示。轉換器輸入信號和參考電壓輸入采用電阻進行匹配,以適應不同型號同步機輸出信號的采集。

圖2 轉換器的電氣連接

發控指令(開關信號)經信號調理后由PXI-6533采集。反艦導彈武器系統自控飛行時間(TZK,脈沖頻率信號)經信號調理后由PXI-6608采集。

2.2.3 非電量測量

在導彈、艦炮發射試驗時,通過對發射裝置和載體相關物理參數實施非電量到電量轉換,信號調理、數據采集、記錄、顯示,對采集的數據進行分析計算,生成測試結果報告。實現發射裝置和載體環境參數測量。

?溫度信號測量。溫度傳感器輸出電信號經調理后由PXI-6031E進行模/數轉換,轉換結果由測控主機顯示,并將測量結果保存供事后分析處理。

?壓力信號測量。應變式壓力傳感器輸出電信號經調理后由PXI-6031E進行模/數轉換,轉換結果由測控主機進行顯示,并將測量結果保存供事后分析處理。

?振動信號測量。振動傳感器輸出電信號經調理后由PXI-6031E進行模/數轉換,由測控主機顯示數據和曲線,并將測量結果保存供事后分析處理。

?應變信號測量。應變計通過連接動態電阻應變儀進行自動平衡、放大、濾波并由PXI-6031E進行模/數轉換,轉換結果經應力信號采集記錄軟件轉換分析后,計算出最大應力、最小應力及方向,由測控主機顯示出應力隨時間變化曲線,并將測量結果保存供事后分析處理。

3 軟件設計

3.1 軟件設計思想與開發環境

對于艦載綜合測試系統,因規模較大且要求具有較好的靈活性,如果將系統以一個任務看待難以實現對眾多系統硬件模塊和大量測試數據的科學管理。采用數據庫技術可實現綜合測試系統測試任務、測試儀器、通道配置與標定、測試數據的有序管理[3]。

測試任務庫為組織管理測試任務而設計,定義了任務名稱和任務代碼,任務代碼是區分系統任務的唯一特征碼。系統儀器庫是定義專用測試系統的基礎。通道配置庫負責測試任務的通道配置,描述和定義每項測試任務所使用的通道。通道標定庫保存對應通道的標定數據,使數據采集(包括數據通信和非電量測量)得到的數據與實際的物理量相對應。為了管理測試數據和重現測試現場,系統建立測試數據庫。測試數據庫將與測試現場有關的測試信息、測試數據以及對測試數據的編輯和測試數據輸出過程中產生的中間數據等都進行保存。

系統采用Windows XP操作系統。軟件開發基于LabVIEW8和Visual C++6.0,數據庫管理軟件采用Microsoft的SQL Server 7。

3.2 軟件組成

系統軟件按分層式結構設計,由儀器驅動、虛擬設備、測試服務和測試應用層組成。儀器驅動層是對儀器硬件執行通信與控制的軟件,是由儀器標準件生產商提供的用于對儀器硬件進行底層操作的一組較抽象的操作函數集。儀器驅動層軟件符合VPP規范,具備儀器驅動程序的源程序或動態鏈接庫,以便對其進行封裝構成虛擬設備層組件。

虛擬設備層是對儀器驅動層的封裝,允許對儀器設備進行部件級的封裝以擴展其功能,向測試服務層和測試應用層提供的是對各個底層測試通道的調用,輸出的是未經處理的原始數據或經過調理后的信號。

測試服務層用于測試數據的預處理,對系統采集和接收數據進行解析,主要包括頻譜分析、相關(自相關和互相關)分析和統計分析等。

測試應用層是直接面向具體試驗測試任務的應用。根據試驗測試任務需要對虛擬設備層組件和測試服務層組件重構后生成的面向具體應用的程序,輸出的是最終試驗測試報告。測試應用層針對具體應用開發專用的數據處理軟件。

3.3 應用軟件結構

系統應用軟件結構如圖3所示。包括通道配置與標定模塊、時間信息采集模塊、數據采集模塊(數據通信和非電量測量)、數據處理模塊、數據交換模塊、被測信號模擬/仿真模塊和測試數據管理模塊。其中測試數據管理模塊獨立于系統應用程序,主要用于對測試數據庫的管理。系統數據庫主要包括系統任務庫、系統儀器庫、通道配置庫、通道標定庫和測試數據庫等。

圖3 應用軟件結構

4 結語

基于PXI總線和虛擬儀器技術提高了測試設備硬件重組性和儀器模塊的互換性,提高了測試程序的重用性和可移植性。當測試系統采集器儀器模塊種類或數量不能滿足測試任務需求時,可通過增加采集器儀器模塊種類或數量加以解決。達到了改善性能、提高通用性,適應多種型號武器裝備試驗需求的目的。

[1]徐鏑,施洪昌.PXI在測控技術中的應用[J].西南科技大學學報,2006,18(1)：26～28

[2]李艷春.基于PXI的艦載測試系統硬件設計[J].艦船電子工程,2009,29(9)：156～157

[3]周明光.基于PXI總線的艦載測試系統設計[J].電子技術,2003,30(1)：55～56

[4]NATIONAL.INSTRUM EN TSTMPXITMSolutions CompactPCITMfor Measurement and Automation[N].上海：NI駐中國地區分公司,2006

[5]張彥忠.基于LAN綜合測試系統設計[J].計算機測量與控制,2009,17(12)：2398～2399

[6]魏琳.基于PXI總線的艦載武器試驗測試系統設計[J].測試技術學報,2006(增刊)：89～90

[7]李遠哲.基于數據庫技術的綜合測試系統軟件的設計方法研究[J].測控技術,2002(9)：44～45

[8]劉金寧.COM技術在虛擬儀器測試軟件中的應用研究[J].計算機測量與控制,2004,12(3)：268