基于LXI總線的無線電高度表自動化測試系統設計*

薄志峰

(92941部隊92分隊 葫蘆島 125001)

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基于LXI總線的無線電高度表自動化測試系統設計*

薄志峰

(92941部隊92分隊 葫蘆島 125001)

針對目前對無線電高度表的檢測方法已不能滿足需要的問題,設計一種基于LXI總線的自動測試系統。該系統應用虛擬儀器、LXI總線等技術,通過LabVIEW編寫的控制標準儀器的動態庫函數,可以對無線電高度表的工作電壓、發射頻率、接收頻率、靈敏度、發射功率等參數進行測量、顯示、打印、存儲,測量結果可供以后查詢。利用觸發器實現了各個測量單元之間的時間同步測量,解決了自動測試系統中常見的各儀器模塊之間的協同工作問題。利用參數化設計技術和數據庫建模知識,通過在參數表中增加記錄和升級動態函數可以方便地用該測試設備測試其他的無線電高度表。實驗結果表明,系統檢測與控制精度高,具有一定的實用性。

無線電高度表; 自動測試系統; LXI總線; 高度模擬裝置

Class Number TP274

1 引言

無線電高度表[1～2]是通過測量電磁波在空間內傳播的延遲時間來確定地面(或水面)上空飛行器的相對高度。無線電高度表的測量范圍為零高度至衛星高度,其測量精度是由信號帶寬和時間測量系統精度決定的,測量精度最高甚至可以達到厘米級。

隨著航空技術的迅猛發展,精確測量飛行器相對于地面(或水面)某一基準面的高度,對確保飛行器飛行質量和飛行安全變得愈加重要,高度表也不斷應用在各類飛行器中。作為一種主動遙感式設備,高度表最初是用來測量地面(或水面)上空飛行器的高度,后來逐漸擴展到其它方向的應用。隨著現代航空技術、制導控制技術、電子技術、信號處理技術的快速發展,高度表技術也取得了長足的進步,近幾年來國內外各種新型高度表已成功地應用在了軌道測量、衛星定位、大地測繪等方面,同時對高度表的檢測技術也提出了新的更高的要求。

傳統的無線電高度表檢測系統[3～5]在對無線電高度表進行性能檢測時,一般采用等效高度電纜箱來模擬飛行器的飛行高度,并利用測試設備對高度表輸出的高度電壓信號進行測量和判斷。傳統檢測方法存在的主要問題是高度測量點少;高度測量點在確定后很難調整;不能連續模擬高度變化;無法對高度表整個工作過程進行全面評估。為此,提出了基于LXI總線[6～8]的自動化測試系統,系統設計采用基于LXI總線的虛擬儀器技術、構件技術和標準化技術。LXI總線技術融合了計算機、網絡與儀器領域的最新技術,并能夠借鑒相關領域已有的成熟經驗,具有高可靠性、緊湊靈活、成本低廉的優點。LXI基于LAN的結構以及IVI可互換儀器驅動的特點,使得其在測試領域中長壽命儀器的實現成為可能。LXI沒有帶寬和底板結構的限制,它可以利用日益提高的以太網吞吐量,可滿足各種自動測試設備的要求,能夠應用于各種復雜的戰場環境中,為組建高性能、低價位、便攜式的測試系統提供了一個良好的測試平臺。

2 高度表測試原理

無線電高度表按照調制方式的不同分為脈沖體制無線電高度表和調頻連續波體制無線電高度表,通常把脈沖體制的無線電高度表稱為雷達高度表,而把調頻連續波體制的無線電高度表稱為無線電高度表。調頻連續波無線電高度表又分為恒定調制周期體制和恒定差拍體制。本文主要研究由鋸齒波調制的調頻連續波恒定差拍體制無線電高度表。

圖1 信號傳輸圖

在測量飛行器至地面(或水面)的高度H時,無線電高度表的發射機和接收機放在同一運載飛行器上,如圖1所示,無線電高度表利用飛行器上的發射天線在t1時刻發射一個頻率為f1探測信號,并在t2時刻利用飛行器上的接收天線接收由地面(或水面)反射的頻率為f2回波信號,這時回波信號相對發射信號的延遲時間Δt為式(1):

Δt=t2-t1

(1)

式中:Δt為延遲時間,單位為微秒(μs);t1為發射時間,單位為微秒(μs);t2為接收時間,單位為微秒(μs)。

飛行器距地面(或水面)的高度H為式(2):

H=Δt*c/2

(2)

式中:H為被測高度,單位為米(m);c為電磁波傳播速率,3*108,單位為米每秒(m/s)。回波信號相對發射信號的差拍頻率fb為式(3):

fb=f2-f1

(3)

式中:fb為差拍頻率,單位為赫茲(Hz);f1為發射頻率,單位為赫茲(Hz);f2為接收頻率,單位為赫茲(Hz)。

由圖1可以得到式(4):

fb/Δf=Δt/Tm

(4)

式中:Δf為調頻帶寬,單位為兆赫茲(MHz);Tm為鋸齒波調制周期,單位為微秒(μs);由式(2)可得Δt=2H/c,將它代入式(4)中,得式(5)

fb/Δf=2H/(c*Tm)

(5)

經整理,則有式(6):

Tm=2Δf*H/(c*fb)

(6)

式中,處于動態平衡狀態時,Δf和c是常數,fb在瞬態平衡狀態下也是常數,故式(6)可寫作式(7):

H=K*Tm

(7)

式中:K=(c*fb)/2Δf。

可見,調制周期Tm與被測高度H成正比。通過對與調制周期Tm同步的高度脈沖信號的測量即可達到測量高度的目的。

3 系統硬件結構及原理

系統以LXI總線為核心,將主控計算機、程控高度模擬裝置、信號處理設備、接口適配器、通用測試模塊和專用測試模塊等有機結合起來,采用數字采集與存儲技術、可編程軟件控制技術和數字瞬時測頻技術組成無線電高度表自動化測試系統。測試系統結構原理圖如圖2所示。

圖2 測試系統結構原理圖

主控計算機是整個測試系統的核心,對整個系統實施控制,對測試過程進行管理,提供測試操作人員的人機對話接口,控制各種LXI儀器和設備的工作狀態,將采集到的信號及數據進行分析處理,判斷被測參數是否合格。主控計算機通過多路開關模塊和控制器模塊對無線電高度表進行激勵傳輸,并將無線電高度表對激勵產生的相應指令信號、數字信號及模擬信號由數據采集模塊采集,然后分發到相應的LXI儀器和主控計算機上進行處理和存儲。信號處理設備和接口適配器提供被測無線電高度表的連接接口,用于連接測試設備,對信號進行變換,測試設備產生的激勵信號通過信號處理設備和接口適配器送往被測無線電高度表,測試結果信號也都經過接口適配器和信號處理設備送往測試設備進行處理。微波信號是無線電高度表測試時的關鍵參數,要對其進行實時控制并實時檢測無線電高度表工作狀態。程控高度模擬裝置能夠真實模擬高度回波信號,主控計算機通過LXI總線向程控高度模擬裝置發出指令,程控高度模擬裝置控制微波信號產生相應的高度回波信號,無線電高度表探測到回波信號,并根據無線電高度表工作流程產生相應工作狀態及微波信號變化,測試系統通過各種LXI總線通用模塊進行實時測量與監視。

4 系統軟件平臺設計

4.1 系統功能

系統具有自動測試、手動測試、單項抽測、系統計量、標校、自檢、數據處理及故障診斷等功能,為了方便用戶維護和系統擴展,系統軟件設計采用模塊化思想,主要包括用戶管理模塊、測試項目模塊、系統計量模塊、標校模塊、自檢模塊、儀器設備管理模塊故障診斷模塊、數據管理模塊及系統擴展模塊等。系統運行時通過調用多個相應的功能模塊,控制系統軟件的流程,完成相應的測試任務。測試系統軟件功能結構圖如圖3所示。

圖3 測試系統軟件功能結構圖

4.2 測試模式

基于LXI總線的測試系統有兩種測試模式,一種是C/S(客戶端/服務器)模式,客戶端通過IVI-COM對LXI儀器進行訪問和控制;另一種是B/S(瀏覽器/服務器)模式,客戶端安裝一個瀏覽器,輸入LXI儀器的IP地址,就能直接訪問相應儀器的主頁面,并實施遠程控制。在C/S模式中,IVI-COM儀器協議在客戶端和LXI儀器設備之間建立一條通道,客戶端運行測試控制軟件,LXI儀器設備端的應用程序接收相應的服務請求,執行相應操作,然后返回結果給客戶端。IVI-COM儀器協議采用標準的應用程序接口(API)。通過C/S模式構建的測試系統,可獲得比較好的測試性能,能滿足并行測試的需求。根據上面的分析及實際需要,系統采用C/S模式。

4.3 軟件結構

系統軟件平臺采用層次化結構,根據組成系統平臺軟、硬件之間的關系和作用,將其劃分為:應用層、驅動層和物理層,其層次結構如圖4所示。

圖4 測試系統軟件平臺結構圖

1) 應用層:系統應用了參數化設計、數據庫和虛擬儀器技術,操作系統采用Windows XP系統,系統軟件的開發是由LabVIEW完成的,LabvIEW是NI公司的一種基于圖形化的編程語言和開發環境,它提供了儀器驅動程序、虛擬儀器的控件、數據庫工具軟件包、豐富的數據處理分析函數。LabVIEW可以使程序設計簡化,效率提高。根據參數化設計技術,進行無線電高度表參數測試功能的數學建模,數學模型通過數據庫中的參數表進行描述。對測試無線電高度表不同參數的測試功能模塊用LabVIEW封裝成不同的動態庫函數,以方便系統軟件對其進行調用。系統軟件是整個測試系統的測試程序,它通過控制LXI儀器設備,實現信號發生、采集,通過一系列分析處理程序,實現數據存儲、分析處理,能夠生成結果報表,可以顯示和打印報表等。系統軟件通過虛擬面板實現人機交互,各項測試通過點擊虛擬面板上的按鈕就能完成。

2) 驅動層:完成在操作系統下儀器設備的驅動和連接。所有LXI儀器設備都支持符合IVI規范的驅動程序和VISA資源名,這使得在系統底層硬件發生變化時,用戶不用改變上層的驅動程序就可實現系統擴展,實現了底層儀器設備的互換性和互操作性。

3) 物理層:物理層是由構成系統的所有儀器設備以及對應的LXI總線接口軟件組成。系統通過對系統硬件各部分的直接驅動并將其由LXI總線連接起來形成一個的完整的測試系統。LXI總線接口軟件是存在于儀器驅動程序與儀器設備間的底層軟件層,完成對LXI儀器設備測試與控制、對儀器內部寄存器單元進行直接存取數據操作并為儀器與儀器驅動程序提供信息傳遞。

5 關鍵技術

5.1 時間同步觸發

為了降低開發成本,系統采用不具備時間同步功能的LXI-C類儀器模塊來建構測試系統。然而,在雷達測試過程中需要多臺儀器協同工作,因此必須解決多臺儀器之間的時間同步問題。采用符合LXI-B規范的同步觸發器,可以滿足系統的時間同步觸發需求。

5.2 基于UML的軟件建模

UML[9～10]是一種面向對象的建模語言,也是概念建模的重要工具。UML建立了面向對象的統一的概念、術語以及圖形符號,建立了易于人們交流溝通的語言,用于對軟件系統進行描述、可視化處理、構造以及建立軟件系統的文檔。UML為編寫系統軟件模型提供了一種標準化的方法,包括系統功能和軟件流程類的抽象概念,還包括數據庫設計、具體的程序語句和可重用的模塊化程序這類具體的東西。UML能夠準確地將軟件系統的結構、層次以及流程用圖形化的方式表達出來,使人們可以清晰地了解軟件系統各功能之間的相互聯系,還能根據模型生成相關的軟件代碼框架,極大地節約了系統軟件設計開發工作時間。

5.3 基于多線程的軟件設計

多線程技術就是一個進程中的多個線程同時執行測試任務的結構,主要是通過在線程間切換來完成并行測試任務。多線程結構中,多個測試任務在一個進程中執行,這些線程只擁有一個簡單的內存地址。主線程是用來控制所有其它線程執行的。在進程執行中可以任意創建或取消其他的線程。多線程結構的一個重要特點就是所有線程都在一個進程中,它們能更好地共享測試資源和通信,使CPU開銷減小。

5.4 程控高度模擬裝置結構設計

程控高度模擬裝置是無線電高度表測試的重要設備,主要作用是模擬高度回波信號[11～12]。要模擬高度回波信號,可以先接收無線電高度表的原始發射信號,然后對該信號直接進行加入目標特征的處理。高度回波信號中的目標特征簡單來講就包括三種:時延信息、頻率信息和幅度信息。高度回波信號的時延信息主要是由高度距離引起的。回波信號的頻率信息主要由目標徑向速度帶來的多普勒頻移引起的。高度回波信號的幅度信息主要受到高度距離的影響。在這三種信息的處理上都有相應的主要技術途徑:幅度模擬以由大動態的程控衰減器實現;多普勒頻率可以通過直接式數字合成器(DDS)實現,也可以通過高速數字信號處理系統的運算實現;延時可以通過數字射頻存儲技術(DRFM)[13～14]來實現。此外還可以通過數字射頻存儲技術(DRFM)來實現對干擾信號的調制。

圖5 程控高度模擬裝置結構圖

系統工作時,將從高度表發射端接收到的高度表發射信號傳輸給下變頻模塊;下變頻模塊將從高度表發射端和頻率源接收到的信號轉換為中頻信號分別傳輸給VCO模塊和頻率引導模塊;VCO模塊受主控計算機控制改變振蕩回路諧振頻率,產生具備純凈頻譜特性的信號,并將其傳輸給頻率引導模塊;頻率引導模塊將接收到的中頻信號進行頻率測量,根據測量結果確定反饋調整量,進而調節頻率源輸出頻率;頻率源根據頻率引導模塊提供的頻率參數快速調整本振工作頻率以使其對應于當前的無線電高度表工作頻率,并將信號傳輸到DRFM模塊。主控計算機控制DRFM模塊產生除加入延時以外的與輸入信號一致的輸出信號,并根據系統的設置參數確定是否進行干擾調制以及干擾調制的類型;將DRFM輸出信號和DDS模塊的輸出信號進行混頻,產生包含距離延時和多普勒頻移的正交雙通道多普勒信號;將混頻調制后的信號進行幅度調制產生相應的高度回波信號;上變頻模塊將接收到的高度回波信號轉換使其成為真實高度回波模擬信號;將真實高度回波模擬信號發送給高度表接收端。程控高度模擬裝置結構圖如圖5所示。

6 結語

以往對無線電高度表測試使用的高度模擬裝置和測試方法,不但精度低下、測試項目只能覆蓋有限的幾個高度點,而且不能真實反映無線電高度表的工作狀態。本文利用LXI總線構建無線電高度表自動測試系統,研制能夠模擬無線電高度表的高度信號真實變化過程的程控高度模擬裝置,實現了測試程序真實模擬無線電高度表工作過程及其過程中各項參數的自動測試,能夠真實反映無線電高度表的工作狀態,系統具有測試速度快捷、測試與控制精度高、操作方便、通用性強、可擴展性強、可靠性高等特點,滿足目前無線電高度表自動測試的需求,同時能夠檢驗無線電高度表的真實工作狀態和性能,為后續無線電高度表測試方法的研究奠定了基礎。

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Design of the Automatic Testing System of Radio Altimeter Based on LXI Bus

BO Zhifeng

(Unit 92, No. 92941 Troops of PLA, Huludao 125001)

In order to solve the problem that the existing test devices for radio altimeter are unable to meet the demand, an automatic testing system based on LXI bus is designed. The system applies the technologies of virtual instrument and LXI bus, by using Dynamic Link Library(DLL) of standard instruments control built via LabVIEW, the parameters of radio altimeter such as working voltage, transmitting frequency, receiving hequency, sensitivity and transmitting power can be tested, displayed, printed and stored. The test results can be queried in the future. It uses trigger to synchrony with some test units. The system solves the problem of the various instruments work together. By increasing notes in parameter list and upgrading DLL, it is convenient to measure other types of radio altimeter with this test equipment using parametric design and database modeling technology. The technology and methods adopted in the system are practical.

radio altimeter, automatic test system, LXI bus, altitude simulators

2014年10月8日,

2014年11月19日

薄志峰,男,工程師,研究方向:自動化測試。

TP274

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.037