紅外成像導引頭通用測試評估系統設計

黃 莉，楊 博

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009）

紅外成像導引頭通用測試評估系統設計

黃 莉，楊 博

(中國空空導彈研究院，河南洛陽 471009）

為滿足對新型紅外導引系統的檢測需求，設計了一種基于PXI標準總線結構和多層軟件開發平臺的紅外成像導引頭通用測試評估系統，該系統按照通用化的設計思想，采用集成板卡構建虛擬儀器，具有多通道高精度A/D、D/A和數字I/O，數據吞吐量較大，能滿足不同型號紅外成像導引頭的測試需求，解決了紅外成像導引頭的測量與評估問題。

PXI總線；通用化；信號調理；數據采集；多層軟件平臺

0 引 言

紅外成像導引頭具有作用距離遠、抗干擾能力強等優點,但其導引系統原理和結構復雜,傳統的測試系統已不能滿足研究需求,本文提出的紅外成像導引頭通用測試評估系統基于PXI標準總線結構和多層軟件開發平臺,通過獲取導引頭在各種工作狀態下的全部參數和圖像數據,實現對導引頭的狀態控制、數據采集、圖像顯示、狀態顯示、參數測試、數據分析、結果記錄、圖像回放等,滿足單元、多元、成像導引頭的測試與評估。

1 總體設計思路

紅外成像導引頭通用測試評估系統由硬件和軟件兩部分組成,其系統結構如圖1所示。硬件部分主要由嵌入式控制器模塊、各種通用功能板卡和信號調理電路組成；軟件部分由底層、邏輯層、表現層三種結構組成。

該測試評估系統采用集成板卡來構建虛擬儀器組成測控系統,性能較高的PXI標準總線結構能夠采集高度數字、圖像信號。具有多通道高精度A/D、D/A和數字I/O,數據吞吐量較大,系統集成度較高。

圖1 紅外導引頭測試評估系統結構

2 硬件通用化設計

PXI總線計算機系統各類硬件板卡一般只具備標準的電氣接口和物理接口,不能直接與導引頭在電氣和物理上互連。因此,系統在總體結構上設計了一套通用接口適配部分,導引頭首先與接口適配單元相連,進行必要的電氣信號和物理接口轉換后再與PXI總線計算機硬件板卡相連。

2.1 通用接口適配部分

圖2 信號調理單元結構

通用接口適配部分設計方案采用以NI公司的模擬量調理系統SCXI為主來構造整個系統的適配調理單元,以保證系統具有良好的通用性、一致性、測試精度和信號帶寬。如圖2所示,通用接口適配部分包括A/D、D/A、數字I/O調理單元,以實現輸入輸出模擬信號的隔離、放大、衰減和數字信號的隔離功能。

由于不同型號產品的數據傳輸協議不同,如傳輸數字紅外圖像信號可采用低壓差分串行傳輸的LVDS協議、高速串行傳輸的HotlinK協議和模擬圖像Video信號,因此需要將不同數據格式進行調理,將其轉換后再與PXI總線計算機硬件板卡相連。

采用LVDS形式進行傳輸時,圖像采集卡只能采集16 bits寬度的并行圖像數據,二者之間必須進行串并轉換,這一功能由通用串并轉換圖像調理卡完成。該卡主要利用FPGA和PCI橋接芯片實現,首先將接收到的串行LVDS數據進行串并轉換,將轉換后的數據存入FIFO緩沖區,然后構造數據傳輸時序,生成字同步信號,同時讀取FIFO緩沖區中的數據,要確保字同步信號的上升沿在數據的有效時間內,高速數據IO卡根據字同步信號的上升沿對數據進行采樣,從而獲得有效數據,其工作過程如圖3所示。

圖3 LVDS信號的調理過程

測試導引頭與導彈飛控數據傳輸功能時,紅外導引頭采用雙口RAM與飛控進行數據交換,需要對雙口RAM的數據進行讀寫測試,但是雙口RAM的總線信息為并行數據,不宜遠距離傳輸。因此,必須在導引頭附近把雙口RAM的并行數據轉換為串行數據,再經過RS-422傳送到測試評估系統。轉換電路利用RS-422收發器MAX3077E發送和接收RS-422的串行數據,同時利用FPGA實現數據的串并轉換。雙口RAM到RS-422的轉換過程如圖4所示。

2.2 通用集成采集卡

采集的導引頭信號通常可分為模擬信號和數字信號,模擬信號包括高頻率信號、低頻率信號、大幅值信號和小幅值信號；數字信號包括靜態數字信號和高頻數字信號。要測試這些不同種類的信號,就要根據被測信號特點并結合對象的數據吞吐量、實時性要求、精度、分辨率和帶寬要求等方面來選擇不同性能的數據采集卡,既要滿足信號要求,又要避免資源浪費。作為通用的測試平臺,采集卡采用PXI總線方式,該總線具有數據傳輸速率高、實時性好以及擴展性強的特點。

圖4 雙口RAM的轉換過程

3 軟件通用化設計

在測控系統中數據種類多樣,采集、處理以及顯示的要求各異,如果沒有約束任由模塊之間縱橫交錯,互相調用,相互依賴和影響,其復雜程度和依賴關系的增加既會帶來更多的潛在錯誤風險,也會增加日后代碼維護的難度及工作量。

圖5 軟件層次結構圖

本文將其分成三種功能模塊,分別是軟件底層、軟件邏輯層和表現層,結構如圖5所示。其工作過程為：首先通過表現層的“控制組件”下發測試命令,經過邏輯層的“控制適配”部件翻譯成底層硬件板卡可以識別的命令,底層硬件板卡執行數據采集命令后得到了相應的數據(包括圖像數據),該數據返回到邏輯層,經由“數據轉換組件”變換為合適的形式供給用戶界面顯示,或經由“數據存儲組件”處理為適合于存儲的數據存放起來。

這種設計可以使得測控軟件結構清晰、層次分明、分工明確、獨立性強,還可減少耦合,具有便于修改和后期維護的特點。

3.1 軟件底層

軟件底層直接和硬件的測控板卡發生聯系,它們對硬件板卡進行直接操控,以便從被測產品獲取信息(如圖像信息、模擬量數據和數字量數據),或將數據或命令發送到產品。各硬件板卡有通用的API接口函數,底層軟件將這些API函數按照功能統一封裝為不同的類,兩個基類分別為任務類和任務配置類。

(1)任務類

硬件采集卡可以實現多種采集功能,統一稱為任務。在軟件設計中將這些任務抽象成類,這些類由一個基類(BaseTasK)派生而來。在基類中定義這些任務共有的屬性,例如啟動任務、停止任務、安全地清理任務、獲取任務配置對象、清理占用資源等。

(2)任務配置類

每一個任務對象包含了相應任務類型的任務配置對象。對于任務配置的處理同樣采用類設計的思想,即所有任務有統一的任務配置基類(TasKCfg-Base),這個配置類中,存在所有配置文件公共的行為,包括保存配置、讀取配置、檢查配置。

涉及到具體的任務,不同任務有不同的執行流程,但通過底層軟件的設計使得不同板卡執行采集任務的流程基本一致：首先創建任務配置對象,再創建數據采集板卡的核心任務,將任務對象與配置對象進行綁定,啟動任務,最后清理任務,釋放資源。

3.2 軟件邏輯層

邏輯層包括數據濾鏡框架、圖像濾鏡框架、數據存儲組件、數據庫組件等模塊。數據濾鏡框架將不同板卡的不同格式的數據流轉換成統一的格式；圖像濾鏡框架將采集到的原始圖像及狀態信息數據分離與轉化；數據存儲組件將采集來的不同數據包(包括圖像、數字量、模擬量等)進行統一存儲；數據庫組件負責控制用戶的訪問權限以及保存設置和維護數據采集與發生過程中所需要的參數。

邏輯層將不同硬件板卡采集的數據進行統一處理和協調,將用戶界面發出的控制指令“翻譯”為針對某個板卡可以識別的操作命令。這種設計可以將與硬件板卡進行交互的底層和顯示信息的用戶界面隔離開來,在用戶界面與底層硬件之間架設了一個相互溝通的橋梁,使得整個系統的擴展性更強,結構更清晰。

(1)數據濾鏡框架

通用類型數據濾鏡框架包括動態解算數據組件和解析規則配置器。由于數據都是以數據包的形式進行傳輸,需要按照一定的規則壓縮和解析其格式,數據參數信息的多樣化決定了壓包和解包的算法必須是動態的。動態解算數據組件又包括動態數據壓包和動態數據解包兩部分,源端根據動態數據包定義將不同類型的數據打包組幀；接收終端讀取該定義便可將參數信息存貯到一個容器中；獲取動態數據包以后,根據容器中參數信息序列,可以將該參數的實際值解算出來并存進容器；使用時,通過參數名稱便可在存貯容器中查找到其對應的數值。

(2)圖像濾鏡框架

圖像濾鏡框架的結構如圖6所示,圖像數據在濾鏡之間傳遞,濾鏡將圖像數據處理之后輸出,在經過了所有的濾鏡鏈之后得到最終圖像顯示在顯示器上。圖像濾鏡框架包括圖像顯示、圖像編碼和圖像解碼濾鏡,為了實現純圖像數據的顯示,封裝了第三方庫LeadTools一部分功能,定義圖像顯示濾鏡類ImaqDisplayer,創建其對象并調用功能函數即可實現圖像顯示等功能；圖像存儲采用編碼濾鏡file_encoder,將圖像數據按照規定的文件格式進行存儲；圖像解碼濾鏡file_decoder從存儲文件里讀取數據包,并實現數據包的分離,以便將圖像數據和其他狀態數據分開處理。

圖6 圖像濾鏡框架

3.3 軟件表現層

軟件表現層作為與用戶交互的界面,負責對用戶登錄的管理、測試方式和測試項目的選擇、測試命令的下發和命令執行后最終結果或狀態的顯示,包括控制組件、數據顯示組件和圖像顯示組件。控制組件用來對測試評估系統的具體測試任務行為進行控制；數據顯示組件將圖像中包含的狀態信息以及采集的模擬數據和數字數據進行顯示；圖像顯示組件將采集的圖像數據轉化為圖片進行直觀顯示。

4 結 束 語

本文所設計的紅外成像導引頭通用測試評估系統采用集成板卡構建虛擬儀器組成測控系統,基于PXI標準總線結構,具有多通道高精度A/D、D/A和數字I/O、數據吞吐量較大,系統集成度較高。硬件設計通用調理適配單元,對導引頭輸出的信號進行統一調理適配,使信號具備標準的電氣接口和物理接口,通過調換不同的通訊協議和數據采集板卡實現紅外單元、多元及成像導引頭的通用測試評估；軟件設計通用化,采用底層、邏輯層、表現層的層次結構,對于不同產品測試僅需對表現層進行重新搭建按照通用化的設計思想研制,在實際應用中滿足了不同型號紅外成像導引頭的測試要求。

［1］王建國,楊士義.某型空空導彈總體測試系統設計［J］.信息與電腦(理論版),2012(2).

［2］韓惠蓮,王浩.基于虛擬儀器的導彈測發控系統設計與實現［J］.計算機測量與控制,2011,19(3).

［3］鄭竑宇,董德新,賈明勇.基于PXI總線的紅外導引頭性能測試系統設計［J］.航空兵器,2010(4).

［4］樊尚春,周浩敏.信號與測試技術［M］.北京：北京航空航天大學出版社,2011.

［5］朱剛.基于虛擬儀器的模擬試驗臺測控系統設計［D］.西安：西北工業大學,2007.

Design of a Universal Testing and Evaluation System for Infrared Imaging Seeker

Huang Li,Yang Bo
(China Airborne Missile Academy,Luoyang 471009,China)

In order tomeet the testing demands of a new infrared seeKer system,a universal testing and evaluation system of infrared imaging seeKer is designed,which bases on PXI standard bus structure and multi-layer software platform.According to the design idea of generalization,the system uses integrated board to structure virtual instrument.It hasmulti-channel,high-precision A/D,D/A and digital I/O, and hasmass data handling capacity.It can meet the testing demand of variant infrared imaging seeKers, and can solve the testing and evaluation problems of the infrared imaging seeKer.

PXIbus；generalization；signal processing；data acquisition；multi-layer software platform

TJ760.6

A

1673-5048(2015)03-0054-04

2015-01-18

黃莉（1983-），女，貴州銅仁人，工程師，研究方向是目標特性測試。