一種便攜式遙測信號組件通用檢測裝置

涂 炯，袁 強，秦友倫

（中國兵器工業第五八研究所 四川 綿陽621000）

一種便攜式遙測信號組件通用檢測裝置

涂 炯，袁 強，秦友倫

（中國兵器工業第五八研究所 四川 綿陽621000）

針對遙測信號的精度要求，設計了一種便攜式遙測信號組件通用檢測裝置。采用主要模擬產生多種模擬量信號、開關量信號和數字量信號作為導彈遙測信號組件調試或測試的數據輸入源，并將導彈遙測信號組件輸出的串行信號和特殊信號進行存儲、實時顯示和處理。通過軟件分層設計，提高了設備的獨立性、兼容性和系統的可靠性。測試結果表明該裝置具有測試精確性高、體積小、處理速度快、信號種類多、成本低、攜帶方便、接口豐富等特點。

便攜式；遙測信號；PCI-Express；FPGA；檢測裝置

遙測信號組件是導彈飛行器重要的組成部分，它記錄和傳輸導彈飛行過程中的飛行參數，為導彈飛行質量和狀態提供重要的依據，因此對遙測信號組件進行精確和詳細的測試甚為重要[1]。

目前，國內遙測信號組件的測試和檢測過程較多的采用人工或半自動化測試，遙測信號組件所需信號種類繁多，接口數量較多，測試具有耗時較長、測試復雜、出錯概率大等缺點[2]。同時，測試中所需的儀器設備多種多樣，體積龐大，難以攜帶，給遙測信號組件現場調試和維修帶來的很大的困難。有鑒于此，筆者提供一種便攜式遙測信號組件用多功能通用檢測裝置，集數據通信、信號解調、數據采集、信號產生、數據處理等功能于一身的多功能通用檢測裝置，具有測試精確性高、體積小、處理速度快、信號種類多、成本低、攜帶方便、接口豐富等特點。

1 PCI-Express總線簡介

PCI-Express是新一代的總線接口，而采用此類接的顯卡產品，已經在2004年正式面世，早在2001年的春季“英特爾開發者論壇”上，英特爾公司就提出了要用新一代的技術取代PCI總線和多種芯片內部連接，并稱之為第三代I/O總線技術。隨后在2001年底，包括Intel、AMD、DELL、IBM在內的20多家業界主導公司開始起草新技術的規范，并在2002年完成，對其正式命名為PCI Express（以下簡稱PCIE）[3]。

PCIE的接口根據總線的位寬不同而有所差異，包括X1、X4、X8以及X16，而X2模式將用于內部接口而非插槽模式。PCIE規格從1條通道連接到32條通道連接，有非常強的伸縮性，以滿足不同系統設備對數據傳輸帶寬不同的需求。此外，較短的PCIE卡可以插入較長的PCIE插槽中使用，PCIE接口還能支持熱拔插，PCIE X1的250 MB/秒傳輸速度以及可以滿足主流聲效芯片、網卡芯片和存儲設備對數據傳輸的需求。

目前PCIE3.0規范已經確定，其編碼數據速率，比同等情況下的PCIE2.0規范提高了一倍，X32端口的雙向速率高達320 Gbps。

2 便攜式機箱設計

機箱的外形尺寸為：（寬×深×高）404 mm×244 mm×333 mm，提供5個6U PCIe板卡槽位，除主板安裝占用2槽 （8HP）外，其余板卡安裝均占用1槽（4HP），機箱板卡安裝如圖1所示。

圖1 板卡安裝圖

機箱內部分為4個區域，分別是板卡安裝區域、電源模塊安裝區域、風扇組、線纜走線區域，如圖2機箱內部布局圖所示。機箱內部所有功能板卡均采用后出線方式，通過PCIe背板信號轉接至機箱后面板輸入輸出接口。

圖2 內部布局圖

機箱材質采用鋁件，側面連接器采用直接安裝方式，連接器與箱體安裝之間涂覆有導電膠，有效的防止電磁干擾，增大整機電磁屏蔽性能。機箱鍵盤為防水鍵盤，采用下翻方式，前面板設計有15寸液晶顯示屏以及電源指示燈、狀態指示燈、開關等。本機箱特點如下：

1）機箱選用鋁件2A12-T4-4-GB，通過鋁板焊接形成主體框架，四周設計有加強筋，整機加固性能優于常規便攜式機箱；

2）采用強迫風冷的方式，在機箱內部形成獨立風道，提高整機散熱性能；

3）機箱進出風口安裝通風波導，降低了機箱對外輻射，同時提供散熱風道；

4）采用一體化設計，便于外場測試；

5）機箱內部噴涂三防清漆，防止“霉變”，有效提高三防性能；

6）所有板卡采用模塊化設計，提高了機箱可靠性和維修性；

7）機箱總重量小于15 kg，便于攜帶。

3 總體設計

3.1 板卡主要功能劃分

3.1.1 主板

主要完成功能板卡控制指令的下發、數據通信設置以及數據解析后處理等操作，并將被測設備輸出的信號進行存儲、實時顯示和處理，提供2路10/ 100/1 000 Mbps自適應以太網接口，2路USB接口以及VGA、LVDS顯示接口。

3.1.2 數字信號處理卡

主要完成數字信號產生和處理，產生開關量信號、繼電器信號，完成特殊通信接口之間的相互通信，如提供繼電器通道和路異步RS422、CAN通信接口。

3.1.3 模擬信號處理卡A

主要產生一般模擬信號，實現0～35 V直流小信號、-2.5～2.5 V交流小信號和時序信號的產生。

3.1.4 模擬信號處理卡B

主要產生特殊模擬信號，實現0～150 V可調的正高壓脈沖信號0～-150 V可調的負高壓脈沖信號、5～8 V可調的低壓脈沖信號、半正弦信號、等特殊模擬信號的產生。

3.1.5 解調信號處理卡

主要完成5 V CMOS電平以及3路12 V脈沖串輸入接口電路設計，完成特殊數據信號的解調。

3.2 工作原理

如圖3所示，檢測裝置交流輸入220 V/50 Hz通過電源模塊轉換輸出三路直流電源，分別是+12 V、+5 V、+3.3 V，電源模塊主要由高可靠、高性能的VICOR電源模塊搭建而成，為整機提供穩定的工作電源；主板運行WinXP操作系統，選用 Intel I7 3555LE處理器，主頻2.5 GHz，2 GB內存容量，板載128 G固態硬盤。支持4路USB2.0接口，1路LVDS接口，1路VGA接口，2路1 000 Mbps以太網口；其余功能板卡均采用 “FPGA+功能接口”的方式，由FPGA做每個功能板卡的控制器，實現數據上傳、指令接收、邏輯運算等功能[4]，FPGA選用XILINX公司型號為XC7K325T-FFG900-2I，該芯片擁有320 K邏輯單元，50 950個Slices（約700萬），4 000 K分布式RAM，16 020 K內置BRAM，500個用戶I/O，其可編程單元邏輯資源和存儲空間滿足設計需求[5]。每塊功能板卡在 FPGA內部構建 PCIe IP核，通過PCIe總線背板實現各個功能板卡與CPU主板之間的信息交互，該總線遵循PCI Express 2.0規范，采用1X模式，速率可達500 MB/S。主板運行上位機應用程序，下發指令和配置參數，各個功能板卡收到指令后進行分析，配置各寄存器參數，產生相應信號，經各板卡功能接口完成物理層接口電平變化或數模信號的轉換，提供遙測組件所需檢測信號；同時各個功能板卡可將遙測組件輸出的信號進行采集處理，解析后打包上傳至CPU主板，實現存儲、實時顯示、處理等功能。

圖3 檢測裝置原理框圖

3.3 設備自檢

本檢測裝置具備自動檢測的功能，通過自檢開關控制實現工作狀態和自檢狀態自檢的切換，自動檢測信號通路工作是否正常。

在上位機軟件上設計自檢和工作狀態選項按鈕，設備自檢開關平常均處于斷開的狀態，如圖4所示，當打開測試軟件后點擊自檢按鈕后自檢開始，上位機下發自檢命令，所有功能板卡FPGA控制自檢回路上繼電器和模擬開關閉合，輸出自檢預設值，通過自檢回路返回給FPGA進行數據比對，在測試軟件上設計自檢顯示狀態欄，可看到當前自檢進度，如果FPGA判斷自檢返回值錯誤，將上報給上位機，測試軟件將會彈出錯誤提示窗口，并提示對應哪一路信號錯誤，提示是否繼續或停止，同時上位機測試軟件保存錯誤信息。如果所有信號自檢返回值均無問題，測試軟件狀態欄中將會顯示自檢完成，同時上位機測試軟件自動保存測試數據。

圖4 自檢處理流程圖

4 軟件設計

上位機軟件采用“操作系統+驅動+數據接口+應用層”的設計方法，操作系統采用WindowsXP，驅動軟件采用WDM驅動架構進行開發[6]，同時配合VC開發的中間件為應用層留出可操作的數據接口，屏蔽硬件之間的不同點，為應用層提供標準接口，軟件結構如圖5所示。

圖5 軟件結構圖

板卡驅動軟件將各個功能子模塊驅動軟件設計成相對獨立、單一功能的模塊結構。再根據數據的流程和功能的要求采用多層框架將軟件系統分層[7]，為應用層軟件提供有較高的可靠性、效率以及可維護性、可擴充性的軟件接口，易于進行測試、修改和功能擴充，提高了軟件系統的設備獨立性和軟件健壯性。

軟件中間層采用動態鏈接庫DLL實現，它將不同的硬件模塊驅動調用集成為一套標準的功能函數接口供上層應用開發者使用。

應用軟件為最上層，主要針對各個功能模塊，調用驅動來實現各個模塊功能。所有硬件設備對應用軟件是透明的，應用軟件通過標準數據接口與數據接口層交換數據，完成測量參數設置和數據結果讀取，為上層應用開發提供便利。本層具有友好的用戶界面，支持SQLite數據庫系統。

軟件系統的分層設計，反映了系統的整個數據流程結構。封裝的設備驅動層提供了靈活的設備接口，使得硬件系統的改變與修改不會直接影響軟件系統的正常運行，提高了設備的獨立性、兼容性和系統的可靠性。

5 結束語

筆者通過機箱結構、工作原理、設備自檢以及軟件設計等幾個方面闡述了一種便攜式遙測信號組件用多功能通用檢測裝置的設計方案，實現了一種便攜式的導彈遙測信號的檢測裝置。所述的方案已經成功應用于筆者單位的某型號項目中，實際應用結果及測試結果表明，該設計方法可行、有效。

[1]耿瀟.小型化遙測組件自動測試平臺的設計與實現[D].南京：南京航空航天大學，2009.

[2]劉斌友，土雪梅.基于CompactRIO的便攜式導彈自動測試系統設計[J].彈箭與制導學報，2009，29（1）: 8184.

[3]馬鳴錦，朱劍冰PCI，PCI-和PCI Express、的原理及體系結構[M].北京：清華大學出版社，2007.

[4]符意德，陸陽.嵌入式系統原理及接口技術[M].北京:清華大學出版社，2007.

[5]孫延鵬，張芝賢.VHDL與可編程邏輯器件應用[M].北京:航空工業出版社，2006.

[6]武安河.Windows 2000/XP WDM設備驅動程序開發[M].2版.北京:電了工業出版社，2005.

[7]郭雙宙，梁金蘭.自動測試系統軟件框架的設計與實現[J].計算機測量與控制，2009，17（1）:224-227.

A general detection device of portable telemetry signals module

TU Jiong，YUAN Qiang，QIN You-lun
（No.58 Research Institute of China Ordnance Industries，Mianyang 621000，China）

According to precision requirements of the telemetry signals，a general detection device of portable telemetry signals module is designed.The device adopts mainly produces a variety of analog signal，switching signal and digital signal as missile telemetering signal module debug or test data input source，and the missile telemetering signals output module serial and special signal storage，real-time display and processing.Software is designed by the layered，improve independence，compatibility，and system reliability of the device.The experimental results show that the device has high test accuracy，small volume，fast processing speed，signal variety，low cost，easy to carry，abundant interface，etc.

portable；telemetry signals；PCI-Express；FPGA；detection device

TN0

：A

：1674－6236（2017）03-0117-04

2015-08-26稿件編號：201508135

國家自然科學基金（61133016）

涂 炯（1986—），男，四川綿陽人，工程師。研究方向：工業控制計算機和特種計算機。