MLS信號源狀態參數的自動測試系統設計*

李 雷, 嚴玉國, 曹海霞, 王曉鋒

(空軍工程大學信息與導航學院, 西安 710077)

MLS信號源狀態參數的自動測試系統設計*

李 雷, 嚴玉國, 曹海霞, 王曉鋒

(空軍工程大學信息與導航學院, 西安 710077)

微波著陸系統(MLS)信號源需要定量測量大量的參數,傳統的測試方式需要大量儀器而且連接復雜,測量效率和精度受到了很大限制。智能儀器的發展為自動測試提供了基礎,通過對微波著陸系統信號源狀態參數的測試特點進行分析,在MATLAB平臺上完成了自動測試系統的開發。實際測試結果表明,該自動測試系統在測量MLS信號源狀態參數的過程中具有精度高、效率高的特點,可以實現測試的自動化。

微波著陸系統;自動測試;狀態參數;系統設計

0 引言

微波著陸系統(microwave landing system,MLS)是一種精密近著陸系統,可以給飛機提供航向信息、下滑信息和距離信息,還可以提供與著陸有關的提示和數據信息。具有工作頻段高、波道多、測角范圍大、精度高等優點,在精密著陸引導領域有著廣泛的應用。

為了保障MLS設備的可靠工作,需要對MLS進行多種模式的測試,檢測設備性能。目前對MLS的檢測主要靠多臺通用儀器來完成,測試任務復雜,重復性高,工作量大,耗費大量的人力物力,因此迫切需要設計一款能夠模擬產生MLS地面設備各種信號的信號源,以對機載MLS設備進行檢測。而信號源能否處于正常工作狀態,對于機載MLS設備的檢測具有十分重要的影響。文中針對MLS信號源的檢測設計了一個自動測試系統。MLS信號源的狀態參數隨著測試環境的變化會發生改變,如果測試時間過長,測試就會產生一定的誤差,影響測試結果。隨著智能儀器的發展,針對測試需求編寫相應的程序,可以實現自動測試功能,縮短測試周期,節約人力資源,提高測試精度和效率。

傳統的自動測試系統采用Labview、LabWindows、VC等作為開發平臺[1-4]。在分析不同開發平臺的優缺點后[5-8],根據微波著陸系統信號源測試數據量大,后期需要對數據進行分析處理的特點。利用MATLAB強大的數據分析處理功能,提出了一種新的基于MATLAB的微波著陸自動測試系統。后期的測試結果表明,該系統滿足測試需求,工作穩定,自動化程度高，可自動完成對MLS信號源各項設備技術指標的檢測。

1 系統硬件組成

根據實際測試需求,設計一個由計算機、待測設備、頻譜分析儀和示波器構成的自動測試系統。計算機通過串口給待測設備發送指令,改變其工作狀態。通過射頻線纜連接待測設備和頻譜分析儀,從而實現測試狀態參數的傳輸。再通過USB或LAN接口將頻譜分析儀和示波器測得的數據讀入計算機。系統硬件連接框圖如圖1所示。

1.1 串口控制

為了將整個系統的功能都集成到MATLAB環境中來,用MATLAB代替傳統測試方式中的串口調試助手,給MLS信號源發送指令,改變其工作狀態[9]。具體操作步驟如下:第一步,選擇需要使用的串口。第二步,對串口進行配置,設置串口的波特率、數據位、校驗位、停止位和響應時間并打開串口。第三步,發送數據,將設備的響應與通過串口調試器發送的響應進行比較,確定是否工作正常。第四步,關閉串口,釋放資源。

1.2 儀器控制

為實現智能儀器與計算機的連接,在連接計算機和智能儀器之前首先需要安裝相應的儀器驅動,為下一步計算機與儀器的通訊打下基礎[10]。根據實驗室環境特點,傳輸距離較短,而且經常需要移動儀器,所以使用USB或LAN接口連接智能儀器與計算機,實現儀器的控制。

1.3 電路連接

MLS信號源與頻譜分析儀之間的信號傳輸是通過射頻電纜連接的,由于射頻電纜對信號具有一定的衰減作用,在測試程序中需要對衰減進行補償,從而得到信號的實際功率。而頻譜分析儀與計算機的連接是通過USB或LAN接口完成的。可根據不同的測試需求,靈活選擇連接方式。如果頻譜分析儀與計算機距離較近,可以采用USB接口完成計算機與頻譜分析儀的連接。如果距離較遠,可以采用LAN接口完成頻譜分析儀與計算機的連接。

2 系統軟件結構

系統軟件程序的編寫,是自動測試系統的核心。根據實際測試需求,設計相關測試流程,用SCPI指令實現對智能儀器的控制,從而通過計算機控制儀器完成相關參數的自動測試。

2.1 設計目標

為確保MLS信號源工作在正常狀態,需要對MLS信號源的頻率、功率、功耗、溫度等參數進行測試。因此,設計的自動測試系統不僅可以完成MLS信號源各項指標的測試,而且還可以對測試結果進行分析處理和保存[11]。在實際的測試過程中,為了便于操作使用,該自動測試系統還需要具有良好的人機交互界面,在界面上完成相關參數的設置和測試系統的控制,并將測試結果實時顯示在系統界面上。圖2為系統的功能模塊。

根據設計目標,MLS信號源狀態參數自動測試系統需要具有以下功能:

1)操作控制功能

通過程序來完成自動測試,首先要實現對待測設備和智能儀器的控制。針對測試的不同模塊編寫相應的測試程序。

在每次測試開始之前,需要對測試儀器進行校準,并將儀器的自動校準功能關閉,防止在測試的過程中影響測試結果。為了在儀器需要校準的時候及時對儀器進行校準,滿足測試精度,在程序運行的過程中,需要通過檢測儀器的工作狀態來決定是否需要進行校準,如果需要校準,將暫停測試并完成校準,校準完成之后返回測試程序,繼續進行測試。

針對多個波道的測試,在一個工作狀態測試完成之后,通過串口發送控制指令,改變設備工作狀態,進入下一工作狀態的測試,實現循環測試。

2)數據分析處理功能

為了解整個設備的工作狀態,有時需要得到測試結果的不同統計特性,可以根據實際需求,直接在MATLAB中調用相關函數,對測試結果進行分析處理。根據分析結果,可以更準確的判斷設備的工作狀態。

在實際的工程測試中,有時需要根據原始數據來調整設備的工作狀態,因此在測試完成之后,根據實際需求,可以將測試結果調整為工程實際需求的數據格式,通過調用這些數據文件來調整待測設備。可以大大減輕操作人員的工作量。

3)人機交互界面

為了方便測試人員測試,需要良好的人機交換界面。在MATLAB環境下開發了測試程序的GUI界面。在該界面下,可以完成整個測試過程的控制,方便不熟悉程序的測試人員進行操作。

圖3是自動測試系統的軟件界面。整個系統由5個模塊構成,分別是參數設置區、功能按鈕區、波形顯示區、數據顯示區和實時監控區。參數設置區用于完成測試參數的設置以及測試模式的選擇;功能按鈕區可以完成整個測試系統的控制;波形顯示區用于實時顯示測試數據的波形;數據顯示區用于記錄測試結果,方便用戶在界面上查看所有測試數據;實時監控區主要顯示當前測試結果以及測試結果的相關數字特性。

2.2 程序設計

圖4是軟件的測試流程圖。整個測試程序主要包括頻譜分析儀、示波器和待測設備的控制。頻譜分析儀和示波器的主要作用是完成相關參數的測試;待測設備的控制是通過串口完成,由串口發送相關指令,改變待測設備的工作狀態,在測試儀器的配合下,實現自動測試。

1)頻譜分析儀的控制

頻譜分析儀的主要作用是測試信號的頻率和功率。以下為其具體的控制過程:

第一步:連接頻譜分析儀,實現儀器的遠程控制。

第二步:根據測試需求,使用SCPI指令,完成頻譜分析儀Span、Sweep Time、Rbw、Vbw、Frquency等相關參數的設置。

第三步:讀取頻譜分析儀測試結果并保存。

第四步:測試結束之后,斷開計算機與頻譜分析儀的連接。

2)示波器控制

示波器的控制過程與頻譜分析儀基本一致。下面以測試距離為例,給出詳細過程。在測試距離時,需要確定詢問信號和應答信號的時間間隔。傳統測量距離的方法是通過移動示波器光標來確定時間間隔,測試完成之后還需要計算才能得到對應距離。在數字示波器中,波形數據以點的形式存儲,通過對采集到的波形數據進行靈活的分析運算處理,不僅可以將采集到的波形顯示在計算機上,還可以通過相應的數據處理得到距離信息。下面是距離的計算過程。

詢問信號和應答信號之間的時間間隔為t1,其計算公式為:

t1=N*x_increment

(1)

其中:N為測試點之間數據個數;x_increment為相鄰兩點之間的時間間隔。

系統電路的延時為t0,則實際傳輸時間為Δt,Δt的計算公式為:

Δt=t1-t0

(2)

傳輸距離為s,其計算公式為:

(3)

3 系統測試與分析

圖5是測試不同波道對應功率和頻率時的系統界面。系統實時監控區中當前值是代表當前測量波道對應的波道號以及相應的功率和中心頻率。最大功率和最小功率分別對應功率最大時和功率最小時對應的波道號、功率和中心頻率。功率的變化范圍為(5.5±2)dBm,如果超過這個范圍,那么就認為工作異常,設備存在問題。從實時監控區可以看到,測試的第126波道功率只有-41.55 dBm,存在錯誤,在波形顯示區中,可以觀察到明顯的下跳,很直觀地反映了設備在該波道下存在故障。

圖6是控制示波器進行距離測試的系統工作狀態界面,圖7是示波器實時波形顯示圖。圖6中,波形顯示區顯示了當前測試的波形,通過與圖7示波器界面顯示相比較,可以確定數據提取正確。圖6中波形顯示區中,上面通道對應的是詢問信號,下面通道對應的是應答信號,通過波形數據的處理,可以確定詢問信號與應答信號的時間間隔是0.000 059 s。傳統的測試方法很難達到這一精度。在圖6中,也完成了設備工作狀態的自檢,設備在自檢時,根據通信協議,如果自檢通過將會發送AA C,并將串口接收到的數據顯示在實時監控區,進而彈出自檢正常對話框。

表1是在55 ℃環境下每隔20個波道對系統工作狀態測試的結果。功率的變化范圍為(5.5±2)dBm,測試功率均在這一變化范圍內,說明設備功率正常;每個通道有各自對應的中心頻率,頻率的變化范圍為±0.1 MHz,測試結果均在這一變化范圍內,驗證了設備頻率正常;串口接收到的數據與設備有關,設備在工作的時候,能夠根據自身狀態,發送不同的數據,不同數據代表了設備工作的不同信息,串口接收到的數據前兩位代表設備工作狀態,后兩位代表設備工作溫度對應的十六進制數,當數據前兩位為AA時,代表設備工作正常,表1中數據后兩位為41,將其換算成十進制就對應了當前設備的工作溫度為65 ℃。

表1 部分測試數據

4 結論

文中基于MATLAB平臺開發了MLS信號源狀態參數的自動測試系統,完成了預期的目標,實現了對MLS信號源的快速準確測試,在工程實踐中得到了很好的應用。實際測試結果表明,該測試系統具有以下優點:

1)可以快速準確的測試MLS信號源,實現自動測試,縮短測試周期,提高測試精度。

2)可以對測試結果進行后期的分析處理,為調整設備狀態提供了便利。

3)可以方便的拓展系統的功能,為其它導航設備的自動測試積累了寶貴的經驗。

4)利用計算機將各種測量儀器連接起來,設計專門的軟件,在實現測試儀器的現有功能的基礎上,還可以通過數據處理,拓展儀器功能,實現傳統儀器無法完成的測試,具有功能豐富,測量精確,界面友好以及測試效率高的優點。

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DesignofAutomaticTestSystemforMLSSignalSourceStateParameters

LI Lei, YAN Yuguo, CAO Haixia, WANG Xiaofeng

(Information and Navigation College, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China)

The microwave landing system (MLS) signal source needed to measure a large amount of parameters quantitatively, and the conventional measurement methods needed a large number of instruments and the connection was complex which led to the great limitation of measurement efficiency and accuracy. The development of intelligent instruments provided the foundation of automatic measurement. Based on the analysis of the test characteristics of the signal source state parameters of MLS, the development of automatic test system was completed on the MATLAB platform Practical testing results indicated that the automatic test system had the characteristics of high precision and high efficiency in the process of measuring the state parameters of the MLS signal source, and this system could realize the atomization of the measurement.

microwave landing system; automatic testing; state parameters; system design

TP274

A

2016-08-30

李雷(1994-),男,陜西西安人,碩士研究生,研究方向:儀器科學與技術。