雷達導引頭自動測試系統設計

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(中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000)

0 引言

空空導彈導引頭是導彈系統實現精確制導的基礎，雷達導引頭主要工作在導彈末制導階段，在此階段，導引頭發射機輻射特定頻率的信號，信號接觸目標反射，形成回波信號，經過天線進入導引頭的接收系統，經過信號處理，獲取目標的信息，并與飛控系統進行通訊，通過飛控系統按照一定導引規律控制導彈飛向預定目標[1]。與紅外導引頭相比較，雷達導引頭具有作用距離遠和受天氣影響小等的優點，在導彈制導領域得到廣泛應用，其結構復雜，在生產過程中故障率也比較高。為了保證性能及質量，在生產過程中需要對導引頭艙段及分機進行嚴苛的環境應力篩選試驗、環境交付試驗等，以驗證產品對極端環境的適應能力，同時剔除故障。導引頭功能復雜，單次測試的項目眾多，在正常的生產過程中，經歷各種試驗共需進行17次測試。因此，產品測試的工作量較大。在產品出現故障后，往往需要追溯測試過程中出現問題的環節，需要查看故障前后的測試記錄和過程記錄。采用傳統手工測試的方法，測試效率低，人為誤差大，測試數據的記錄、存儲、分析均不方便。

為了滿足導引頭批量生產的調試、測試需求，實現數字化生產線的要求，解放人力資源，設計了雷達導引頭自動測試系統。

1 設計要求

設計目的是建立一套自動測試系統，對導引頭進行全面快速的測試。硬件上采用模塊化設計，采用成熟穩定的PCI總線工控系統，具有較強的擴展能力；測試接口覆蓋導引頭的所有測試需求，通過擴展軟硬件達到增強測試功能的目的,從而使導引頭測試系統具有較好的通用性，便于維護；測試系統具有良好的人機交互界面，操作簡單、易行；具有強調被測對象故障的自動診斷、智能分析系統；對于復雜的測試,系統具有提示、指導功能[2-3]。

2 系統結構

2.1 硬件設計

測試系統硬件包含控制與通訊單元、導引頭DSP調試系統、供電單元、電流電壓采集單元、主通道模擬器、修正通道模擬器等，系統框圖如圖1所示。系統根據測試條件，模擬導彈工作時序控制電源給導引頭供電；通過429通訊通道模擬飛控對導引頭發出指令并實時接收遙測信息，判斷導引頭的工作狀態，同時記錄遙測數據，形成測試圖譜；通過422接口以及導引頭的射頻測試接口控制回波目標模擬器按照特定的速度、距離和能量產生目標回波信號。

圖1 測試系統結構框圖

2.2 控制與通訊單元

控制與通訊單元是測試系統的核心，完成系統的人機交互、設備和產品狀態的控制、檢測、顯示，主要包含三個部分：信號采集模塊、429通訊模塊、轉接調理單元。

信號采集模塊。主要實現采集模擬信號、檢測數字信號、輸出控制信號及模擬量。根據產品對外接口信號的統計，如表1所示。

表1 導引頭對外接口的信號統計表

429通訊模塊。ARINC429協議目前是軍用飛機、民航廣泛使用的總線標準。ARINC429總線數據采用串行差分方式傳輸，具有傳輸距離較遠，抗共模干擾強的優點[4]。429通訊模塊實現遙測數據的輸出以及與飛控系統的信息交換。使用時將2路接收通道設成FIFO模式連續接收模擬的飛控信息和導引頭輸出信息，將另2路接收通道設成RAM方式實時顯示導引頭輸出的飛控和遙測信息。

轉接調理單元。控制與通訊單元中，轉接調理單元是設備和產品接口的橋梁，所有的功能和信號輸入/輸出要通過轉接調理單元來實現。轉接調理單元主要實現供電控制、產品門限檢測、產品狀態顯示等功能。

導引頭加電有一定的時序要求，因此，供電控制需充分考慮產品的供電邏輯，避免人為操作失誤，提高測試安全性。產品供電分為“加溫”、“準備”、“高壓”三路供電。產品上電時，首先加“加溫”電壓，2分鐘后，待導引頭位標器的陀螺轉速穩定后，接入“準備”電。在產品接收加高壓指令后，接入“高壓”電，此時發射機向外輻射能量。

“加溫”電控制回路串聯兩個繼電器，分別由面板和工控機控制，只有當面板按鍵和測試程序同時動作時，產品才會上電。面板上“準備”按鍵由延時繼電器控制，保證2分鐘加溫時間。導引頭加高壓時需要滿足三個條件：“準備”電供電正常，導引頭自檢正常并接收到加高壓指令，面板上“高壓”按鍵被按下。因此，“高壓”電控制回路通過加繼電器串聯控制方式，軟件檢測到導引頭自檢正常后，才會控制繼電器接通。當“高壓”電加電時間超過限定時間時，軟件控制斷電，以保證產品安全。

在產品調試過程中，天線偏轉角度達到極限位置時，測試系統應當保護，鎖定導引頭天線的電機驅動電路，使導引頭停在極限位置。按下“極限”開關后，解除鎖定，導引頭天線回到零位。為了提高保護的響應時間，天線極限位置的保護采用硬件電路實現，電路原理如圖2所示。天線的Y、Z通道輸出信號，通過兩個門限檢測電路進行監測，一旦輸出超過門限設定值，則輸出過門限信號，控制繼電器使Y、Z通道功率鎖定電平接地。門限檢測電路原理如圖2所示。

圖2 極限位置保護檢測電路

2.3 導引頭DSP調試系統設計

導引頭裝配完成后，需要燒錄工作程序才能進行測試，出現故障時，能夠對DSP進行序變量進行實時讀出、并顯示和記錄。因此，設計了導引頭DSP調試系統。系統通過高速數據傳輸通道(USB2.0)，實現對導引頭DSP軟件的加載及DSP外圍Flash程序存儲器的軟件燒寫功能，另外具有對導引頭DSP的實時調試功能。系統框圖如圖3所示。

圖3 導引頭DSP調試系統框圖

DSP調試系統硬件部分，主要由PCI數據傳輸存儲模塊、USB傳輸模塊組成。為增加傳輸距離，在數據傳輸的電氣特性上均采用LVDS電平傳輸，LVDS電平傳輸能夠保證5m傳輸距離。PCI數據傳輸存儲模塊主要是高速傳輸存儲算法產生的大量數據；USB傳輸模塊傳輸DSP調試信息和狀態信息。

DSP調試系統軟件設計主要包括兩部分：上位機軟件設計和DSP駐留監控程序設計。上位機軟件實現加載、程序燒寫、產品調試的人機交互功能；DSP駐留監控程序包括Flash燒寫工程，及導引頭DSP工作軟件內嵌的駐留監控模塊[5]。

上位機軟件功能包括DSP程序加載、Flash燒寫、DSP工作軟件變量解析、通信協議設計、DSP數據解析、顯示，DSP數據存儲、回放。上位機軟件功能在VisualDSP++和DSP Simulator后臺靜態服務、DSP駐留監控模塊(Agent)配合下完成的。其功能組成如圖4所示。

圖4 上位機軟件功能架構

由于上位機僅通過Link口與DSP相連，Link口不能象HPI那樣，可以任意存取DSP內存和寄存器，而必須在DSP駐留監控模塊配合下完成所有調試任務。在調試過程中，可以在不中斷DSP運行的情況下實時查看和更改DSP數據。當DSP處于“表面”Halt狀態時，事實上DSP程序仍然可以響應Link口中斷，以查看DSP數據或恢復DSP應用程序運行。

圖5 DSP監控模塊工作邏輯

DSP監控模塊工作邏輯如圖5所示。DSP駐留監控模塊(Agent)由一個Link口中斷服務例程(ISR)和一個服務線程組成，要求用戶將Agent源代碼插入DSP應用程序，并為Agent服務線程設置“DSP處理周期結束”信號量，使服務線程進入運行(Running)狀態。Link口ISR響應上位機命令中斷信號，將上位機命令的解析與執行交給服務線程執行。另一方面，DSP目標程序可以向Agent發出讀取數據和上傳數據請求[6-7]。

通常情況下，Agent不干擾DSP目標程序的執行，僅是占用一定內存單元和一個Link口中斷矢量。

2.4 電壓/電流檢測單元

電壓/電流檢測單元對設備電源及產品電源的電壓、電流進行檢測，通過內置保護功能，在產品過壓、過流后能進行及時的斷電保護，如圖6。

圖6 電壓/電流檢測框圖

程控電源模塊的電壓電流回讀采用GPIB接口，其回讀的時間最快為毫秒級。為了完整記錄產品工作狀態，需要對產品供電的電壓、電流進行采集。同時為保證電壓檢測的準確性，各路電壓檢測的采樣點位于設備插頭輸出的產品供電端。電壓值經過信號調理后，送入A/D采集通道。電流采樣是通過電流互感器將電源的供電電流轉換成電壓信號，送入A/D采集通道。當檢測電壓和電流超過設定的保護值后，保護電路會產生TTL電平的控制信號，切斷供電繼電器，保護產品安全。

2.5 回波信號模擬器

回波信號模擬器能夠按照設定的目標特性產生設定的目標回波，可以進行距離、速度、幅度及其變化量的設定。雷達回波模擬器由微波鏈路單元、基帶信號處理單元、寬帶噪聲產生單元、計算機控制單元和模型軟件單元組成[8]。微波鏈路單元包括下變頻單元、上變頻單元、測頻機和頻綜單元。下變頻單元把接收到的低功率射頻發射信號下變頻到低中頻，供基帶信號產生與調制單元使用。瞬時測頻機用于粗測頻。上變頻單元把基帶信號上變頻到射頻。頻綜單元為上下變頻鏈路提供一本振、二本振河數字射頻存儲(DRFM)所需要的采樣時鐘信號；基帶信號處理單元用于產生調制在低中頻上的目標和干擾基帶信號，其中AD子單元對寬帶信號進行模數轉換，基帶信號處理子單元在數字域零中頻上產生目標信號和欺騙式干擾信號，DA子單元進行模數轉換，并把寬帶模擬信號送入微波鏈路單元上變頻子單元；計算機控制單元接收仿真機的控制指令，然后傳給每個目標通道的控制單元，進一步實現對系統可控器件的控制，滿足實時性要求；模型軟件單元包括目標、干擾模型軟件以及雷達發射的載頻及脈內調制信息[9]。

回波模擬器的工作流程為：來自導引頭的信號經過衰減、下變頻等處理變到與AD匹配的載頻上，經基帶信號處理單元采集、處理、存儲后轉發輸出，實現回波信號的延遲，然后經DA輸出調制了目標的低中頻信號，再經過上變頻網絡變頻，通過天線喇叭輻射輸出。

3 軟件設計

測控軟件是系統主要的人機交互接口，是整個系統的控制和運算處理中心。軟件的開發采用模塊化和層次化思路，符合軟件工程設計的原則。這樣不僅可以使設計思路更清晰、結構更合理、過程更簡單，而且對后期軟件維護和升級也帶來方便。軟件的主要結構及功能如圖7所示。

圖7 測控軟件功能結構圖

軟件根據功能劃分為自檢模塊、校準功能模塊、測試功能模塊、系統配置模塊、系統監控模塊、數據處理模塊、硬件驅動模塊。軟件啟動時首先調用自檢模塊。檢查板卡、電源、目標模擬器是否連接正常，如果異常，界面提示報警；生產現場的測試設備每年均需要校準，主要測試電源精度、模擬器動態范圍等指標，通過校準模塊可以簡化操作，提高效率；測試模塊包含產品不同測試條件下的測試項目及具體實現；數據處理模塊實現對導引頭遙測數據的處理、分析、存儲及顯示；硬件驅動模塊實現與底層硬件的信息交互，包括RS422、ARINC429、AD采集板卡、程控電源的程序接口函數[10]。

軟件開發平臺為NI公司開發的基于ANSIC的、交互式C語言集成開發平臺LabWindows/CVI。LabWindows/CVI集成了各種專業的測控工具，提供了豐富的圖形化界面設計功能，極大的提高開發效率和可靠性[11]。開發的測試系統軟件界面如圖8所示。

圖8 測試系統軟件界面

4 測試結果

為了驗證系統性能，選用某型號雷達導引頭按照正式生產交付流程進行了軟件燒錄、常溫測試、高低溫循環測試、振動測試。通過對測試結果和遙測數據進行分析得知，產品工作軟件版本和燒錄版本一致，證明系統的DSP調試功能正常；測試數據能夠正常顯示、存儲，系統和產品之間的通信正常；產品調試過程中對系統的保護功能進行了測試：天線偏至極限位置時，系統的控制信號接地。保護電路正常工作。測試過程中，可以實時觀測到產品的供電電壓和電流信息，檢測電路正常。測試過程中，測試軟件對過程數據進行分析計算，每個測試項完成后立刻顯示測試數據及判斷結果，測試結束后生成記錄卡，便于數據的上傳存儲。產品測試過程中均為軟件自動測試，經過72小時的烤機試驗，未發生故障問題，測控系統工作性能良好，可靠性較高。

5 結論

為解決導引頭大批量生產的測試問題，設計了導引頭自動測試系統，系統實現了測試過程自動化、測試記錄自動化、測試結果分析處理自動化，測試準確迅速。系統具有翔實的數據處理分析功能，能夠對產品遙測信息、產品供電電流、供電電壓執行全程數據采集和處理，操作者可以在測試完成后，方便快捷地對所有測試參數進行調用和

觀察，極大地方便了操作者對產品測試結果的進一步分析和故障定位。