基于1553B總線的多通道測控系統的開發

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(北京精密機電控制設備研究所，北京 100076)

0 引言

目前，我單位對控制器產品需求的數量增多，外協單位研制的產品交付我單位前，需要對產品進行驗收試驗，主要測試產品三大性能，即通信功能、AD性能和DA性能，其中DA輸出值是經過功率放大器放大后的模擬電壓。

被測控制器為三冗余結構，由3個相同的子控制器組成，其通過1553B總線與上位機進行通信。采用1553B通信總線的BC-RT模式，其中上位機配置為BC，被測產品配置為RT。

按照驗收要求，驗收試驗能夠測試整機以及每臺子控制器的三大性能。傳統的驗收試驗通過以下方法測試。在控制器內固化單機測試軟件，控制器的連接器上插入堵頭，堵頭的主要作用為將DA與AD短接，單機測試軟件的主要功能是通過DA輸出恒定電壓或周期性的正弦波，并通過AD進行采集，最后將采集結果和接收到的指令信號通過1553B總線發送給BC,供BC進行數據比對與分析。傳統驗收試驗的試驗步驟為，連接單機測試儀，將指令通過1553B發送給被測產品，被測產品將接收到的指令直接通過1553B返回給BC，BC比對發送指令與接收指令從而測試通信功能；外接信號源向被測產品AD接口注入電壓，通過1553B總線返回給單機測試儀，從而測試AD性能；單機測試儀通過1553B總線發送控制命令，被測產品將控制命令通過DA輸出，并采用示波器進行采集，從而測試DA性能。將單機測試儀收到的數據和示波器收到的數據導入到計算機，采用OriginLab分析軟件進行數據分析，根據分析結果確定產品的單板是否合格。在確定被測產品的單板均正常后，將堵頭連接到控制器進行整機試驗，測試被測產品的整機性能傳統的測試方法進行驗收試驗時，只能單臺測試，且須具備單機測試儀、供電電源、信號發生器、示波器共4大試驗設備，操作人員完成試驗后須將測試數據交給設計人員進行數據分析后，確定產品的合格性。試驗過程繁瑣，效率低，無法滿足我單位需求遞增的現狀。為提高測試效率，本文提出了一種基于1553B總線的多通道測控系統。

1 系統結構及原理

根據測試需求，測控系統需具備1553B通信、模擬輸出、模擬采集、數據存儲及其數據分析功能，具體功能如下：根據用戶需求選擇性的與某臺產品的某個子控制器進行通信，通過1553B總線發送控制信號和接收遙測數據，通過DAQ板卡采集產品DA信號，并向產品AD發送DA信號[1]，然后將發送的數據與接收到的數據進行存儲和數據比對。

原測試系統耗時環節主要為數據導出，主要成本支出為環境試驗場地累計占用時長。為縮短批量產品試驗的總時長、降低試驗成本，本文設計了四通道測控系統結構，如圖1所示。通過此種設計結構可以取代信號發生器和示波器，具備模擬輸出和模擬采集功能，采用分時復用技術同時測試4臺控制器，從而節省掉數據導出時間，縮短4臺控制器累計測試占用時長，預計將試驗時長縮短至原時長的1/4，將試驗成本降低至原成本的1/4。

圖1 網絡結構圖

測控系統最多可支持4臺被測產品同時測試。安裝在工控機內的1553B板卡和I/O板卡通過一條二合一的電纜B5連接至測控箱；測控箱通過供電電纜E1-E4分別為被測產品供電，通過B1-B4實現工控機與被測產品的數字通信；工控機的DAQ板卡可通過一分四模擬電纜M1，實現與4臺被測產品的模擬信號通信。

2 系統硬件設計

2.1 數字通信

測控系統基于MIL-STD-1553數據總線標準，采用BC-RT的通信模式設計[2]。1553B板卡選用與被測產品相匹配的1Mbit/s的Exc-1553/PCI板卡。數字I/O板卡需具有豐富的I/O接口，本文選用板卡型號為AECCAN-PCI-2。

1553B總線為BUSA/BUSB互為備份的總線通信方式，因此為實現BC與某RT的通信，需要4根電纜連接，分別為BUSAH、BUSAL、BUSBH、BUSBL。被測產品采用三余度設計，單臺產品由3個子控制器組成，具有獨立的RT編號，分別為RTx,RTy,RTz.因此為實現單臺產品的單子控制器的獨立通信，測控箱中設計了信號隔離調理單元，原理如圖2所示。工控機通過I/0板卡控制繼電器的開關，實現相應子控制器的1553B總線電纜的選通[3]。

圖2 數字通信原理圖

2.2 模擬通信

測試系統通過DAQ板卡實現工控機與被測產品的模擬通信，模擬板卡選用型號為神州飛航的BST33102。原理如圖3所示。被測產品的DA、+9 V、+15 V與模擬板卡的AI連接，供板卡采集。由于板卡的采集范圍為±10 V，因此須對被采集電壓15 V進行分壓，本文采用兩個50 K的電阻進行平均分壓[4]。

圖3 模擬通信原理圖

3 系統軟件設計

3.1 軟件架構

測控軟件以 VisualStudio為開發環境，采用C#語言進行開發。根據產品測試需求，測控軟件主要具備三大功能，首先可根據用戶設定實現與選定產品的1553B通信，包含同步、自檢、發送指令、接收遙測數據；其次可根據用戶選定實現與選定產品的模擬通信，即通過模擬板卡向被測產品發送指令，同時采集模擬數據；最后，可將接收到的模擬數據和數字數據進行濾波、擬合、零偏、線性度等數據處理。測控軟件架構分為人機交互界面，后臺軟件和數據庫[5]。其中人機交互界面為用戶提供試驗要求設定入口，以及直觀的數據顯示出口，其分為數據波形顯示區、要求設定區、啟動按鈕區和進程提示區共4個區域；后臺軟件按照功能分為3大模塊，分別為1553B發送和接收數據模塊，AD采集和DA輸出模塊，數據處理、顯示和保存模塊。每個模塊都應包含相應板卡的Lib文件以及自主開發的功能函數。由于板卡廠家提供的Lib文件均為標準C語言，因此，在調用相應板卡Lib文件時，需要按照C#標準修改后調用[6]； 數據庫作為數據處理和數據保存的輸入文件，為用戶提供數據處理通道、系數、方法以及數據保存格式、路徑的入口。

由于測控系統設計了模擬電纜，模擬信號在進行數據傳輸時很容易受到包含供電電源在內的測試環境的干擾，為了使測控系統采集到的模擬信號能夠更真實的反應控制器的性能，本文采用三點加權滑動平均濾波方法[7]，濾波公式如公式(1)所示，邊界點的計算方法如公式(2)和公式(3)所示：

y(i)=(x(i-1)+3.3x(i)+x(i+1))/5.3

(1)

y(0)=(39x(0)+x(1))/40

(2)

y(n-1)=(39x(n-1)+x(n-2))/40

(3)

其中:n為數據處理點數，x(i)為采集到的模擬數據，y(i)為濾波后的模擬數據。

由于單次濾波效果不明顯，需要多次濾波才能有明顯效果。對于伺服測試數據處理，濾波次數推薦值為80，本文采用了推薦值。

3.2 設計原理

為實現四臺產品同時試驗，分時測量[7]，本文采用分時測試技術。啟動測試前，用戶須設定被測通道，以及相應通道連接的產品編號，同時通過Acess數據庫設置采集通道的數據處理系數和方法，為保證產品的一致性，數據處理系數和方法須適用于被測的所有產品。啟動測試后，按照用戶選擇的通道順序測試。

被測產品具有如下設計特點，其將接收到的1553B指令通過DA通道輸出，其通過AD采集到的模擬量通過1553B返回。測控系統根據以上設計特點設計測控軟件，首先用戶通過數據庫文件輸入指令信號，為便于考核被測產品DAQ性能，測控系統采用的1553B指令信號和DAQ板卡采用的指令信號須保持一致，均采用用戶的設定值。測控系統通過1553B發送的指令信號可通過DAQ板卡采集，用于測試被測產品的AD性能，測控系統通過DAQ板卡輸出的指令信號可通過1553B返回，用于測試被測產品的DA性能。由于測控系統中設計使用了模擬電纜，用于連接DAQ板卡與被測產品，而模擬信號的傳輸在復雜的測試環境下十分容易收到干擾，因此被測系統收集到的所有數據均需進行濾波擬合，并將擬合后的數據顯示的界面上。以用戶設定的控制指令為基準，以數據庫設定的通道、系數和方法為輸入，對濾波擬合后的數據進行數據處理，并將處理結果生成測試報告保存在數據庫設定的路徑下作為產品驗收的依據文件。

3.3 突破的關鍵技術

DAQ板卡的AD/DA通道數量有限，由于多臺產品同測的需求，對AD/DA通道數量要求較多，因此須選擇多塊DAQ板卡。工控機中的多塊DAQ板卡和1553B板卡硬件上無法實現時鐘的同步，而且軟件編程所使用的工控機的定時器誤差較大。因此，如何保證人機交互界面的數據顯示區中，1553B數據和DAQ數據同步顯示成為亟待解決的問題。

表1 測控軟件重要參數設置

本文首先通過設置板卡工作模式以及對應參數，來縮小硬件采集誤差，如表1所示。被測產品的1553B的通信頻率f為用戶固定需求。測試系統板卡頻率均根據f進行設置。由于基于1553B協議的BC-RT模式為主從結構，無論發送和接收均須由BC發起，因此1553B的通信頻率設定為f。由于1553B通信與DA輸出指令相同，因此DA輸出須保持與1553B板卡的一致，設置為中斷連續輸出，頻率為f。1553B發送指令與收到的數據個數相同，為保持AD采集數據個數與1553B收到數據個數的一致性，AD采集設置為采樣頻率為f的定時采集。考慮到多線程的C#程序其軟件定時中斷誤差較大的缺點，為防止板卡緩沖區溢出的發生，將軟件定時中斷設置為4f。在軟件定時中斷中，讀取1553B板卡接收到的數據以及所有DAQ板卡采集到的數據，經原始數據暫存到內存中，取所有板卡緩沖數量最小值作為界面曲線更新個數，濾波擬合后輸出到界面[8]。

4 試驗結果與分析

為驗證本文所設計的基于1553B總線的多通道測控系統能夠取代傳統的測試方法，真實反應被測產品的性能指標。我們分別采用本文研制的測控系統和傳統測試方法對某典試產品進行測試，試驗中設定指令信號是幅值為10 V的正弦信號。

4.1 試驗過程

首先采用傳統方法對典試控制器的AD性能和DA性能進行測試。測試前，更改控制器嵌入式軟件，使被測DA輸出幅值為10 V，頻率為50 Hz的正弦波。軟件燒寫完成后，將單機測試儀與控制器通過1553B總線連接，并將控制器的AD的輸出端和模擬地分別接入示波器的信號端和地端，將控制器的DA輸入端和模擬地分別接入信號發生器的電源正和電源負。調節信號發生器輸出電壓恒為+10 V或幅值為10 V，頻率為50 Hz的正弦波。進行DA性能測試時，為獲得基準電壓可將信號發生器的輸出端同時接入示波器。系統上電后，通過單機測試儀發送返回遙測數據指令，發送頻率為100 Hz,連續發送1 min，并進行記錄。同時觀測示波器波形，調節示波器頻率為100 Hz，截取1 min的波形進行分析。

其次采用基于1553B總線的多通道測控系統對典試控制器的AD性能和DA性能進行測試。系統上電后，調節測控設備的AD和DA測試頻率均為100 Hz,測試時長為1 min，點擊開始測試，觀測波形進行分析。

4.2 試驗數據

由于傳統方法DA輸出結果顯示在示波器上，為便于數據分析，在一個周期的nT/20 s處進行采樣，其中n為0,1…,20,T為1 s。將取到的數據與基準理論值放在Origin中進行數據分析。測試結果如圖8(a)所示。為直觀對比理論值與實際值的差值，在實際值的波形上疊加了基準值，從圖形分析，基準值與實際值差值很小。采用基于1553B總線的多通道測控系統取得的DA輸出值和基準值均存儲在二進制文件中，可直接從二進制文件獲取采樣點數據放在Origin軟件中進行分析，如圖9(a)所示，從波形分析，實際值的波形畸變很小。同理，無論是傳統AD測試，還是多通道測控系統的AD測試，其基準值和測試值均存儲在二進制文件中，可直接通過Origin軟件進行數據分析，如圖4、圖5、圖6(a)、圖7(a)所示。從圖中分析，恒定工況下，兩種方法測試的AD性能均存在一定幅度的波動，正弦工況下，兩種方法測試的AD性能與基準值基本重合。為了更進一步分析兩種方法的測試精度和測試有效性，本文針對不同的測試項目分別提出了多個衡量指標進行進一步的分析[9-10]。

圖4 采用傳統方法測試恒定電壓工況下的AD性能

圖5 采用多通道測試儀測試恒定工況下的AD性能

圖6 采用傳統方法測試正弦波工況下的AD性能

圖7 采用多通道測控系統測試正弦波工況下的AD性能

圖8 采用傳統方法測試正弦波工況下的DA性能

圖9 采用多通道測試儀測試正弦波工況下的DA性能

對于恒定電壓工況，本文采用3種指標進行衡量，分別為最大值、最小值和平均值。對于正弦波工況，本文采用兩種指標進行衡量，分別為零偏和線性度。

假設采用頻率為f(Hz)，采用周期為T(s)，那么最大值Ymax、最小值Ymin、平均值Yave的計算公式分別為公式(4)、公式(5)和公式(6)：

Ymax=Max(Y1，Y2，…Yn)

(4)

Ymin=Min(Y1，Y2，…Yn)

(5)

Yave=Average(Y1，Y2，…Yn)

(6)

其中:n=f×T，Yi為第i個點的測量值，i為1～n的自然數。

圖10 零偏和線性度的定義

零偏Yzero-offset和線性度Ylinear的定義[8]如圖10所示，首先要以基準點作為輸入信號，以測量值作為輸出信號，畫出名義位置曲線，由于電信號的位置回環很小，因此在畫名義位置曲線時可通過直連的方法；然后采用最小二乘法畫出名義位置基準線，對于位置回環小到可忽略不計的電信號，本文將落在所有象限的點統一進行擬合，擬合公式如公式(7)所示：

y=b0+bx

(7)

其中:x為基準值，系數b0、b的最佳估計值如公式(8)和公式(9)所示：

(8)

(9)

其中:xi 、yi分別為第i個擬合點的輸入和輸出。

正弦工況下，AD和DA的擬合曲線及其擬合公式如圖6(b)、圖7(b)、圖8(b)、圖9(b)所示。

零偏[9]為擬合曲線與x軸的交點，計算公式如公式(10)所示，顯然零偏越接近0，說明被測產品的特性越好。線性度為基準值與測量值的最大差值占基準值域的百分比，計算公式如公式(11)所示，顯然線性度越小，說明被測產品的線性度越好。

(10)

(11)

ΔImax=MAX(ΔI1,ΔI2......ΔIn)

(12)

ΔIi=xi-yi

(13)

其中:xi為第i個點的基準值，yi為第i個點的測量值，i為1至n的自然數。

所有測試結果的計算指標值如表2所示。

表2 某典試產品測試數據

從表2可以看出，通過傳統測試方法證明被測典試產品性能符合合格判據要求，通過基于1553B總線的多通道測控系統系統測試結果顯示，被測典型產品性能指標同樣滿足合格判據要求.對比兩種測試方法的測試結果誤差很十分小，因此以上測試證明了基于1553B總線的多通道測控系統的有效性，完全可以取代傳統的測試方法。

4.3 耗時與成本計算

以下分析假設采用不同的測試方法進行相同步驟時耗時相同。采用傳統方法進行測試，單臺控制器單板測試步驟包含測試環境搭建、單板性能測試、數據導出、數據分析，單臺控制器整機測試步驟包含測試環境搭建、整機性能測試、數據分析；采用基于1553B總線的多通道測控系統進行測試，4臺控制器可同時測試，單板測試步驟包含測試環境搭建、單板測試、數據分析，整機測試步驟包含測試環境搭建、整機性能測試、數據分析。其中整機測試包含高溫環境測試、低溫環境試驗和濕熱環境試驗。假設測試環境搭建時長、單板性能測試時長、數據導出時長、數據分析時長、高溫環境整機性能測試時長、低溫環境整機性能測試時長、濕熱環境整機性能測試時長分別為t1、t2、t3、t4、t5、t6、t7，單位為小時，表3分別計算采用兩種方法的單板測試時長和整機測試時長。試驗成本主要為環境試驗場地費，假設環境試驗場地費用為m元/小時，表4分別計算采用兩種方法的環境試驗場地費用。

表3 測試時長計算

表4 試驗成本計算

從表中可以看出，相對于傳統方法，采用基于1553B總線的多通道測控系統可以將測試時長縮短為原來的1/4，同時將測試成本降低至原來的1/4。

5 結論

本文研制的基于1553B總線的多通道測控系統可以取代傳統的測試方法，用于產品的驗收工作，可大大縮減產品驗收時間，其多通道設計可成倍縮短環境試驗時長，有效提高試驗效率，降低人工成本和環境試驗臺的占用成本。由于此方法的諸多優點，可以將測試儀推廣到CAN、RS422等其他總線的測試儀的研制。研發過程中發現，模擬電纜的抗干擾能力太差，測試儀獲取的模擬數據失真較大，必須通過大量濾波進行處理，為了使測試儀測量結果更能真實反映被測產品的特性，提高模擬電纜的抗干擾能力是亟待解決的問題。