基于PCIE總線的雙框架控制力矩陀螺控制器串行/并行自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉四海，吳 可，孫丹峰，周承豫，吳秋軒*

（1.杭州電子科技大學(xué)，杭州 310018；2.上海航天控制技術(shù)研究所，上海 200233；3.河南科技學(xué)院，新鄉(xiāng) 453003）

0 引言

DGCMG是航天器的重要姿態(tài)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)[1]，以輸出力矩大、精度高等特點(diǎn)，不僅應(yīng)用于高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、空間站、空間實(shí)驗(yàn)室等大型航天器[2]，而且還應(yīng)用于敏捷微小衛(wèi)星[3]。并且隨著我國(guó)航天事業(yè)的發(fā)展，DGCMG控制器測(cè)試任務(wù)越來(lái)越繁重[4]，因此設(shè)計(jì)出一種高精度、高穩(wěn)定性、高效率的DGCMG控制器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)很有必要。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)DGCMG控制器的測(cè)試能夠?qū)崿F(xiàn)的是，在人極少參與的情況下，測(cè)試系統(tǒng)可自動(dòng)對(duì)被測(cè)產(chǎn)品提供模擬測(cè)試環(huán)境和控制信號(hào)[5]，然后進(jìn)行測(cè)量，處理數(shù)據(jù)，最后以適當(dāng)方式顯示和輸出測(cè)試結(jié)果[6]。與傳統(tǒng)人工測(cè)試相比，自動(dòng)測(cè)試能提高測(cè)試效率和產(chǎn)品質(zhì)量[7]。但是當(dāng)前DGCMG控制器的測(cè)試設(shè)備不能滿足對(duì)多組被測(cè)產(chǎn)品并行測(cè)試的需求，另外當(dāng)用戶只對(duì)被測(cè)產(chǎn)品中的一項(xiàng)或者幾項(xiàng)指標(biāo)比較關(guān)心時(shí)，進(jìn)行全套項(xiàng)目測(cè)試就會(huì)出現(xiàn)冗余測(cè)試問(wèn)題。針對(duì)以上兩個(gè)問(wèn)題，本文提出如下解決方案。為滿足對(duì)多組被測(cè)產(chǎn)品并行測(cè)試的需求，測(cè)試系統(tǒng)在硬件上采用“一拖四”的電路結(jié)構(gòu)，從而為測(cè)試系統(tǒng)對(duì)四臺(tái)DGCMG控制器的并行測(cè)試提供硬件支持，另外在軟件設(shè)計(jì)上采用分時(shí)復(fù)用的思想和多線程的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)四臺(tái)被測(cè)DGCMG控制器的并行測(cè)試功能。為解決冗余測(cè)試問(wèn)題，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在軟件上增加自定義測(cè)試內(nèi)容功能，用戶可以自主選擇測(cè)試對(duì)象和測(cè)試項(xiàng)目。

為驗(yàn)證該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是否滿足測(cè)試需求，分別從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、精確性、測(cè)試效率方面進(jìn)行測(cè)試。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定且測(cè)試精度和效率較高。

1 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的需求分析

DGCMG控制器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)用于完成對(duì)DGCMG控制器的自動(dòng)化測(cè)試和可靠性篩選，識(shí)別DGCMG控制器的早期失效，為研制和生產(chǎn)提供保障。對(duì)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：

1）可完成對(duì)DGCMG控制器的各項(xiàng)功能測(cè)試如下：電源阻抗測(cè)試功能、電源電壓和FPGA工作狀態(tài)測(cè)試功能、RS422串口測(cè)試功能、內(nèi)外框電機(jī)模擬電流測(cè)試功能、內(nèi)外框軸承溫度模擬電阻輸出功能、外框碼盤位置和轉(zhuǎn)速測(cè)試功能、內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)試功能、內(nèi)外框電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)試功能。

2）可同時(shí)對(duì)四臺(tái)DGCMG控制器進(jìn)行并行測(cè)試。

3）可對(duì)四臺(tái)DGCMG控制器進(jìn)行自定義測(cè)試內(nèi)容的串行測(cè)試。

4）可對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和數(shù)據(jù)庫(kù)存檔。

2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框架

DGCMG控制器自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖1所示。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、PCIE總線模塊、電源組合模塊、儀器組合模塊、通道復(fù)用模塊、公共測(cè)試接口、測(cè)試適配器、軟件平臺(tái)組成。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)以PCIE總線儀器為核心，以主控計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)，由PCIE總線儀器模塊提供被測(cè)DGCMG控制器測(cè)試所需的主要測(cè)試和控制資源[8]，測(cè)試適配器對(duì)各個(gè)被測(cè)產(chǎn)品的專屬信號(hào)進(jìn)行調(diào)理并轉(zhuǎn)接成公共接口信號(hào)[9]，然后通過(guò)與公共測(cè)試接口的連接輸送到自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。主控計(jì)算機(jī)通過(guò)自動(dòng)測(cè)試軟件平臺(tái)控制測(cè)試設(shè)備的儀器資源和測(cè)試程序的執(zhí)行。

圖1 系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)四臺(tái)DGCMG控制器的并行測(cè)試和可自定義測(cè)試內(nèi)容的串行測(cè)試功能，該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在硬件方面采用“一拖四”的設(shè)計(jì)方案。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件平臺(tái)主要由主控計(jì)算機(jī)模塊、PCIE-1810數(shù)據(jù)采集卡、電源模塊、自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理箱、打印機(jī)以及相應(yīng)連接電纜組成。

圖2 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

主控計(jì)算機(jī)是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的控制核心，它通過(guò)PCIE標(biāo)準(zhǔn)總線接口實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試資源的控制，并完成對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的處理、顯示功能。供電電源包括+29V、+24V、+12V、+5V程控直流電壓源和-3A～3A程控直流電流源。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理箱主要用于接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制信息并向被測(cè)DGCMG控制器提供不同的模擬測(cè)試環(huán)境，同時(shí)將DGCMG控制器的狀態(tài)信息反饋給主控計(jì)算機(jī)。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)調(diào)理箱的內(nèi)部電路按摸塊可劃分為阻抗測(cè)試電路模塊、電源和FPGA工作狀態(tài)測(cè)試電路模塊、軸承溫度模擬電阻輸出電路模塊、內(nèi)外框電機(jī)模擬電流輸出電路模塊，外框碼盤位置和轉(zhuǎn)速測(cè)試電路模塊，內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)試電路模塊，內(nèi)外框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試電路模塊，RS422串口通訊測(cè)試電路模塊。限于篇幅，本文僅對(duì)內(nèi)外框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試電路模塊、內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)試電路模塊進(jìn)行介紹。

3.1 內(nèi)外框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試電路模塊

內(nèi)外框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試電路模塊用來(lái)采集四臺(tái)被測(cè)DGCMG控制器的內(nèi)框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)PUA、PUB、PUC、PDA、PDB、PDC和外框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)AH-GS、BHGS、CH-GS、AL-GS、BL-GS、CL-GS。為滿足上述測(cè)試要求，設(shè)計(jì)出一套該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)專用的內(nèi)外框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)采集電路。

最后，如果將“被”看成一個(gè)類詞綴就意味著“被XX”是一個(gè)詞，詞最小的可以獨(dú)立運(yùn)用的語(yǔ)言單位，不能再分的。而在“被XX”結(jié)構(gòu)中“被”和“XX”之間所隱匿的成分補(bǔ)出不會(huì)引起結(jié)構(gòu)意義發(fā)生改變[13]。

內(nèi)框電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓采集電路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。內(nèi)框電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓采集電路板由一塊母板和六塊子板組成。采用母板與子板配合的方式，方便前期調(diào)試和后期維修。子板主要由模擬信號(hào)選擇器MUX508芯片、輸入和輸出信號(hào)調(diào)理電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入信號(hào)的調(diào)理和選擇輸出功能。母板主要由電源電路、子板片選信號(hào)A0～A2的轉(zhuǎn)接電路、子板輸出信號(hào)OUT1～OUT6的轉(zhuǎn)接電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)子板供電、片選信號(hào)以及輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)接功能。下面以對(duì)四臺(tái)被測(cè)DGCMG控制器的內(nèi)框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采集為例來(lái)說(shuō)明內(nèi)外框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)測(cè)試模塊的測(cè)試原理，對(duì)外框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采集同理。

如圖3所示，四臺(tái)DGCMG控制器的內(nèi)框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)PUA1～PUA4分別接到第一塊子板的CH1～CH4通道上，四臺(tái)DGCMG控制器的內(nèi)框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)PUB、PUC、PDA、PDB、PDC按照這個(gè)方法依次接入剩余的五塊子板上，當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡向片選接口A0～A2輸出特定的片選信號(hào)并且選擇每塊子板的CH1通道信號(hào)輸出到端口OUT1～OUT6，則將第一臺(tái)DGCMG控制器的內(nèi)框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)PUA1～PDC1調(diào)理并輸出到端口OUT1～OUT6，進(jìn)而輸入數(shù)據(jù)采集卡。對(duì)其余三臺(tái)DGCMG控制器的內(nèi)框電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的采集同理。

圖3 內(nèi)框電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓采集電路結(jié)構(gòu)圖

3.2 內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)試模塊

內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)試模塊用來(lái)向四臺(tái)DGCMG控制器復(fù)用輸出一組三相霍爾信號(hào)HALLA、HALLB、HALLC，然后根據(jù)DGCMG控制器反饋的轉(zhuǎn)速值來(lái)判斷該被測(cè)產(chǎn)品的內(nèi)轉(zhuǎn)子測(cè)試是否合格。為滿足上述要求，該系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)系統(tǒng)和霍爾信號(hào)復(fù)用電路板的組合結(jié)構(gòu)，其中STM32單片機(jī)系統(tǒng)用來(lái)產(chǎn)生特定相位和頻率的三相霍爾控制信號(hào)，霍爾信號(hào)復(fù)用電路板是為了復(fù)用這組霍爾信號(hào)給四臺(tái)DGCMG控制器而設(shè)計(jì)的專用電路板。

內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)試電路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，霍爾信號(hào)復(fù)用板由一塊母板和三塊子板組成。子板主要由模擬信號(hào)復(fù)用器CD4051芯片、輸出信號(hào)調(diào)理電路組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)STM32單片機(jī)系統(tǒng)提供的三相霍爾信號(hào)的復(fù)用輸出以及對(duì)輸出信號(hào)的調(diào)理功能。母板主要由電源電路、子板片選信號(hào)B0～B2的轉(zhuǎn)接電路、子板輸入信號(hào)HALLA～HALLC的轉(zhuǎn)接電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)子板的供電、片選信號(hào)和輸入三相霍爾信號(hào)的轉(zhuǎn)接。下面以向四臺(tái)DGCMG控制器復(fù)用輸出三相霍爾信號(hào)為例來(lái)說(shuō)明內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)試模塊的電路原理。

如圖4所示，四臺(tái)DGCMG控制器的霍爾信號(hào)輸入端口HALLA1～HALLA4分別接到第一塊子板的CH1～CH4通道上，四臺(tái)DGCMG控制器的霍爾信號(hào)輸入端口HALLB、HALLC按照這個(gè)方法分別依次接入剩余的兩塊子板上，當(dāng)數(shù)據(jù)采集卡向片選接口B0～B2輸出特定的片選信號(hào)并且選擇每塊子板的CH1通道作為三相霍爾信號(hào)的復(fù)用輸出端口時(shí)，則將STM32單片機(jī)系統(tǒng)提供的三相霍爾信號(hào)HALLA～HALLC復(fù)用到第一臺(tái)DGCMG控制器的霍爾信號(hào)輸入端口HALLA1～HALLC1，然后判斷DGCMG控制器反饋的轉(zhuǎn)速值是否在誤差范圍內(nèi)。對(duì)其余三臺(tái)DGCMG控制器的內(nèi)轉(zhuǎn)子測(cè)速同理。

圖4 內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)試電路結(jié)構(gòu)圖

4 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件是在windows 7操作系統(tǒng)的支持下，采用NetBeans集成開(kāi)發(fā)平臺(tái)和JAVA語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，其數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)采用MySQL軟件。測(cè)試系統(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)測(cè)試需求設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)控界面。測(cè)控界面上列出了測(cè)試模式、各測(cè)試項(xiàng)目、測(cè)試對(duì)象等，可根據(jù)實(shí)際的測(cè)試需求進(jìn)行選擇，最后把測(cè)試結(jié)果以報(bào)表、數(shù)值、波形等方式顯示。整個(gè)測(cè)控界面體現(xiàn)了人性化的設(shè)計(jì)理念，界面友好、便于操作。

測(cè)試系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，為用戶提供一個(gè)集成化的測(cè)試環(huán)境，各個(gè)程序模塊在系統(tǒng)管理程序的管理下實(shí)現(xiàn)相互調(diào)用和連接，測(cè)試系統(tǒng)中的主要程序模塊是系統(tǒng)管理模塊、顯示界面模塊、自定義測(cè)試內(nèi)容的串行測(cè)試模塊、多組被測(cè)產(chǎn)品的并行測(cè)試模塊、測(cè)試功能模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)模塊、異常處理模塊、日志管理模塊。自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

4.1 可自定義測(cè)試內(nèi)容的串行測(cè)試模塊

該模塊程序主要實(shí)現(xiàn)自定義測(cè)試對(duì)象、測(cè)試項(xiàng)目的串行測(cè)試功能。從而防止出現(xiàn)測(cè)試冗余問(wèn)題，極大地提高了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性和實(shí)用性。自定義測(cè)試內(nèi)容的串行測(cè)試程序流程圖如圖6所示。連接自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)與被測(cè)產(chǎn)品之間的電纜后，用戶首先在測(cè)控界面上選擇“自定義測(cè)試內(nèi)容的串行測(cè)試模式”，然后對(duì)測(cè)試對(duì)象和測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行單項(xiàng)選擇或者多項(xiàng)選擇并開(kāi)始測(cè)試，最后生成測(cè)試結(jié)果報(bào)表。

圖6 自定義測(cè)試內(nèi)容的串行測(cè)試程序流程圖

4.2 多組被測(cè)產(chǎn)品并行測(cè)試模塊

該模塊程序主要應(yīng)用了分時(shí)復(fù)用的思想和多線程的功能并且在“一拖四”電路結(jié)構(gòu)的支持下實(shí)現(xiàn)了對(duì)四臺(tái)DGCMG控制器的并行測(cè)試功能。充分利用了自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件和軟件資源，極大地提高了系統(tǒng)的測(cè)試效率。首先將各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目耗費(fèi)的時(shí)間測(cè)量出來(lái)，然后測(cè)試系統(tǒng)另外創(chuàng)建出四個(gè)線程，這四個(gè)線程分別用于測(cè)試四臺(tái)DGCMG控制器并且需要保證同一時(shí)刻不能共用測(cè)試設(shè)備的硬件資源。因此根據(jù)各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目耗費(fèi)的時(shí)間對(duì)各個(gè)線程的任務(wù)分配甘特圖如表1所示。并且為了更加簡(jiǎn)明的表達(dá)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)四臺(tái)DGCMG控制器并行測(cè)試的邏輯關(guān)系，以下列數(shù)字代表不同的測(cè)試項(xiàng)目。

表1 測(cè)試系統(tǒng)對(duì)四臺(tái)DGCMG控制器并行測(cè)試甘特圖

1）電源阻抗測(cè)試；

2）電源電壓和FPGA工作狀態(tài)測(cè)試；

3）RS422串口通訊測(cè)試；

4）熱敏電阻測(cè)試；

5）內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速測(cè)試；

6）外框碼盤位置和轉(zhuǎn)速測(cè)試；

7）內(nèi)外框電機(jī)驅(qū)動(dòng)測(cè)試；

8）內(nèi)框電機(jī)模擬電流測(cè)試；

9）外框電機(jī)模擬電流測(cè)試；

10）生成測(cè)試結(jié)果報(bào)表。

5 系統(tǒng)測(cè)試

為了測(cè)試本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在對(duì)DGCMG控制器自動(dòng)檢測(cè)中的性能，分別從可靠性、精確性、測(cè)試效率方面進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)：

1）測(cè)試精度和效率實(shí)驗(yàn)

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)分別在并行測(cè)試模式和可自定義測(cè)試內(nèi)容的串行測(cè)試模式下對(duì)五組DGCMG控制器的全部測(cè)試項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試，每組測(cè)試四臺(tái)DGCMG控制器。并且分別統(tǒng)計(jì)在并行測(cè)試模式和可自定義測(cè)試內(nèi)容的串行測(cè)試模式下的每組測(cè)試時(shí)間和測(cè)試結(jié)果是否合格。測(cè)試結(jié)果如表2所示，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有高效率和高精度的特點(diǎn)。

表2 測(cè)試結(jié)果和測(cè)試時(shí)間統(tǒng)計(jì)

2）老練測(cè)試實(shí)驗(yàn)

在自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件中加入定時(shí)測(cè)試功能，使得自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)DGCMG控制器進(jìn)行48小時(shí)連續(xù)測(cè)試，并且監(jiān)控和記錄自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)在48小時(shí)的連續(xù)測(cè)試中運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)參數(shù)正常。因此本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)測(cè)試需求綜合分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于PCIE總線的DGCMG控制器串行/并行自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)在硬件上使用“一拖四”的結(jié)構(gòu)和在軟件上采用分時(shí)復(fù)用的思想和多線程的功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四臺(tái)被測(cè)DGCMG控制器的并行測(cè)試功能；通過(guò)設(shè)計(jì)可自定義測(cè)試內(nèi)容的串行測(cè)試解決了傳統(tǒng)的冗余測(cè)試問(wèn)題并提高了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性；通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)測(cè)試軟件提高了測(cè)試系統(tǒng)的靈活性。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以滿足對(duì)DGCMG控制器測(cè)試的高質(zhì)量、高效率、高可靠性的要求，為下一步的研制和生產(chǎn)提供保障。