多通道自校準導彈飛控測試系統設計

胡建，韓登峰

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

隨著導彈智能技術的發展，導彈智能飛行控制系統具有惡劣環境自適應能力、智能再規劃能力、智能規避能力、跟蹤高機動目標能力、自修復能力和高彈性控制能力[1]。飛控測試系統用于飛控組件的環境應力篩選試驗（ESS）測試及仿真試驗，測試系統模擬使用環境給飛控系統發出控制指令及激勵信號，接收存儲飛控返回的工作狀態信息，實現飛控系統工作狀態的監控與分析[2]。

測試系統在內場、外場等多個場景中使用，由于工作條件、工況的影響，被控對象的參數可能變化，環境影響對系統造成干擾，多數干擾是隨機的[3]。飛控測試系統結構復雜、信號種類多，使用場景變化后測試精度可能發生變化，使用前必須校準。傳統解決方法是使用多個校準儀器對測試系統進行校準，效率低；校準頻次高，對校準設備資源的占用率高。設計具有自校準功能的測試系統可極大地提高測試系統對多場景應用的適應性，通過自校準技術，能夠自動對量測數據中的系統誤差進行識別、估計、補償和修正，從而提高狀態的估計精度[4-5]。自校準方法既能消除系統誤差，又能減小偶然誤差[6]。為了提高測試效率，測試系統必須具備多通道自動測試功能。

1 設計原則

智能化測控技術以計算機為核心，通過智能檢測與智能控制自動獲取信息，并利用人工智能、專家系統等技術實現檢測、監控、自診斷和自修復[7]。

自校準功能是利用測試系統自身資源，實現系統測試功能與測試精度的校準。對測試信號進行歸類，每類信號具有發送、接收電路，在測試接口端將發送、接收電路連通形成回路實現通道自校準。校準信號的頻率、電壓幅值及采樣點均需覆蓋工作信號的范圍。

多通道功能是測試系統具備對多個被測件獨立的測試能力，因此需要多個測試接口，通過測控信號進行通道分時切換。需確保通道間的隔離要求、電磁兼容性要求、阻抗匹配要求和安全性要求，滿足高速、高同步性能要求[8]，從而實現測試系統多通道測試功能。

該測試系統包含以下幾類測試信號：1）ARIN C429 總線信號；2）LVDS 總線信號；3）模擬信號：電壓、電流信號，電壓信號頻率最大為10 kHz，信號幅值為±27 V；4）I/O 信號：輸入輸出開關量，信號特征為+27 V或+5 V的數字量。測試系統要求具備較為全面的硬件接口，具有良好的實時解算能力，操作維護方便，具有一定的擴展能力和通用要求[9]。該測試系統對外接口類型和數量多，數據速率快，因此對數據處理性能、實時性以及任務調度能力要求較高[10]。

2 硬件設計

2.1 系統結構功能

測試系統實現向被測產品加電、裝訂任務參數、與被測件信息交換、靜態電阻測試等功能。該系統包含測控單元、信號調理單元、切換單元、供電單元、數字萬用表和測試接口六部分，其硬件結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構圖

測控單元以PXI 總線工控機為核心，工控機通過多種測試接口板控制供電電源、信號調理單元、切換單元、數字萬用表等工作。在環境應力篩選試驗中，測控單元控制溫箱升溫、降溫、保溫及停止；測控單元控制振動臺起振、停振，實現多種設備協同工作、自動完成試驗。

A/D 板為32 路模擬信號輸入采集卡，A/D 板包含采集模塊和隔離模塊，數字隔離能夠減少噪聲干擾[11]。該板卡具有16 位分辨率、單通道最大采樣率為100 kSPS、具有1 024 采樣點輸入FIFO 緩存，其作用是與信號調理單元配合，采集被測件輸出的模擬信號。

D/A 板為16 路模擬信號輸出接口板，數模轉換作為信號源的核心，其轉換精度關系到系統的整體數據精度，決定整個系統能否達到應用要求的關鍵[12]。D/A 板具有16 位分辨率，輸出范圍為±10 V，與信號調理單元配合，產生模擬激勵信號及系統自檢所需模擬信號，在FPGA 的控制下實現多路模擬信號的輸出。

429 總線接口卡是以單片機為核心的智能化板卡，單片機采用32 位ARM 單片機LPC2214，負責429數據的發送、接收、格式轉換等；CPLD采用EPM3256A實現，其主要作用是進行單片機控制信號與協議芯片控制信號間的譯碼控制、時序變換；8 kB×16 位雙端口存儲器實現數據緩沖；429 總線通信協議發送、接收波特率在0～100 kHz 范圍內連續可調。

LVDS 接口卡和數字信號調理及切換單元，組合實現數字遙測信息接收、I/O 指令控制及多通道切換的功能，實現8 組共60 位數字量的I/O 控制。

模擬信號調理裝置實現被測件與測試設備部件信號間的電平轉換、量程變換、隔離等功能。

供電電源為被測產品可靠供電，并具有過壓、過流、欠壓保護功能。

數字萬用表對靜態電阻及電壓進行測試，電阻測試切換裝置能將被測件需要測試的多路電阻中的任意一路接入數字萬用表進行測量。

測試接口連接多發產品，并可通過測試接口進行設備自檢及校準。

2.2 多通道電路

使用繼電器網絡和FPGA 控制電路兩種方式實現對不同電氣特性信號的切換。

1）繼電器網絡

由于電子選通方式無法通過最高+27 V 的電壓，因此電源信號、I/O 信號、模擬量信號使用繼電器網絡切換，如圖2 所示；429 總線接口卡信號電壓為±5 V，也使用繼電器切換。

圖2 繼電器網絡

繼電器網絡保證了在任何時刻，信號只能連接至一個被測件，即使是在某個繼電器發生粘連故障的情況下，通過該繼電器網絡也不會出現兩個被測件同時接通的情況。

根據信號頻率、電壓等特性，采用相應的繼電器實現被測量信號的選通及切換。電源通道繼電器采用日本松下公司的20ATM 型EP 高容量斷路繼電器，其最大切換電流為20 A，最大切換電壓為400 V DC。信號通道采用日本松下公司的RA 高頻繼電器，該繼電器具有1 GHz 高頻特性，其觸點間插入損耗可達20 dB 以上。

2）FPGA 控制電路

由于FPGA 具有很強的并行處理能力和時序控制能力，因此被廣泛地應用于高速并行數據處理領域。使用FPGA 芯片控制的切換電路實現LVDS 信號的切換，如圖3 所示。

圖3 FPGA切換電路

LVDS 信號為低電壓差分信號，其電壓值較低，功耗相對小，傳輸距離短[13]。輸出的LVDS 信號經LVDS-TTL 轉換器件轉換，成為單端TTL 電平信號，送至FPGA；在選通信號控制下，只有被選中的信號被送至FPGA 輸出端，這些單端信號再經TTL-LVDS轉換器件電平轉換，重新變為LVDS 信號送至工控機中的LVDS 接口板。TTL-LVDS 轉換器件必須采用具有輸出控制的器件，以保證未選中的通道對產品的輸出為三態，避免對被測產品造成損壞。因測試數據量較大，對數據傳輸的準確度要求較高，LVDS-TTL 轉換器件電平轉換后的信號具有較強的抗干擾能力，提高了數據傳輸的可靠性[14]。LVDS-TTL 轉換器件采用SN75LVDS386，TTL-LVDS轉換器件采用SN75LVDS387，FPGA 選用Cyclone 系列的EP1C6 實現。

2.3 自校準電路

利用各類信號獨立的發送、接收電路，在測試接口端將發送及接收電路連接起來，通過自發自收實現各通道自校準，自校準示意圖如圖4 所示。

圖4 自校準示意圖

ARINC429 總線信號、LVDS 總線信號、I/O 信號為數字量信號，通過信號閉環處理，可實現通道功能及性能自校準。

模擬量信號的校準要求較高，零偏要求小于10 mV，需對零偏和放大系數進行校準，除了回路的整體精度滿足要求，還必須保證輸入量和輸出量的精度。因此模擬量自校準是將AD 電路輸出與DA 電路輸入在測試接口端連接形成回路，并同時將AD 電路輸出信號連接到高精度數字多用表進行測試，數字多用表測量精度可達0.015%DCV。輸入輸出接口需提供校準內部基準源接口和外接外部基準源接口。

3 軟件設計

測控系統軟件邏輯架構包含了多個獨立功能模塊，各模塊之間協同運行[15]。測控系統軟件實現計量測控、系統測控、綜合測控等功能[16]。該測試系統軟件包含驅動軟件、自校準軟件、測控軟件、儀器管理軟件和信息化軟件。

設備驅動程序是測試系統軟件訪問硬件的基礎。應用程序通過設備驅動程序訪問底層硬件；設備驅動程序采用WDM 架構，該驅動程序支持PnP 與電源管理功能，且能夠實現高效的I/O 操作，提高數據傳輸速率。

自校準軟件能夠對設備進行自檢校準，軟件預設校準參數，包括通道選擇、信號種類選擇、量值設置，啟動自檢程序后程序控制硬件自動對預設參數進行自檢，并顯示校準結果。模擬量AD/DA 通道校準結果判讀不合格，啟動自適應調整，根據校準結果控制調整零位調整電路或放大系數調整電路，自校準流程如圖5 所示。

圖5 自校準流程

測控軟件控制測試系統自動完成被測件的各項功能、性能測試，并能根據實時記錄的數據，對被測件性能進行深度分析。數據采集由計算機自動完成，大大提高了試驗效率。

儀器管理軟件的作用是對測試系統中的電源、數字多用表、供電控制裝置、溫箱及振動臺進行管理。對供電控制裝置進行過壓值、過流值、欠壓值等各種參數的設置，并能進行過壓、過流、欠壓報警；對電源的各種參數進行設置、并可將電源的輸出值顯示在工控機上；溫箱管理軟件對溫箱進行溫度控制管理；振動臺管理軟件實現振動臺的控制操作。

信息化軟件實現任務接收、數據存儲及信息上傳功能。在測試前測試設備主動向信息部門數據庫發出申請，從任務列表中選擇將要進行的測試任務；測試結束后按用戶要求，將測試數據自動生成檢測報表，并進行存盤、打印等操作；自動完成測試狀態與測試數據的信息化上傳。

4 測 試

使用自校準電纜在測試系統的測試接口端將信號輸入輸出連接起來，對各個通道、各種信號進行自校準，ARINC429 總線、LVDS 總線發送隨機數，I/O 發送“1”、“0”，模擬通道發送設定值。經測試，數字量平均測試誤碼率小于10-8，模擬量AD/DA 的零位誤差小于10 mV，工作電壓范圍內的誤差小于20 mV，自校準測試數據如表1 所示，測試結果滿足使用要求。

表1 AD/DA自校準數據

5 結束語

該導彈飛控測試系統采用多通道、自校準的設計思路，極大地提高了測試效率和環境適應性。采用繼電器網絡和FPGA 控制電路實現多種電氣特性的信號切換；利用測試系統自身資源，將信號發送電路與接收電路連接形成校準回路，程序控制自發自收與高精度儀器檢測相結合，實現各通道功能與性能的自校準；多個軟件模塊設計滿足了測試自動化、信息化的需求。通過安裝調試及大量的實驗表明，該測試系統工作可靠、高效、智能，滿足某型導彈飛控系統測試要求。