某發(fā)控設備一體化自動化測試系統(tǒng)研究

楊 幸，龔 琦，范文晶，孫海濤，朱玉龍，侯如非

（上海機電工程研究所，上海 201109）

0 引言

發(fā)控設備是導彈武器系統(tǒng)的重要組成部分，其任務是接收上級系統(tǒng)命令，在發(fā)射陣地實施發(fā)射任務［1］，發(fā)控設備在導彈武器系統(tǒng)整體作戰(zhàn)任務中起著決定性的作用［2］。

發(fā)控設備主要功能包括流程控制、時序管理、為負載提供供電及點火用電［3］。在研制調試、交付驗收、試驗保障等環(huán)節(jié)也主要對上述功能及相應性能指標進行驗證和考核。

目前，發(fā)控設備在測試過程中所使用的測試設備一體化程度低、測試方法自動化程度低，嚴重影響了發(fā)控設備的測試效率和測試質量［4］。隨著智能技術的快速發(fā)展，快速、準確、高效地完成測試過程、達到測試效率和測試質量的雙提升，已成為發(fā)控設備測試系統(tǒng)發(fā)展的方向，開展一體化、自動化程度高的測試系統(tǒng)的研究具有重要意義［5］。本文以某發(fā)控設備為例，闡述其一體化自動化測試系統(tǒng)的設計方法和實現(xiàn)途徑。

1 總體設計

當前，發(fā)控設備現(xiàn)行的測試方法主要為：使用上位機模擬器模擬上級系統(tǒng)發(fā)送指令從而完成發(fā)控設備流程控制及時序管理功能的測試，使用負載故障模擬工裝進行發(fā)控設備故障處理邏輯的測試；使用供電／點火測試工裝連接負載模擬器測試接口，外接電子負載設備進行供電指標測試，外接筆錄儀進行點火電流指標測試；使用時序錄取工裝、總線傳輸設備和總線數(shù)據(jù)解析設備進行時序錄取，錄取結果手動記錄，并通過人工解析判讀進而完成時序測試。發(fā)控設備按照上述步驟完成一個通道的測試后，需重復上述操作步驟逐一完成所有通道的測試。發(fā)控設備現(xiàn)有測試方法如圖1所示。

圖1 某發(fā)控設備現(xiàn)有測試方法

發(fā)控設備現(xiàn)有的測試方法：不同的測試項目配置不同種類的測試設備，整個測試過程所用測試設備種類繁多，測試流程繁瑣，且人工記錄和判讀測試結果，測試效率較低。測試設備一體化程度低、測試方法自動化程度低，嚴重影響了發(fā)控設備的測試效率和測試質量，且造成了人力、物力、時間上的耗費［6］。因此，開展用于發(fā)控設備測試用的一體化、自動化程度高的測試系統(tǒng)的研究具有重要的現(xiàn)實意義和實際價值［7］。

某發(fā)控設備一體化自動化測試系統(tǒng)對標發(fā)控設備功能性能的測試需求，需完成：流程控制功能測試、時序管理功能測試、為負載提供供電及點火用電指標測試。且確保功能性能測試覆蓋性的同時，旨在優(yōu)化現(xiàn)有的發(fā)控設備測試手段和測試工具［8］，最終提升發(fā)控設備的測試效率和測試質量。

該一體化自動化測試系統(tǒng)的總體設計方案采用 “測控計算機（TCC）＋負載模擬單元”的架構。TCC 作為發(fā)控設備的上位機，負載模擬單元作為發(fā)控設備的下位機，與發(fā)控設備構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。采用TCC 替代現(xiàn)有的單一的上位機模擬器，確保完成流程控制測試及時序管理功能的測試之外，將時序的自動錄取、解析、顯示、生成報告進行整合實現(xiàn)，提升上位機集成化及自動化水平；將負載故障模擬、加載（輕載和滿載）／去載模擬功能進行整合，將目前散落且功能獨立的測試設備進行一體化設計，提升負載模擬功能的集成度。一體化硬件平臺以及自動化軟件測試是該測試系統(tǒng)的總體設計思路。

TCC采用便攜式加固機，運行有上級系統(tǒng)模擬軟件和綜合顯示軟件。TCC 通過上級系統(tǒng)模擬軟件控制發(fā)控設備執(zhí)行所需任務，并顯示發(fā)控設備BIT 信息及執(zhí)行結果信息；綜合顯示軟件將負載模擬單元采集并反饋的時序信息、供電電壓、點火電流信息實時顯示、將測試結果自動存儲、自動生成測試報告。

負載模擬單元由通道測試儀和負載模擬設備組成，通道測試儀運行有單通道控制軟件和數(shù)據(jù)采集處理軟件。通道測試儀具備和實裝負載同一的電氣接口和數(shù)字接口。通道測試儀將采樣到的信息通過CAN 總線上傳至TCC。通道測試儀通過測試接口連接負載模擬設備，可同時進行兩個測試通道的加載（輕載和滿載）和去載功能。該測試系統(tǒng)中負載模擬單元設計為可同時模擬兩個通道的負載，解決實際功能測試需求提升了測試效率，也提升硬件設計的一體化和集成度水平。

某發(fā)控設備一體化自動化測試系統(tǒng)總體設計如圖2所示。

圖2 該測試系統(tǒng)總體設計

2 硬件設計

2.1 TCC

TCC是該測試系統(tǒng)的控制核心，采用便攜式加固機［9］，除了標準配置外，擴展了兩個PCI槽，用于安裝PCI-CAN卡和PCI-138I串口卡，保證現(xiàn)有功能測試需求的同時，也為后續(xù)進行功能擴展提供了硬件基礎。TCC 安裝Windows 7操作系統(tǒng)，安裝Visual Studio 2010和Visual C6.0集成開發(fā)環(huán)境［10］，用于軟件的開發(fā)、調試和運行。

2.2 負載模擬單元

負載模擬單元包括通道測試儀和負載模擬設備。通道測試儀用于模擬發(fā)控設備的外部負載，作為發(fā)控設備的下位機，與發(fā)控設備構成閉環(huán)控制系統(tǒng)，檢驗發(fā)控設備的電氣性能及流程控制的正確性；通過外接負載模擬設備可以測試發(fā)控設備供電及點火性能指標。

2.2.1 通道測試儀

通道測試儀模擬兩個通道負載的電氣和數(shù)字接口，通過串口通訊與發(fā)控設備完成數(shù)字信息交互［11］，接收發(fā)控設備的各項指令，模擬相應的數(shù)字信號返回，接收發(fā)控設備的供電和點火指令，模擬相應的電氣信號返回；通過面板信號指示燈指示各信號狀態(tài)；通過面板故障設置開關模擬多種故障類型；自動進行時序錄取并通過CAN 通信將時序結果上傳至TCC顯示和保存；采集發(fā)控設備的供電電壓和點火電流并通過前面板顯示屏顯示；后面板負載接口外接負載模擬設備，用于對供電、點火信號進行加載測試；后面板測試接線柱用于供電、點火信號進行手動測試以及通過該端口外部接入負載。

通道測試儀硬件由開關電源板、單通道板、數(shù)據(jù)采集和處理板、母板、前面板、后面板。通道測試儀原理如圖3所示。

1）開關電源板設計：采用AC220V 市電供電，通過AC／DC、DC／DC電源模塊轉換為直流電壓，供設備內部板卡和電路使用［12］。

2）單通道板設計：單通道板采用TMS320F28335作為主控CPU，模擬一個實裝負載的電氣接口、通訊接口、工作時序、故障設置、信號狀態(tài)顯示。通道測試儀設計為兩塊單通道板從而模擬兩個實裝負載通道的功能，用以提升設備的集成度。單通道板硬件主要包括：串口通信模塊、輸入信號檢測模塊、繼電器返回信號模塊、故障信號采集模塊、指示燈驅動模塊。串口通信模塊用于實現(xiàn)和發(fā)控設備的串口通信；輸入信號檢測模塊用于實現(xiàn)發(fā)控設備發(fā)送的電氣信號的采集，并通過繼電器返回信號模塊將執(zhí)行結果反饋給發(fā)控設備；故障信號采集模塊用于采集前面板的故障設置撥動開關的狀態(tài)，根據(jù)面板設置進行對應故障模擬和狀態(tài)反饋；信號狀態(tài)顯示模塊用于將軟件中各個執(zhí)行過程的狀態(tài)實時控制面板點燈。

3）數(shù)據(jù)采集和處理板設計：數(shù)據(jù)采集和處理板采用TMS320F28335作為主控CPU［13］，用于實現(xiàn)兩個通道的供電電壓采樣、點火電流采樣、時序錄取，與人機界面交互。

數(shù)據(jù)采集和處理板配置的CAN 通信電路用于將時序錄取的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絋CC進行顯示和數(shù)據(jù)保存。

4）前面板：前面板由電源開關按鈕、故障設置撥動開關、狀態(tài)指示燈、人機界面、手動測試接口組成。人機界面可完成兩通道供電電壓、點火電壓（流）參數(shù)的顯示。前面板保留有手動測試接口，用于通道供電電壓、點火電壓（流）的手動測試，可用于校核軟件采集電壓、電流數(shù)據(jù)的準確性。

5）后面板：后面板由市電輸入插座、2個通道的負載接口插座、時序錄取接口插座組成。

通道測試儀各板卡的安裝以及信號互通均由母板實現(xiàn)。

2.2.2 負載模擬設備

負載模擬設備完成2個通道負載的加載（包括：輕載和滿載）和去載。負載模擬設備原理如圖4所示。

圖4 負載模擬設備原理圖

負載模擬設備由開關電源模塊、負載控制模塊、負載電阻、開關按鈕、顯示屏組成。

1）開關電源模塊設計：采用AC220V 市電供電，通過AC／DC、DC／DC電源模塊進行電壓轉換為直流電供給負載控制模塊工作使用。

2）負載控制模塊設計：用于恒流負載控制，采用TMS320F28335作為主控CPU［14］，外擴電壓采樣模塊、電流采樣模塊、恒流控制／過流保護電路。電壓采樣模塊、電流采樣模塊用于采集被加載電源的電壓、電流信息，以采集到的電流數(shù)據(jù)作為實時控制數(shù)據(jù)，控制恒流控制／過流保護電路工作，當電流出現(xiàn)過流時過流保護電路啟動，切換負載回路，從而起到安全保護作用。

3）負載電阻：負載電阻作為負載模擬設備的主要負載部件，承擔功率消耗功能［15］。負載電阻根據(jù)實際負載的特性進行匹配選擇。

4）開關按鈕：負載模擬設備面板配置負載電流設置按鈕和狀態(tài)指示燈，當供電電源接入時，供電指示燈亮；當供電負載加載時，供電指示燈閃亮，對應的加載開關面板指示燈點亮。

5）顯示屏：顯示屏用于顯示負載模擬設備的工作狀態(tài)參數(shù)，包括被加載電壓、加載電流信息。通過加載／去載開關控制負載是否進行加載。

負載模擬設備采用通用化和組合化設計［16］，除了滿足本發(fā)控設備的測試需求外，經(jīng)調校在一定程度上可作為通用的電子負載設備使用，具有良好的普適性，應用場景更為廣泛。

2.2.3 綜合機柜

綜合機柜為TCC、負載模擬單元（通道檢測儀、負載模擬設備）提供統(tǒng)一的安裝平臺，機柜內各個設備均可按需單獨取出使用，使用靈活操作便捷。各設備采用全加固設計及三防加固措施，提高抵抗振動沖擊的能力［17］。機柜內安裝網(wǎng)絡交換機，用于對外網(wǎng)絡通信。機柜附件包含有電源排插、接地電纜。機柜頂部設計4個吊環(huán)，可以通過吊環(huán)起吊機柜。機柜底部配置有輪子，運輸和搬運方便。固定使用時，輪子可鎖定。

3 軟件設計

針對不同的功能開發(fā)了相應的軟件模塊，完成對該發(fā)控設備的流程控制功能測試、時序管理功能測試、為負載提供供電及點火用電指標測試等功能。

上級系統(tǒng)模擬軟件以及綜合顯示軟件運行于TCC。單通道控制軟件和數(shù)據(jù)采集處理軟件運行于負載模擬單元通道測試儀。

該測試系統(tǒng)軟件功能見表1。

3.1 上級系統(tǒng)模擬軟件

上級系統(tǒng)模擬軟件采用面向對象的編程思想，使用微軟基礎類庫（MFC）進行軟件界面開發(fā)，多線程任務調度確保和實裝產品控制時序的一致性［18］，軟件界面包括指令控制區(qū)、發(fā)控設備BIT 狀態(tài)顯示區(qū)、發(fā)控設備指令執(zhí)行結果顯示區(qū)。

上級系統(tǒng)模擬軟件開機后，與該發(fā)控設備建立SOCKET通信，將所接收的發(fā)控設備的心跳報文中的設備BIT 信息在軟件界面的BIT 狀態(tài)顯示區(qū)進行顯示，在軟件界面的指令控制區(qū)通過人機交互進行控制指令下發(fā)，接收發(fā)控設備的執(zhí)行結果在指令結果顯示區(qū)進行顯示。

上級系統(tǒng)模擬軟件工作流程如圖5所示。

圖5 上級系統(tǒng)模擬軟件工作流程圖

3.2 綜合顯示軟件

綜合顯示軟件使用C＃開發(fā)，具備人機交互界面［19］。綜合顯示軟件設置有系統(tǒng)登陸界面，手動輸入產品及測試人員信息后，方可登陸系統(tǒng)進行測試，從而確保測試數(shù)據(jù)操作和訪問的安全性。界面登陸成功后，綜合顯示軟件與負載模擬單元建立CAN 通信，接收通過通道測試儀CAN總線發(fā)送的供電電壓、點火電流信息、工作時序信息，并自動繪制時序曲線，自動保存測試結果并存盤。目前，綜合顯示軟件的設計按照可同時顯示并保存四個通道的時序和電壓電流結果。由于軟件采用的是模塊化設計，也可根據(jù)實際使用需要進行通道擴展。

綜合顯示軟件工作流程如圖6所示。

3.3 單通道控制軟件

負載模擬單元通道測試儀包括單通道控制軟件和數(shù)據(jù)采集處理軟件，均采用CCS進行開發(fā)［20］。

單通道控制軟件模擬單一通道實裝負載和發(fā)控設備的交互流程，軟件模塊包括初始化模塊、串口通信模塊、硬件信號檢測模塊、反饋信號模塊、故障檢測處理模塊組成。

軟件開機初始化完成后，與發(fā)控設備開通串口通信，接收發(fā)控設備的串口數(shù)字信息并反饋執(zhí)行結果；單通道控制軟件實時采集通道測試儀單通道板硬件IO 狀態(tài)及前面板的故障開關狀態(tài)，進行硬件IO 端口回線設置，供發(fā)控設備進行信息采集，從而完成對單一通道實裝負載的工作流程模擬以及故障模擬。

單通道控制軟件工作流程如圖7所示。

3.4 數(shù)據(jù)錄取和采集軟件

數(shù)據(jù)錄取和采集軟件完成通道測試儀兩通道的時序采樣和供電電壓點火電流采樣，并將數(shù)據(jù)在通道測試儀界面顯示。通道測試儀將上述采樣結果通過CAN 總線同步傳送至TCC，TCC的綜合顯示軟件接收到數(shù)據(jù)后按照其流程進行數(shù)據(jù)的實時顯示和自動存儲。

4 驗證與分析

該測試系統(tǒng)各組成設備放置于綜合機柜內，綜合機柜內設備排布以及正視圖和后視圖如圖8所示。根據(jù)實際測試需求，機柜內配置了一臺TCC 及兩套負載模擬單元（其中兩套負載模擬單元包含了兩臺通道測試儀和兩臺負載模擬設備），可同時完成四個通道的實時測試。

圖8 測試系統(tǒng)實物圖

該測試系統(tǒng)與發(fā)控設備之間、測試系統(tǒng)內各設備之間通過電纜進行電氣接口連接，該測試系統(tǒng)的電氣連接接口位于各設備后面板。所有設備物理連接到位后對各設備上電開機，各設備電源指示燈處于點亮狀態(tài)。打開測控計算機（TCC）運行綜合顯示軟件，在綜合顯示軟件首界面輸入產品信息以及個人信息后進入信息顯示界面。首界面以及登陸成功后信息顯示界面如圖9所示。

圖9 綜合顯示軟件登陸

在TCC 上打開上級系統(tǒng)模擬軟件，上級系統(tǒng)模擬軟件和發(fā)控設備的網(wǎng)絡通信建立成功后，界面可查看到發(fā)控設備的狀態(tài)信息以及負載模擬單元的模擬在位信息，在界面的命令控制區(qū)給發(fā)控設備發(fā)送控制命令控制發(fā)控設備進入不同的工作流程，在界面的狀態(tài)顯示區(qū)查看發(fā)控設備各工作流程的執(zhí)行結果以及負載的工作狀態(tài)信息，用以判斷發(fā)控設備的工作狀態(tài)以及軟件流程是否正確。

如圖10所示，上級系統(tǒng)模擬軟件對發(fā)控設備進行工作流程測試的過程中，數(shù)據(jù)錄取和采集軟件會將實時采集到的信息送至綜合顯示軟件，軟件界面跟隨工作流程的執(zhí)行實時繪制電壓電流以及時序結果，工作流程執(zhí)行完畢后，綜合顯示軟件將測試數(shù)據(jù)自動保存至txt文件中，該數(shù)據(jù)可以通過界面按鈕控件鏈接到文件存放路徑，txt文件命名均設計為帶有年、月、日、時、分、秒的時戳形式，方便存儲數(shù)據(jù)的查找。

圖10 測試數(shù)據(jù)顯示和保存

通道測試儀面板具備故障設置撥動開關，根據(jù)發(fā)控設備工作流程中可能出現(xiàn)的故障類型進行故障開關設置，用于模擬實裝負載所有可能出現(xiàn)的故障，進而對發(fā)控設備硬件以及發(fā)控設備各軟件進行全面的測試和驗證。負載故障形式包括采集故障開關狀態(tài)后通過硬件回線反饋的故障類型以及負載采集故障開關狀態(tài)后通過軟件模擬的故障類型，某故障開關撥動后，發(fā)控設備檢測負載的故障狀態(tài)并將故障檢測結果通過網(wǎng)絡傳送至上級系統(tǒng)模擬軟件，用以判斷發(fā)控設備故障診斷功能是否正常。

負載模擬設備可以對發(fā)控設備的供電體制進行全面的驗證，對發(fā)控設備對負載供電和點火的能力進行全面的測試和評估。

由一體化硬件平臺及自動化測試軟件構建的測試系統(tǒng)，解決了以往發(fā)控設備測試所面臨的工裝種類繁多、操作流程繁瑣、人工測試效率低、測試數(shù)據(jù)信息化程度低等問題，通過測試設備的一體化設計，負載模擬功能的集成化設計，顯著提升了發(fā)控設備測試的質量和效率。

5 設備校準

該測試系統(tǒng)負載模擬單元中的負載模擬設備具備對滿載和輕載工況下，進行電流加載、去載的功能。需要對負載模擬設備進行周期校準、維修后校準等校準工作。校準儀器包括：電橋、電流表、可調電源、測試導線。校準內容包括：設備開機檢查、供電負載檢查、滿載電流檢查、輕載電流檢查。該測試系統(tǒng)歷次使用、維護和維修、歷次校準結果都應詳實記錄。

6 結束語

本文重點闡述了某發(fā)控設備一體化自動化測試系統(tǒng)的總體設計、硬件和軟件的設計。該測試系統(tǒng)所采用的 “測控計算機＋負載模擬單元”的總體架構，所設計并實現(xiàn)的一體化硬件平臺及自動化測試軟件，在實裝環(huán)境下完成了功能和性能測試，測試結果表明其有效性，該測試系統(tǒng)滿足發(fā)控設備在研制調試、交付驗收、試驗保障等環(huán)節(jié)的使用需求。此外，該測試系統(tǒng)具備集成化及自動化程度高的顯著特點，由于設計過程中融入了模塊化、組合化、通用化的設計思想，使該測試系統(tǒng)中的某些設備具有一定程度的普適性。經(jīng)詳細設計和研制生產，該測試系統(tǒng)的研究獲得成功；經(jīng)使用驗證，該測試系統(tǒng)功能齊全，穩(wěn)定可靠，操作使用簡便。相比傳統(tǒng)的發(fā)控設備分立式測試設備，該測試系統(tǒng)的研制使得某發(fā)控設備的測試質量和效率得到了明顯優(yōu)化，對于提高測試質量和效率具有顯著意義和經(jīng)濟效益，也為測試系統(tǒng)類的研究提供了借鑒與參考價值。