基于虚拟仪器的雷达导引头通用自动测试系统

龚 明, 冯 云

(上海无线电设备研究所,上海200090)

0 引言

导弹导引头是导弹的核心部件,其性能直接决定导弹武器系统的战术技术指标,因此对导引头的准确快速测试至关重要。雷达导引头的测试除了通常电子设备的测控,还需要测试系统按照空间目标模拟理论模拟各种空间环境和目标特性。以往的雷达导引头自动测试系统基本为专用测试设备,随着研制的武器系统数量不断增加和导弹导引头性能、复杂度大幅提高,需要测试的主要技术指标也越来越多,对测试系统的模块化、系列化和标准化的要求越加迫切,研发雷达导引头通用自动测试系统(General Purpose ATS,以下简称通用测试系统)已是当务之急[1]。

本测试系统采用虚拟仪器(Virtual Instruments,简称VI)技术,利用计算机软件的强大功能结合相应的硬件,完成不同型号导弹雷达导引头测试,实现了多功能微波信号源、仪器级互换等难点。该通用测试系统容易扩展,不同用户可根据各自的测试需求,在硬件平台上完成测试资源配置、接口测试适配器(Interface Test Adapter,简称ITA)设计,在软件平台上完成测试程序开发,这样通用测试系统的研制人员不必掌握过多的专业测试技术,就可以方便、快速地开发出不同需求的自动测试系统。

1 通用自动测试系统发展趋势

随着测试仪器和计算机技术的发展,自动测试系统技术得到了迅速的发展。从上世纪80年代开始,以美国为代表的西方主要发达国家投入了可观的人力、物力致力于ATS的通用化工作,成功的推出了不少系统投入使用[2]。早期的通用测试系统虽然已采用了通用的软、硬件平台及核心测试结构的研制策略,仍不能适应现代战争多兵种联合作战对多武器系统、多级维护的需要。为了进一步降低军用自动测试系统的总成本,并通过实现自动测试系统的互操作功能来改进后勤维修灵活性,美国国防部自动测试系统研究、开发和集成工作组(API)开展了下一代自动测试系统的体系结构NxTestATS的研究工作,以达到改善测试系统仪器互换性,实现测试程序集(TPS)可移植和互操作,扩大自动测试系统应用范围,降低系统全生命周期费用等目标。

在国内,由于众多的需求推动,自动测试系统技术也有极大发展,目前正处于从专用自动测试系统向通用自动测试系统的转变过程中。在通用测试系统技术方面,按照模块化、系列化和标准化的要求,在一定范围通用的各类自动测试系统正陆续推出,但仪器互换性等关键技术的研究还不够完善。

2 通用测试系统设计

通用测试系统体系结构采用开放的模块化结构,并遵循通用化、系列化和组合化的原则,充分考虑系统的可扩展性。图1所示为通用测试系统的组成框图。

图1 通用测试系统组成框图

通用测试系统由通用自动测试设备(以下简称通用测试设备)和测试程序集组成,测试程序集包括测试程序(TP)、ITA和测试程序集文档。通用测试系统采用PXI(PCI ex tension for Instrumentation)总线的虚拟仪器平台,包括激励模块、信号采集模块、数字逻辑模块、开关矩阵模块、万用表模块以及仪器控制模块等,可以根据装备中不同的雷达导引头各类待测信号特点增减PXI模块和相应的通用接口(General Purpose Interface,简称GPI)模块,设计专用的ITA,对ITA中的信号调理模块进行系列化设计,实现测试信号的转接,以完成不同雷达导引头的性能检测,提高系统的通用性和可扩展性。

2.1 通用测试设备硬件平台

通用测试设备的硬件组成框图,如图2所示。

图2 通用测试系统硬件组成框图

图2中,通用测试设备由PXI测试系统、GPI、ITA、路由器、程控电源和雷达导引头模拟信号源组成。通用测试系统采用 PXI总线和LXI(LAN extension for Instrument)总线融合的混合系统,充分发挥各总线和平台的优势,透明地识别并利用一个开放的、多厂商支持的计算机平台来实现I/O的连接。整套系统由两个减震便携机柜组成,雷达导引头模拟信号源装于一个机柜,其余设备装于另一个机柜,方便设备机动转场、运输。

2.2 PXI测试系统

PXI总线为PCI总线在仪器领域的扩展,是美国NI公司于1997年发布的一种新的开放式、模块化仪器总线规范,其核心是 CompactPCI结构和M icrosoftW indow s软件。PXI是在PCI内核技术上增加了成熟的技术规范和要求形成的。PXI增加了用于多板同步的触发总线和参考时钟、用于精确定时的星形触发总线、以及用于相邻模块间高速通信的局部总线等,来满足试验和测量用户的要求。

PXI兼容CompactPCI机械规范,并增加了主动冷却、环境测试(温度、湿度、振动和冲击试验)等要求,提高系统可靠性。对PXI测试系统,最具优势的是由超过800个供应商供应的PCI占主导的台式 PC市场,从而产生大量的基于PCI的硬件驱动程序操作系统与应用程序,所有这些都可以有效的应用在PXI系统中,并且相对于PCI,极大的提高了系统可靠性。

由于被测的雷达导引头具有系统复杂、需同时检测的模拟信号多、输出多为渐变信号的特点,考虑效费比,PXI测试系统没有采用矩阵加同步采集模式,而是采用了多路数据采集加万用表扫描的方式。

PXI测试系统中,PXI控制器选用NI公司最新的嵌入式控制器PXI-8108,使用Core 2Duo 2.53GHz双核处理器,搭配NI的PXI-1044机箱,均选用宽温型号,提高系统可靠性。数据采集卡选用NI的PXI-6255,具有80通道、16位分辨率、最高1.25 M采样率模拟输入,10MHz高速数字IO,双通道、2.8 M 速率模拟输出。开关卡选用NI的 PXI-2575,为 100 VDC/AC,1 A 容量,196x1、1线或98x1、2线多路复用,140 Hz/s最大切换速度的多路复用器,搭配N I的6位半精度PXI-4070万用表卡。PXI测试系统采用DAQ(Data AcQuisition)数据采集系统和万用表与多路复用器的组合,更加充分地利用计算机的资源,可方便快速的组建基于计算机的虚拟仪器,大大增加了测试系统的灵活性和扩展性,实现“一机多型”和“一机多用”。

2.3 通用测试系统软件平台

通用测试系统选用的是基于虚拟仪器的DAQ系统,虚拟仪器系统核心是软件技术,应用软件开发环境选择是否恰当与虚拟仪器系统的功能是否容易实现有密切的关系。系统采用N I公司推出的主要面向计算机测控领域的图形化虚拟仪器软件开发平台LabVIEW,该软件具有界面设计直观、灵活,各种函数、驱动丰富,便于快速构建,数据库方面操作简单等特点[3]。

通用测试系统软件的开发采用自顶向下的程序设计方法,符合通用化、系列化、模块化的设计原则,满足软件可重用性、仪器可互换性、功能扩展性等要求。图3所示为系统的软件结构框图[4]。

测试软件结构采用分层、模块化结构,通过对测试需求的分析,将软件分为主控层和测试功能层。主控层由主控软件模块作为构件元素,测试功能层由测试功能软件模块作为构件元素,主控层与测试功能层模块间通过通信接口实现交互。主控模块调用测试功能模块进行测试,测试功能模块测试任务完成后通知主控模块接收测试结果数据,数据包含本数据的属性信息,主控模块根据数据的属性信息查询测试对象信息数据库,然后将测试结果整理、判断后存入测试结果信息库。这种软件结构有利于开发工作的分工协作,同时易于软件维护和系统的扩展和升级。

由于采用了LabV IEW作为软件开发平台,利用内置的丰富工具包,如数据库工具、IVI驱动库、微软文档报告生成器和网络工具等,可以方便快速的编写好数据库、报告输出、LXI总线TCP/IP协议和仪器驱动等程序集,提高编程人员的效率,便于工程技术人员将更多的精力关注在测试方案的解决上,而忽略软件技术的细节实现。

3 系统通用性研究

3.1 雷达导引头模拟信号源

通用测试系统中的雷达导引头模拟信号源能模拟直波和回波能量大小、回波多普勒特性,并具有模拟复杂的现场环境干扰能力,用于检验导弹中雷达导引头的作战能力及相关重要指标。不同的雷达导引头需要不同频率、不同性能的导引头模拟信号源,而且通常导引头模拟信号源需要模拟高质量的微波信号。通用测试系统使用合成仪器(Synthetic Instruments)的技术来设计雷达导引头模拟信号源,用较小的成本实现了高性能的模拟信号源。

合成仪器就是一个可重复配置的系统,能够通过标准接口连接一系列硬件单元和软件组件,使用各种数字处理技术进行信号生成或测量工作[5]。合成仪器是基于软件的系统,是虚拟仪器的一个子集。图4为雷达导引头模拟信号源的组成框图。

图4 雷达导引头模拟信号源组成框图

图4中,中频信号源为一个2GHz带宽的高质量通用信号源,干扰调制器中的控制器可以将通过LXI总线传送过来的数据送入调制信号源中,生成各种模拟的干扰调制信号。通过软件重置调制信号源或者更换相应干扰调制器与上变频模块,导引头模拟信号源即能满足不同型号导弹雷达导引头测试需要。通过合成仪器在导引头模拟信号源中的应用,有效的增加了测试系统的功能和灵活性,降低了开发成本,延长产品生命周期,满足通用化设计标准。

3.2 LXI总线

通用测试系统中的程控电源和雷达导引头模拟信号源需要PXI测试系统进行远程控制,考虑几种不同程控总线特点,选择LX I总线作为系统的程控总线。

LX I总线是LAN局域网技术在仪器领域的扩展,融合了以太网的高速吞吐率,在独立LAN仪器中加入了一些附加特性,比如标准HTM L配置页面和多种实现LAN仪器的最佳实例,比之GPIB总线的低速和USB总线的短距传输有着极大的优势。LXI总线特别适用于分布式应用,可借助于现有的LAN网络将多个处理单元完美地相连,并对等的进行通信,较好的实现了程控设备的模块化和通用化。LXI分为三类:

a)类别C:具有通过LAN的编程控制能力,能够与其他厂家的仪器协同工作;

b)类别B:拥有C类的一切能力,并支持IEEE1588精确时间协议同步;

c)类别A:拥有B类的一切能力,同时具备触发总线硬件触发机制。

由于导弹导引头测试对程控电源和雷达导引头模拟信号源的触发和时间控制要求不高,另外考虑市场产品丰富程度和成本因素,通用测试系统选用了LXI总线C类标准,即通用LAN总线的编程控制能力。针对已有的不同导弹雷达导引头测试中需要更换的电源和信号源模块其它程控接口,选择LXI总线C类标准也可以用较小的成本直接利用市场中资源较多的以太网接口转换器或者自己开发,较好的满足测试系统的通用性。

3.3 通用测试接口

通用测试接口GPI实现测试仪器与 UUT(Unit Under Test)的电气、机械连接,集中管理全系统的测试信号的输入和输出,对外连接采用接口测试适配器ITA结构形式。GPI应具有良好的电磁兼容、抗干扰、阻抗匹配和信号传输能力,能提供ITA连接紧固、装卸方便的能力。应根据应用环境和使用要求选择具有较高接触性能和可靠性的GPI结构部件和连接器,并根据测量对象的不同,设计不同的ITA。

为了实现测试系统的通用化,GPI需要遵循一定的标准或行业通用的接口连接规范。通用测试系统采用了VPC公司的90系列接口连接器,并制定了详细的工程规范。根据通用系统硬件资源定义小功率低频信号模块、大功率电源模块、数字逻辑模块、开关模块等在连接器中的位置和每一个模块上插钉的信号,并预留了一定可以扩充的模块位置,因此可以覆盖不同型号导弹雷达导引头测试的信号接口类型,满足通用性要求[6]。由于通用测试设备中的导引头模拟信号源和GPI不在同一个测试机柜,考虑系统可靠性,通用测试系统中的导引头模拟信号源微波电缆是直接连接UUT的,并不通过GPI。

3.4 IVI驱动

为了实现通用测试系统中仪器的互换性、互操作性以及软件的可移植性,系统中各程控仪器驱动都依据IVI体系结构制作。每次替换仪器,只需要在IVI配置文件中指明新的驱动程序即可,原系统测试软件不需作任何改动。

IVI驱动程序规范由IVI基金会制定。IVI规范详细定义了仪器驱动程序的内部设计模型与外部接口模型,规定了虚拟仪器驱动程序的设计要求及与系统中其他程序模块之间的相互关系、仪器的可互换性、仿真和状态缓存等。IVI规范对仪器进行了分类,每一类仪器具有统一的基本功能,同时定义了扩展功能,并支持仪器特定的功能调用,应用程序中对仪器的控制操作调用类驱动程序,类驱动程序通过IV I引擎和配置信息调用具体仪器驱动程序来控制实际的仪器。因此,测试系统的具体仪器改变,只需要改变配置信息,不用修改应用程序。

按照提供给用户的接口形式的不同,IVI驱动程序分为:C语言驱动程序和COM驱动程序。目前最普遍使用的是C语言驱动程序,其最方便、快捷的开发环境是NI公司的LabW indow s/CV I,因为它包含了许多创建仪器驱动程序的开发、测试工具,如 IV I仪器驱动程序开发向导等[7]。通过 LabWindow s/CVI开发的 IVI仪器驱动程序可以很方便地被LabVIEW程序调用,保证了测试设备的通用性要求。

4 结束语

该通用测试系统满足了一定范围的通用性,

系统的TP开发技术、信息融合技术等还需要进一步的深入研究。为满足更多电子装备测试保障的新需求,制定相关通用ATS技术标准和规范,

大力开发可靠、先进、经济的通用自动测试系统势在必行。

[1] 舒悌翔.某雷达导引头通用自动测试设备的研制[J].宇航计测技术,2009.

[2] 李行善,左毅、孙杰.自动测试系统集成技术[M].北京:电子工业出版社,2004.

[3] 周亚,张艳.基于虚拟仪器的电路板测试系统[J].制导与引信,2009,30(1):56-60.

[4] 李戍,陈建辉,高凤岐.基于虚拟仪器的某型导弹发射装置自动测试系统的研制[J].微计算机信息,2005.5(21).

[5] 方葛丰,黄珍元,宋斌.合成仪器技术的发展及应用研究[J].计算机测量与控制,2008,16(5).

[6] 刘世军,杨瑞青.机载电子设备通用自动测试系统研究与实现[J].现代电子技术,2009,6(293).

[7] 李木飞,龚明.其于IVI模型的通用虚拟仪器驱动程序的开发[J].制导与引信,2009,30(4):33-37.