基于PXI总线的空间站对接机构自动测试系统硬件平台设计

陈 超

（火箭军士官学校，青州262500）

1 引言

随着神舟十一号飞船与天宫二号空间实验室自动对接成功，我国空间站建设任务已经圆满完成第二阶段的工作。在这一阶段中，对接机构单机的可靠运行是保证对接任务圆满完成的基础，因此在发射前期，对对接机构单机进行全方位的长时间测试、验证、分析和评估就显得尤为重要。然而国内的对接结构单机测试，大多数仍采用传统的手工串行测试手段，手工作业比重高，误差大，自动化程度低，测试时间长［1］，亟需一种综合化、自动化的并行测试平台来进行验收试验。通过自动化测试平台不仅可以进行人工难以执行的测试，减少人为的错误［2-3］，提高测试效率；还可以使测试人员更加专注于新的测试模块的建立和开发，从而提高测试覆盖率和测试精度［4］，保证产品进度，提高工作效率。

针对国内在自动化并行测试平台方面的研究空白，结合对接机构供电需求、信号指令需求、开关信号输入需求、模拟信号输入需求、遥测指令信号监测需求等，以优化利用系统资源、提高测试效能及测试质量，降低整个装备测试成本为研究目标，本文提出并搭建一套针对对接机构单机产品的基于PXI总线的自动测试系统硬件平台方案。

2 硬件平台总体设计

本文提出的硬件平台总体方案包括电源、PXI机箱、示波器、多路选择器板卡、多路开关模块、AD采集模块、DA输出模块、232通讯模块、遥控指令信号产生板卡、遥测指令信号监测板卡、0～10 K八路可调拉偏电阻板卡以及0～50 K模拟电位计板卡，还有适配电路板，如图1。

图1 硬件平台总体设计方案Fig.1 Overall design of hardware platform

2.1 PXI平台及其功能模块选型

考虑本系统涉及的信号种类大，精度、分辨率要求高，且要求实现自动测试、数据管理、存储、调度等功能，因此采用基于PXI总线的虚拟仪器测试平台（PXI平台详见文献［2］）实现，如图2所示。

图2 PXI平台Fig.2 PXI platform

2.2 智能仪器设备驱动函数开发

由于NI的PXI测试平台只提供Labview和Labwindows／CVI平台的完整接口函数［5］，而本文上层软件采用 Visual Studio 2013＋SQL Server 2012的综合测试平台，因此，有必要编写专用的仪器驱动。驱动函数库总体框架如图3所示。

图3 虚拟仪器设备驱动框架Fig.3 Overview of virtual instrument driver

2.3 遥控指令信号产生电路设计

遥控指令信号产生板卡以STM32F103ZE为微处理器实现核心控制逻［6］辑，采用UNL2803 A非门实现高低电平信号输出，通过RS232串口与上位机进行通信，接收上位机的控制指令使指定通道输出，共16路输出通道。电路原理如图4，实物如图5。

图4 遥控指令信号产生板卡原理Fig.4 diagram of generation of remote－control instruction signal by board card

图5 遥控指令信号产生模块电路板Fig.5 Circuit board of generation module of remote control instruction signal

单片机程序流程如图6。程序始终处于等待就位状态，直到收到上位机指令。收到指令后，程序立刻将指令反发给上位机，即告知上位机已成功接收指令。随后，对程序指令进行分解，提取出开闭信息、通道号以及脉冲宽度等信息，控制指定通道相应指令。

2.4 遥测指令信号监测电路设计

遥测指令信号监测模块以STM32F103ZE为微处理器实现核心控制逻辑，通过实时监测HCPL芯片输出管脚的电压状态进而监测由被测产品发出的遥测指令信号［7］，如图7，共可实现16路输出通道实时监测。通过RS232串口与上位机进行通信［8］，通过串口将遥测指令信号信息上传至上位机，进行显示。电路原理如图8，实物如图9。

2.5 模拟电位计电路设计

图6 遥控指令产生板卡硬件程序流程图Fig.6 Flow chart of hardware program in remote control instructions production board card

图7 基于HCPL芯片的信号监测原理Fig.7 Principle of signal monitoring based on HCPL chip

模拟电位计电路以STM32F103ZE为微处理器实现核心控制逻辑，通过RS232串口与上位机进行通信。整个电阻阵列由前后两部分组成，中间的触点为模拟电位计的输出点。两部分的机构完全相同，将不同的阻值的电阻串联起来，其中每个电阻可以通过继电器控制实现短路，进而实现0～50 k的电阻输出。前后两部分协调控制，保证二者输出电阻值的和为50 k，最终实现模拟电位计的效果，原理如图10，实物如图11。

2.6 可调拉偏电阻电路设计

图8 遥测指令信号监测模块原理Fig.8 diagram of monitoring module for telemetry instruction signal

图9 遥测指令信号检测模块电路板Fig.9 Circuit board of detection module for telemetry instruction signal

图10 电阻矩阵简易示意图Fig.10 Simplified diagram of resistance matrix

图11 模拟电位计板卡Fig.11 Analog potentiometer card

可调拉偏电阻电路以STM32F103ZE为微处理器实现核心控制逻辑，通过RS232串口与上位机进行通信。设计的八路可调电阻每一路含有八个电阻，每个电阻与一个继电器并联，单片机通过控制继电器的开闭实现0～10 k不同阻值的输出，输出精度为100 Ω，如图12所示，实物如图13。

图12 单路拉偏电阻原理图Fig.12 diagram of single path pulling resistance

3 测试系统组装联调

图13 可调拉偏电阻板卡Fig.13 Adjustable pull-off resistance board

本系统分两大部分，由两个SKB机箱组成。为了方便陈述，我们将上面的机箱称为A箱，下面的机箱称为B箱。A箱主要包含供电电源、供电通道切换模组、MOXA串口扩展组件以及KVM控制组件，B箱主要包含PXI测试平台以及自研的测试板卡和转接电路，设备正、背面分别如图14（a）、（b）所示。

与软件系统进行联合调试，通过测试软件系统发出指令，控制A箱完成供电通道的切换及电源变换，B箱进行了OC门信号进行了监测和测量，测试界面如图15，调试结果显示能够实现开关量输出继电器的开关控制，能够完成其他测试项目。测试数据如表1，说明通过该硬件平台可以满足对接机构的测试需求，硬件平台方案的可行性得到验证。

图15 测试界面Fig.15 Test interface

4 结论

本文设计的基于PXI总线的自动测试系统硬件平台及其遥控指令信号产生电路、遥测指令信号监测电路、模拟电位计电路以及可调拉偏电阻电路，可以提高空间站对接机构的测试精度，减少测试时间，提高工作效率；并提高测试的自动化程度。