基于LXI和USB的某导弹测试系统设计

胡 车,刘钧圣,张延风,陈二雷,母勇民

(西安现代控制技术研究所,陕西 西安 710065)

反坦克导弹是指打击摧毁坦克和装甲、工事等目标的导弹,在陆战中发挥着非常重要的作用[1],它具有威力猛、精度高、攻击方式多等特点[2]。随着未来新技术的发展,反坦克导弹会向小体积、轻质量、远射程、多模导引头、多个制导体制的方向发展[3]。

面向未来战争,坦克等装甲高价值目标,反坦克导弹将会发挥重大作用。美俄等都在研制发展新型反坦克导弹,远程精确打击是未来反坦克导弹的发展方向[4],我国也在研制发展某新型远距离和多模导引的反坦克导弹。

针对远距离和多模导引的某反坦克导弹,本文设计了一套基于LXI和USB的自动测试系统,利用USB和LXI总线的高速、高吞吐量与扩展性,设计了基于USB和LXI的测试盒,测试盒通过串行总线和复合目标模拟器、车载图传以及卫星模拟器连接,测试盒通过与导弹、车载图传等的通信等交互工作,快速高效地实现了某反坦克导弹的工作全流程的各部件功能与性能的测试任务。

1 系统结构组成及工作原理

某反坦克导弹测试系统由笔记本、USB测试盒和LXI测试盒、复合目标模拟器、车载图传、卫星模拟器等组成,系统组成示意图如图1所示。

图1 某测试系统组成示意图

某导弹被测试时,将导弹放置在测试台或振动试验台上,各测试设备放置在便携测试桌上,复合目标模拟器放置在三脚架上。笔记本通过网线与LXI测试盒连接,笔记本通过USB线缆与USB测试盒连接,LXI测试盒通过供电输出线缆与USB测试盒(下文将LXI测试盒和USB测试盒称为测试设备)连接,USB测试盒通过弹尾测试线缆、弹测试接口测试线缆与被测导弹连接,USB测试盒通过车载图传测试线缆、目标模拟器控制线缆、卫星模拟器控制线缆等实现与车载图传、复合目标模拟器、卫星模拟器连接。测试过程中导弹的工作电源由LXI测试盒的4个程控电源保证;导弹的供电过程以及导弹CAN通信等工作交互过程由LXI测试盒、USB测试盒与笔记本共同完成,弹上信号数据、车载图传数据的采集存储通过USB测试盒和测试线缆采集到笔记本上。车载图传、复合目标模拟器、卫星模拟器通过RS422串行总线与USB测试盒连接,通过串口的指令传输数据交换,共同完成对导弹发射前后全过程的测试任务。其中车载图传用于导弹发射后,测试设备与车载图传的指令交互实现和导弹的弹载图传的无线通信实现发射后流程的交互验证等,测试设备与复合目标模拟器通过指令交互实现激光的出光、红外电视点源的移动控制等,测试设备与卫星模拟器通过指令交互实现星历数据的获取等,从而实现导弹星历参数的装订等。

2 系统的硬件设计

2.1 测试设备(USB测试盒和LXI测试盒)硬件设计

本文应用虚拟仪器技术、数据采集技术、计算机技术、通信技术以及LXI和USB总线等技术,以通用笔记本为核心控制器,辅以由4个程控电源、以太网交换机、多根网线等组成LXI测试盒1(单独的结构箱体),由USB-HUB、USB CAN通信板、USB RS232通信板、USB RS422通信板、USB视频采集板、USB模拟采集板、串口继电器板、信号调理板(模拟信号调理)等组成USB测试盒2(独立的结构箱体)共同构建测试设备,系统的硬件框图设计如图2所示。

图2 测试设备硬件原理框图

本系统中笔记本采用高性能加固笔记本,采用神基公司的Getac S410笔记本,笔记本通过千兆网线控制LXI测试盒1中的4个程控电源,通过USB3.0线缆控制USB测试盒2中的所有硬件。LXI测试盒1中的电源选用固纬公司的PSW系列8027程控直流电源,该电源支持以太网程控接口等,电源用于导弹地面供电、模拟热电池供电等,以太网交换机选用普联公司的五端口千兆以太网TP-Link TL-SG1005D交换机;USB测试盒2中的USB-HUB选用工业级的八端口百兆USB3.0HUB,该HUB需要适配器供电工作,USB CAN通信板选用周立功致远电子公司的2路高性能USB CAN通信板USB CAN-2E-U,支持波特率125 kbps～1 Mbps,该板用于与导弹发射击发前的通信;USB RS232通信板选用摩莎公司的单路高性能RS232串口通信卡Port1110,支持多个波特率传输速度,该板用于与串口继电器板通信指令交互来控制继电器的通断等;USB RS422通信板选用摩莎公司的多路高性能RS422串口通信卡Port1650,支持多个波特率传输速度,该板用于对车载图传、目标模拟器、卫星模拟器的通信,以及采集弹上多路RS422信号的数据;USB视频采集板选用工业级EasierCap视频采集板,盒内装了2个视频采集板,一块采集弹上视频,一块采集车载图传输出的视频;USB模拟采集板选用阿尔泰科技公司的USB总线的模拟采集板USB 3136,该板支持16通道模拟量采集,采样率达500 ksps,量程达±10 V,该板用于采集弹上输出的各种模拟信号;串口继电器板采用工业级RS232串口控制的8路继电器板,该板用于供电输出、通断控制;信号调理板用于信号的分压、滤波、跟随等调理,它与模拟采集板和导弹连接,用于一些弹上超过±10 V量程的信号调理、采集等。

2.2 复合目标模拟器

复合目标模拟器由光源控制系统、光学系统等构成。光源控制系统包括黑体温控、可见光以及激光控制电路、电源电路、串口通信控制电路等,可以控制光源的开启关闭等;光学系统包含了光阑组件、复合光源及光路等,用于输出可见光、红外光以及激光光源。其组成示意图如图3所示。

图3 符合目标模拟器组成示意图

图4 测试系统主软件架构图

使用时,其放置在三脚架上,对准导弹的导引头光轴,导弹击发后测试设备与复合模拟器通信,控制其在一定时刻输出不同的光源,验证导弹导引头的跟踪性等。

2.3 车载图传

车载图传装置由车载图传、车载天线组件和车载射频电缆组件组成,其和导弹上的弹载图传实现双向通信,它通过图传测试电缆与测试设备连接。

使用时,测试设备与车载图传进行串口通信,导弹击发后,测试设备通过通信指令交互控制导弹的各种参数变化等,包括导引头的光轴、波门、锁定等各种指令。

2.4 卫星模拟器

卫星模拟器由模拟应答机和姿态轨道仿真器、通信控制电路、电源电路等组成[5],其和导弹测试设备通过串口线缆连接。

使用时,测试设备与它进行串口通信,用于导弹击发前的星历数据的串口通信传输、导弹击发后导弹的导航星历数据无线传输等。

3 系统软件设计

测试系统的软件用来完成产品的测试流程控制、数据采集、存储、分析、数据显示、数据处理后给出测试分析结果以及数据后期处理等功能[6]。

3.1 开发环境和运行平台

本文测试系统软件运行在Windows 10操作系统上,使用LabVIEW开发环境开发本文软件。LabVIEW是美国NI公司设计的虚拟仪器开发平台,它是图形化编程语言[7],在工控测试领域具有编程效率高、通用性好、可嵌入C和MATLAB等代码特点[8]。

3.2 软件结构设计

测试系统主软件编程框架是采用多线程编程技术和多个高级状态机JKI架构[9],软件采用了导弹通信等流程主测程序线程、与车载图传通信线程、用户界面事件处理线程、计时线程等4个线程架构技术,主测程序线程主要实现对导弹击发前自动测试的流程和状态,车载图传通信线程主要实现测试设备与车载图传通信的自动控制流程,用户界面事件处理线程主要用于实现用户界面事件处理、测试条件选择配置、参数输入修改等,计时线程主要用于实现导弹上电和击发后计时等功能,其中导弹通信等流程主测程序线程(空闲态、自检态、配置态、自动测试流程态、各步骤手动态、退出态等)、与车载图传通信线程(空闲态、自检态、自动通信测试态、退出态)内部采用JKI高级状态机结构,软件架构图如4所示。

测试系统数据采集分析软件采用生产者循环线程、消费者循环、用户界面事件、图像采集线程等4个线程架构,生产者循环(空闲态、采集态、配置态、通信态、退出态)采用普通状态机架构编程,主要与主测软件通信实现采集的自动启停控制、采集参数的配置、数据采集后入队列等,消费者循环主要实现各数字量数据出队列与文件存储、模拟量文件采集存储功能,用户界面事件处理线程主要用于实现用户界面事件处理、采集参数配置选择、采集数据回放画图、数据分析、给出结果报表等,图像采集线程主要实现图像数据采集、图像字符叠加和存储等,软件架构如图5所示。

图5 测试系统数据采集分析软件架构图

3.3 测试流程

测试开始时,设备应先完成自检成功,如程控电源电压符合要求、CAN通信板连接正常、RS422通信板连接、继电器板连接正常、模拟采集板数据误差符合要求、复合目标模拟器与测试设备通信正常、视频采集板正常工作等,设备自检合格后才能对被测弹上电测试,导弹上电自检正常后,因为被测弹有7个测试条件,需要依次选择不同的测试条件和多个不同的输入导弹参数,选择和配置好测试条件和参数后,导弹方可进入自动测试流程(装订星历、对准、选弹、诸元装订、击发、时序上电或其他操作、向车载图传发各种顺序测试指令、与模拟器发指令等),同时进行所有的弹上数据采集存储,导弹断电后将存储的数据进行逐个文件解析、计算和分析,并根据计算与反算分析结果给出每一个部件的每一个复杂参数的合格结果报告。软件的测试流程图如图6所示。

图6 测试系统软件流程图

4 试验结果与研究

反坦克导弹测试时,将反坦克导弹通过测试弹尾线缆、弹测试口线缆与测试系统(笔记本、USB测试盒和LXI测试盒、复合目标模拟器、卫星模拟器等)连接(见图1),测试条件包含低温、高温、温度循环、振动筛选测试、出厂测试、靶场测试等条件,其中被测弹放置在高低温箱、振动试验台、弹药防爆库房、靶场阵地等。测试系统自检与导弹自检正常后,选择测试条件后,进入自动测试流程(装订星历、对准、选弹、诸元装订、击发、向车载图传发送操控导引头的指令等),同时进行所有的弹上数据采集存储,导弹断电后将存储的数据进行逐个文件解析、计算(含反算)和分析等。

测试数据报表(见表1)主要由各个弹部件测试物理参数的理论范围、实测值以及判读结果构成。某一次的测试数据某一参数的计算分析绘制图如图7所示。

表1 测试数据报表

图7 点火1的电压-时间数据图

经过多个阶段的产品的多次不同测试联试证明,研制的测试系统能够对被测某反坦克导弹的总体功能、性能进行系统性与各子部件级(飞控、导引头、引信、图传、惯导卫星等)的设计验证与考核。在多个阶段不同被测弹的测试过程中,查找和排除了被测弹的设计中的多个软件和硬件错误,提出更改被测弹的软件错误,并为系统的各部件级排除和定位故障。经多轮产品验证,系统软件测试时间耗时短,自动化效率高,数据分析和判读效率高于人工判读效率,能够满足各部件多个指标的设计验证需求,提高了总体设计验证的效率。

5 结语

本文研制设计了基于LXI和USB的某反坦克导弹测试系统,并用串行总线连接了其他辅助测试组件与设备,组成了一个系统完整的某反坦克导弹测试系统,高效完成了某反坦克导弹的多个生命周期的设计验证测试工作。该系统对被测弹的所有工作时序流程进行自动测试,采集信号包涵了被测弹的全部信号,完成了导弹各阶段的设计验证测试工作。同时研制的设备结构小型化,重量轻,自动化程度高,操作简单,软件与硬件使用了模块化、通用化的设计思想,修改升级维护方便。它的研制成功提高了某反坦克导弹的测试效率和合格率,并对反坦克导弹总体设计具有重要的意义。